研究型教學(xué)在“數(shù)值天氣預(yù)報”課程中的應(yīng)用

王云峰 鄒力

【摘要】研究型教學(xué)，是指教師以課程內(nèi)容和學(xué)員的學(xué)識積累為基礎(chǔ)，引導(dǎo)學(xué)員創(chuàng)造性地運用知識和能力，自主地發(fā)現(xiàn)問題、研究問題和解決問題，在研討中積累知識、培養(yǎng)能力和鍛煉思維的新型教學(xué)模式。本文通過對研究型教學(xué)模式進行探討，并應(yīng)用在“數(shù)值天氣預(yù)報”課程的教學(xué)實施中，通過授課教員有機整合授課內(nèi)容，有序展開課外創(chuàng)新活動，達(dá)到了明顯改進教學(xué)質(zhì)量、培養(yǎng)學(xué)員創(chuàng)新意識、提高學(xué)員創(chuàng)新能力的效果。

【關(guān)鍵詞】研究型教學(xué) 數(shù)值天氣預(yù)報 教學(xué)質(zhì)量 創(chuàng)新能力

【資助課題】國家自然科學(xué)基金（41375106），江蘇省自然科學(xué)基金（BK20131065）。

【中圖分類號】G64 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2015）03-0228-02

一、引言

研究型教學(xué)，也稱研討式教學(xué)，是指教師以課程內(nèi)容和學(xué)員的學(xué)識積累為基礎(chǔ)，引導(dǎo)學(xué)員創(chuàng)造性地運用知識和能力，自主地發(fā)現(xiàn)問題、研究問題和解決問題，在研討中積累知識、培養(yǎng)能力和鍛煉思維的新型教學(xué)模式[1]。

研究型教學(xué)的目的，在于培養(yǎng)本科生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。用批判的態(tài)度繼承，用創(chuàng)新的精神學(xué)習(xí)，樹立為創(chuàng)新而繼承、為創(chuàng)新而學(xué)習(xí)的精神[2]。與單純的課堂講授教學(xué)模式相比，研究型教學(xué)具有鮮明的特征，并充分體現(xiàn)了創(chuàng)新教育的理念。在研討式教學(xué)中，教師與學(xué)員的關(guān)系逐漸從“主動-被動”的單向關(guān)系轉(zhuǎn)變?yōu)椤爸鲃?主動”的雙向關(guān)系，學(xué)員可以通過自主研究與老師的共同探討實現(xiàn)知識的獲取和能力的提高。

我國的高校教育改革始于1998年，高校擴招政策使更多學(xué)子有機會接受高等教育，保障了廣大人民群眾平等接受教育的權(quán)利，有利于社會整體素質(zhì)的提高。經(jīng)過連續(xù)十多年的擴招，我國高校教育的規(guī)模已經(jīng)躍居世界第一，高校教育進入了大眾化的階段。為了更好地提升國民素質(zhì)，高校的學(xué)歷教育不僅是一種知識的學(xué)習(xí)，而更應(yīng)該是一種思維的訓(xùn)練；不僅是一門科學(xué)技能的鍛煉，而更應(yīng)該是一種創(chuàng)新能力的訓(xùn)練。因此，加強研究型教學(xué)這種教學(xué)模式的應(yīng)用，對于培養(yǎng)高校學(xué)員的綜合素質(zhì)、提高創(chuàng)新能力具有非常重要的意義。

數(shù)值天氣預(yù)報是依據(jù)初始時刻的大氣狀態(tài)，通過數(shù)值求解大氣運動方程組預(yù)報未來天氣的方法。這種方法無論是在大氣動力學(xué)理論研究還是在業(yè)務(wù)天氣預(yù)報中都有廣泛應(yīng)用，已經(jīng)成為天氣預(yù)報現(xiàn)代化的一個重要方面。開設(shè)《數(shù)值天氣預(yù)報》課程的目的在于系統(tǒng)地介紹數(shù)值天氣預(yù)報的基本原理，模式設(shè)計和格式構(gòu)造的思路方法，為今后從事這方面的工作準(zhǔn)備必要的基礎(chǔ)[3]。因此，教學(xué)過程中，應(yīng)該以研究型教學(xué)為主要手段，遵循實施素質(zhì)教育、突出創(chuàng)新能力培養(yǎng)的指導(dǎo)思想，使學(xué)員夯實基本知識、掌握基本技能、培養(yǎng)基本能力、提高基本素質(zhì)。

本文將研究型教學(xué)模式在《數(shù)值天氣預(yù)報》課程中的實際應(yīng)用情況展開分析，并就取得的經(jīng)驗及未來的改進途徑展開思考。

二、實際應(yīng)用情況分析

任課教員結(jié)合《數(shù)值天氣預(yù)報》課程的特色，通過在教學(xué)實踐中不斷摸索，確定了一種以研究型教學(xué)模式為主的教學(xué)模式，既促進了教員的進步，也明顯提高了教學(xué)效果，培養(yǎng)了學(xué)員的創(chuàng)新意識和動手能力。具體體現(xiàn)在以下三個方面：

（一）授課教員自我素質(zhì)的快速提高

傳統(tǒng)的教學(xué)模式是單向傳授模式，即“教師教什么，學(xué)員就學(xué)什么；教師怎么教，學(xué)員就怎么學(xué)”。研究型教學(xué)模式中，學(xué)員已成為學(xué)習(xí)真正的主人，教員主要的責(zé)任在于更好地引導(dǎo)，特別是在學(xué)員探索未知領(lǐng)域和社會實踐等活動中，教師更要起到組織、引導(dǎo)、啟發(fā)等作用。換言之，這種教學(xué)模式其實是對教員本身的學(xué)識積累、科研素養(yǎng)等提出了更高的要求。教員除了對本課程的內(nèi)容有清楚的了解，而且要能夠?qū)⒔滩膬?nèi)容與科學(xué)問題有機結(jié)合，將傳統(tǒng)理論與科研課題相結(jié)合，通過研討和爭論，形成鮮明的學(xué)術(shù)見解。這樣，才能脫離“照本宣科”，將課講“好”、講“活”，在拓寬學(xué)員知識面的同時，啟迪學(xué)員的創(chuàng)新性思維，使學(xué)員能夠自己發(fā)現(xiàn)和提出科學(xué)問題，自主獲取知識。

《數(shù)值天氣預(yù)報》課程的實施，需要教員對差分格式的設(shè)計、數(shù)值模式的架構(gòu)、濕物理過程的參數(shù)化方案、初始場的調(diào)整等都要做到了然于心，同時對于這些知識的最新進展和科學(xué)前沿，也要非常熟悉，這樣才便于更好地指導(dǎo)學(xué)員。而這些知識和能力的積累，需要教員參加各種科研項目，通過積累的科研實踐、技術(shù)攻關(guān)的豐富經(jīng)驗，以研促教、以教促研，從而提高授課質(zhì)量。

（二）授課內(nèi)容的有機整合

教學(xué)模式的改變必然涉及到教學(xué)內(nèi)容的有機整合。我國數(shù)值天氣預(yù)報的研究工作開始的比較早，1955年在沒有電子計算機的條件下，用圖解法作出了準(zhǔn)地轉(zhuǎn)兩層模式500hPa的24小時預(yù)報。在我國104電子計算機研制成功之后，建立在氣象學(xué)、流體動力學(xué)和數(shù)學(xué)緊密結(jié)合基礎(chǔ)上的數(shù)值天氣預(yù)報得到了突飛猛進的發(fā)展。尤其是計算機和數(shù)值模式高速發(fā)展的今天，新的技術(shù)和新的方法如雨后春筍般出來。因此，《數(shù)值天氣預(yù)報》課程最早使用的教材內(nèi)容，發(fā)展到現(xiàn)在有很多已經(jīng)不適合了。教學(xué)模式的改變，促進了教學(xué)內(nèi)容的更新和有機整合。為此，教員必須非常注重理論內(nèi)容更新，緊密追蹤國內(nèi)外最新研究進展，并時刻關(guān)注其他院校的教材更新，力爭將最新的技術(shù)和方法引入到課堂中來。同時，對于《數(shù)值天氣預(yù)報》課程的內(nèi)容，也必須作出巨大調(diào)整，在遵照“人才培養(yǎng)方案”和“課程標(biāo)準(zhǔn)”的大前提下，對教學(xué)內(nèi)容按照知識點群的架構(gòu)進行重新組合，以新型氣象保障系統(tǒng)中對數(shù)值天氣預(yù)報的要求來選擇課程內(nèi)容，并以知識綜合、創(chuàng)新設(shè)計為原則設(shè)計各種“小論文”題目，讓學(xué)員通過圍繞特定主題而展開調(diào)研的方式來獲得更全面的知識，通過撰寫創(chuàng)新研究型的小論文而訓(xùn)練出更全面的能力，通過辯論和做學(xué)術(shù)報告來培養(yǎng)更全面的素質(zhì)。

研究型教學(xué)所傳授的應(yīng)該是活的知識，是實際與理論的結(jié)合體，因此授課教員在深刻領(lǐng)會好“是什么”，“為什么”的同時，更要從基層臺站建設(shè)的特點規(guī)律上進行思考研究，緊密聯(lián)系基層臺站的實際需要，幫助學(xué)員回答好“怎么辦”的問題。以數(shù)值天氣預(yù)報模式的選擇為例，各種不同的數(shù)值天氣預(yù)報模式所需要的計算資源和資料來源都有著數(shù)量級上的差異，對于總部級的氣象中心來說，由于超級計算機群和衛(wèi)星接收裝置的配備，運行全球模式是可行的，但是對于偏遠(yuǎn)地區(qū)的臺站來說，運行區(qū)域數(shù)值預(yù)報模式都可能是奢望，只能運行一些簡單的程序來進行解釋應(yīng)用。所以，在進行教學(xué)的過程中，要針對不同的情況，作出多種層次的講解和對比，讓學(xué)員通過研究型的調(diào)研，具備“舉一反三”多條線路的思考方式，深刻理解學(xué)習(xí)這門課的重要意義和靈活方式，便于將這門課的知識和技能應(yīng)用于日后的工作之中去。

總之，通過對授課內(nèi)容的有機整合，在課堂中為學(xué)員提供了發(fā)現(xiàn)問題、研究和解決問題的基本程序，提供了豐富的實踐機會，為學(xué)員在今后工作中開拓創(chuàng)新提供了可資借鑒的經(jīng)驗。

（三）課外實踐活動的緊密結(jié)合

研究型教學(xué)的一個重要特點就是淡化了課內(nèi)課外的時間觀念，使教學(xué)不再僅僅是課內(nèi)的事。課外實踐活動成為教學(xué)過程的重要一環(huán)。

1.編寫程序

作為《數(shù)值天氣預(yù)報》這門課程，其最重要的實踐活動就是編寫數(shù)值預(yù)報程序。教員根據(jù)教學(xué)進展和學(xué)員的基礎(chǔ)，從第一堂課開始，每次課都就布置了相應(yīng)的小程序和小算法的課后編程訓(xùn)練任務(wù)，從水平插值算法、垂直插值算法、迭代計算、地圖放大系數(shù)、平流差分格式設(shè)計、變量配置設(shè)計、守恒差分格式設(shè)計等等，一直到最后編寫正壓原始方程模式，一步步由淺入深，讓學(xué)員完成了理論知識的積累和編程能力的鍛煉。

2.圖形顯示

如何將計算結(jié)果用最合適的方式表現(xiàn)出來，對于科技工作者來說也是一個重要的關(guān)鍵問題。所以，教員也注重加強了圖形顯示方面的訓(xùn)練。通過教員引導(dǎo)，學(xué)員們收集了Grads、NCL、MatLab、Graph、IDL、AutoCAD等多種繪圖軟件，通過訓(xùn)練學(xué)會了如何根據(jù)不同的科學(xué)意圖，合理地去使用它們，從而最有效地表達(dá)出最好的效果。根據(jù)教員和學(xué)員的努力，總結(jié)出如下一套畫圖的經(jīng)驗：

（1）圖想表達(dá)什么，就要讓人一眼看出；

（2）真實地表達(dá)資料，不要隨便插值。最大、最小值要反映出來，特殊處理要說明；

（3）小值用淺色，大值用深色，顏色變化應(yīng)該是連續(xù)的；

（4）出圖的大小與出版的大小應(yīng)該差不多；

（5）等值線、XY軸的字都必須清晰可見，大小應(yīng)該為12號；

（6）每個圖的圖解都要寫清楚，圖解中不需要寫畫圖目的和討論內(nèi)容。

3.創(chuàng)新活動

教員充分利用學(xué)校組織的大學(xué)生科技競賽這個平臺，根據(jù)學(xué)員的特點和能力，進行個性化的教學(xué)和培養(yǎng)，積極撰寫科技小論文。

大學(xué)生科技競賽的選題可以來源于學(xué)科研究熱點問題，也可以來自相關(guān)業(yè)務(wù)實踐工作的需求。例如結(jié)合北京2008年的奧運會氣象保障，進行數(shù)值模擬和天氣預(yù)報保障研究；結(jié)合影響中國的登錄臺風(fēng)個例，進行臺風(fēng)路徑的數(shù)值模擬和機理分析研究；結(jié)合北京“721”暴雨事件，進行暴雨個例的模擬與暴雨機理的分析研究；等等。通過競賽，使學(xué)員訓(xùn)練了科研能力，增強了自信感。

課堂不僅是學(xué)習(xí)的基地，也是研究的基地，更是出現(xiàn)創(chuàng)新思想的基地。在實際的教學(xué)活動中，教員要充分利用大學(xué)生科技競賽、畢業(yè)設(shè)計等契機，吸收學(xué)員參與科研，有利于學(xué)員們溫故知新，無形之中加深了對理論的理解，鞏固了所學(xué)知識。另外，通過參與科研活動，可以使學(xué)員有機會接觸專業(yè)領(lǐng)域的最新動態(tài)，了解科技前沿和發(fā)展趨勢，激勵進一步學(xué)習(xí)和研究的興趣，培養(yǎng)他們理論聯(lián)系實際的能力以及團隊合作意識和精神。

（四）總結(jié)及思考

研究型教學(xué)模式的應(yīng)用是一個系統(tǒng)的工程，涉及到教員自身素養(yǎng)的不斷提高、課程內(nèi)容的有機整合、課外實踐活動的緊密結(jié)合等。但是，在教學(xué)過程中，還需要考慮學(xué)員有效學(xué)習(xí)、研究時間的保證，科研場所和硬件條件的保證等實際存在的困難。因此，還需要不斷摸索開展研究型教學(xué)的有效途徑，做到理論和實踐的有機結(jié)合，不斷提高學(xué)員的綜合素質(zhì)，為國家培養(yǎng)更多的人才。

參考文獻(xiàn)：

[1]韋寶平.創(chuàng)新教育視角下的研究型教學(xué)[J].江蘇高教，2003，（4）：85-86.

[2]范群成，徐彤、席生岐等.研究型教學(xué)在“材料科學(xué)基礎(chǔ)”課程的實踐與思考[J].中國大學(xué)教育，2012，（8）：61-62.

[3]周毅，侯志明，劉宇迪等.數(shù)值天氣預(yù)報基礎(chǔ)，北京：氣象出版社，2003.6（2013.8重印）