基于“做中學”理念的云降水物理學實踐教學改革研究

王 靜，朱 彬，華興夏，銀 燕，楊 軍，陳愛軍

(南京信息工程大學 大氣科學與環境氣象實驗教學中心，江蘇 南京 210044)

云降水物理學是大氣科學中最為重要的分支學科之一，具有很強的實踐性。該門課程是南京信息工程大學大氣科學本科專業的核心課程，特色在于理論教學與實踐教學并重，實踐教學在課程教學中具有不可替代的作用。2007年“云降水物理學”被列入中國氣象局與南京信息工程大學局校共建精品課程項目；2008年“云降水物理學”獲江蘇省精品課程；2011年正式出版普通高等教育“十一五”國家級規劃教材——云降水物理學。在2012年國務院學位辦學科評估中，南京信息工程大學大氣科學專業排名全國第一。

1 人才培養目標

利用優勢學科建設加強實驗課程建設與改革，對培養學生創造性的思維方式、理論聯系實際的作風、嚴謹求實的科學態度和獨立動手的工作能力都具有重要的作用[1]。傳統的本科教學課程的實踐教學環節相對薄弱，單一化、灌輸性的實驗教學模式很難調動學生的積極性和發揮創造性。因此，亟需研究和探討該課程實踐教學環節的改革，培養學生掌握和利用新技術處理實際問題的能力，以適應21世紀氣象科學發展和人才培養的要求[2]。基于以上原因，我們以學科為依托，以改革創新為核心，推進了學科建設與人才培養相結合、教學與科研相結合，提出了以杜威(John Dewey)的“做中學”(learning by doing)理念[3]為指導的新的教學方法和模式，改革了現有的教學內容和方法，在2008—2012級本科生教學中進行試點，取得了顯著的課堂教學成效。

2 “做中學”理念的內涵

“做中學”是美國著名哲學家、教育學家和心理學家杜威提出的一種學習方法，同時也是聯合國教科文組織產學合作教席提出的實踐教育改革的三大戰略之一[4]。杜威以“教育即生活”、“教育即生長”、“教育即經驗的改造”為依據，對知與行的關系進行了論述，提出了“做中學”理論，其實質就是要加強學生實際操作能力、探究和解決問題能力、從事和適應實際工作能力的培養。他主張學生親歷探究過程，建立與真實世界的關系，實現學生從一個被動的觀察者到一個積極的實踐者的轉化，學生通過自己的活動逐步形成對世界的認識，充分體現學與做的結合。

杜威認為人類獲得解決問題的探究能力才是最重要的，而這種能力的培養應該通過科學方法的訓練來獲得。同時他認為教學活動的要素與科學思維的要素應當相同。并由此提出了相應的“思維五步”或“問題五步”教學[5]方法(見圖1)：第一，學生要有一個真實的實驗情境，要有一個對活動本身感興趣的連續的活動，即要有一個能實現“做”的情境；第二，在這個情境內部產生一個真實的問題，并作為思維的刺激物，即要有一個可“做”的內容；第三，學生要占有知識資料，從事必要的觀察以對付這個問題，即要有一個實現“做”的必要支撐；第四，學生必須一步一步地展開他所想出的解決問題的方法，即要有一個完整的“做”的過程；第五，他要有機會通過實踐來檢驗他的想法，使這些想法意義明確，并且自己去發現它們是否有效，即有一個針對“做”的結果的檢驗(見圖1)。這里的“五步”教學法表面上看完全是一個學生“做”的過程，但在“做”的過程中卻是對“學”的積累。

圖1 “思維五步”教學法示意圖

3 教學模式改革

研究云降水物理從認識論的角度可劃分為3個層次、5類方法：(1)感性認識，即觀測或探測方法；(2)理性認識，即理化實驗方法、理化模擬方法和數值模擬方法；(3)自然過程人為干擾，即人工影響天氣方法[6]。按照我校“厚基礎、強實踐、重創新”人才培養的要求[7]，從人才培養體系出發，以培養學生實踐能力和創新能力為核心，初步建立了以“做中學”為理念的探究式學習模式，教學模式的改革遵循學生實踐知識和能力提升的培養規律，將課程實踐教學分為認知、求證、應用、探究4個層次，培養了相應的實踐知識和能力。“認知”主要加強學生基本實踐理論知識和技能的掌握；“求證”強化學生對專業知識的綜合理解和操作；“應用”著重鍛煉學生實際的業務技能；“探究”激發學生自主學習新技術和新手段的興趣，拓展學生實踐創新能力。

針對云降水物理與人工影響天氣業務的發展需要和學生知識能力素質的培養過程，在借鑒案例教學、漸進式教學、互動式教學、啟發式教學等方法的基礎上，創立了特色的實驗教學方法，即實訓教學法和科研教學雙向融合法。

3.1 實訓教學法

依托南京信息工程大學國家級實驗教學示范中心——大氣科學與環境氣象實驗教學中心和中國氣象局氣溶膠與云降水重點開放實驗室，以及校外實踐基地，從云降水物理室內實驗、外場試驗、分析處理、模擬研究、科研應用等一整套的實訓平臺，讓學生在外場自然環境和室內模擬環境中感受到了云降水微觀物理過程的變化，做到緊密結合理論課程教學開展了實驗教學。

3.2 科研與教學雙向融合法

科研可以驅動實踐教學，促進教學水平的提升，同時，實踐教學中發現的新問題、收集的新資料也可以反哺科研，促進科研水平的提升[8]。在實踐教學中高度重視科研與教學雙向融合，設立了專門的開放實驗室和開放實驗項目，鼓勵教師和部分學生開展開放性實驗，促進了科研與教學的雙向融合。

4 教學環節改革與創新

在實踐教學環節中結合云降水物理學課程中講述的內容[9]，通過安排對應的實驗項目，加深對云與降水形成宏觀、微觀物理過程的理解。實踐教學內容的更新使沿襲多年的傳統實驗方法、儀器以及單一陳舊的教材得到改進、補充。堅持“厚基礎、強實踐、重創新”原則，實現了新的實驗方法與傳統的、經典的方法有機的結合。

4.1 理論性與應用性的統一

在多年的實踐教學過程中，實驗和實習重在強化理論、鞏固基礎[10]。根據“做中學”理念，首先要有一個可“做”的內容，設置具有層次性、漸進性、可操作性的實踐教學內容，即與理論教學緊密聯系的實驗項目[11]。我們考慮設計的實驗項目將云降水物理學中抽象的理論原理轉化為學生通過動手可以實現的實驗結果，在完整的“做”的過程中，增強學生的學習興趣以及對理論課程內容的理解。從人才培養體系的整體出發，以培養學生實踐能力和創新能力為核心，將教學實驗分為基礎訓練實驗、專業綜合實驗、業務培訓實驗和研究創新實驗4個層次，將實驗內容整合成基礎型、專業型、業務型、創新型4個模塊，構建起“四層次、四模塊”實驗教學體系。

4.2 認知性與探索性的統一

在認知、求證、應用、探究4個層次的基礎之上，將實踐教學內容分為基礎訓練、專業綜合、業務應用、創新探究4個模塊。(1)基礎訓練在于讓學生了解、熟悉專業領域基本的實驗儀器的使用、基本的實驗方法和過程以及基本技能的訓練，正確掌握獲取實驗數據和把握操作實驗的能力；(2)專業綜合在于讓學生在實驗室中綜合應用所學專業知識驗證基本認知得到的知識，啟發學生的專業思維，培養專業素養、提高專業能力；(3)業務應用在于利用實際的業務平臺使學生切身感受實際的業務流程，在初步的業務實踐中進一步檢驗課堂知識，培養實踐動手能力；(4)創新探究指在教師指導下，依據學生自身的興趣申報大學生科技立項課題或直接參與教師的研究項目，獨立完成“實驗設計→探索研究→成果總結”的全過程，培養他們的科研創新能力。

4.3 創新性與可操作性的統一

在實驗教學環節中以操作、使用和應用為主，采用任務驅動的實踐教學形式，重點解決技術難點，激發學生主動參與創新設計[12]的興趣。教學實踐環節的開展以南京信息工程大學國家級實驗教學示范中心——大氣科學與環境氣象實驗教學中心和中國氣象局 氣溶膠與云降水重點開放實驗室為依托，為學生的教學實踐提供國內一流的科學實驗和教學實習條件。氣溶膠與云降水是本實驗室的優勢研究方向之一，一直處于國內先進行列，擁有云降水粒子探測系統、FM-100光學霧粒譜儀、云凝結核計數器CCN、碳黑氣溶膠濃度計PASS-1、光學雨滴譜儀MPS、光學雨滴譜儀PARSIVEL、單顆粒氣溶膠飛行時間質譜儀、地基型氣壓空腔氣溶膠譜儀、濕控串聯差分電遷移率分析儀、毫米波測云雷達系統等國際先進的云霧降水設備，在實驗教學過程中，使學生能夠掌握國際上最先進的技術方法。

同時強化科教融合，將學科優勢轉為實踐教學資源，科研成果反哺實踐教學內容，開設緊跟科學前沿和貼近業務的實踐項目，不斷用當前最新科研成果充實教學內容，引導學生參與科學研究，自制儀器設備反哺實踐教學，發揮科研對實踐教學的支撐作用。實驗室在科教項目支持下，自主開發實驗儀器設備的比例不斷提高，近3年自制研發了X波段小型測雨雷達、云室、巨鹽核凝結增長觀測系統、激光云自動化測量儀、霧水采集器等幾十種用于實踐教學實驗儀器和設備，部分儀器設備已經達到國內一流水平(見表1)。在研發儀器的動手過程中，使學生的科學探索精神和創新能力有不同程度的提高，從而切實提高實踐教學的效果。

表1 云降水物理實驗設置實驗項目一覽表

5 實驗教材建設

隨著實驗教學內容和教學模式的改革，原有的實驗講義已不能滿足教學要求，在開展實驗教學改革的同時，我們陸續編寫了新的實驗講義。國外的經典云降水物理學教材中，有部分關于室內實驗的介紹，如1983年Rogers出版的《云物理簡明教程》、1979年Mason所著《云物理學》等，國內的實踐教學可選的參考書有1995年南京氣象學院(南京信息工程大學前身)大氣物理系陳金榮等自編教材《云、降水物理實驗》。由于出版年代較早，實驗項目配套儀器大都缺失或嚴重老化，實驗教材及課程設計內容亟待更新。我們在“做中學”的實驗教學過程中，把握住實驗改革和發展的脈搏和方向,注意汲取各優秀教材的長處,配合理論教學不斷采用當前最新科研成果充實教學內容，根據實踐教學需要完善實驗教學大綱，改進了實驗教材及指導實踐教學的內容。

通過更新改進實驗課題教學內容和實驗項目配套儀器，對現有的《云、降水物理實驗》自編教材內容進行重新修改和整理，拓展實踐教學內容，增加了有啟發性并能激發學生創造性思維的綜合性、設計性實驗，使學生能夠了解本學科實驗方法及儀器的國際最新前沿動態。新教材將增加一些新開設的科學研究型實驗，目的在于充分調動學生的動手能力和創新能力，讓學生體會實驗自身的研究方法和規律，形成了從易到難、從簡單到綜合、從注重傳授知識到注重創新能力培養、循序漸進、逐級提高的云降水物理實驗課程體系的思路。

6 結束語

實踐教學是鞏固學生專業基本理論、加強理論聯系實際、培養學生分析和解決問題能力、提高學生的綜合素質的重要環節。在云降水物理學的課程教學中，以“做中學”為指導理念，加大了對實踐教學研究與改革力度，切實加強了學生基本實踐技能的訓練，提高了學生的學習能力，實踐能力和創新能力。

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