天氣學原理課程教學的思考

徐蜜蜜

摘要：指出了天氣學原理是氣象學專業重要的專業核心課程，其特點是公式多、理論性強。總結了該課程教學實踐中存在的問題，并針對這些問題從教學方法、教學手段和考核方式等方面提出了幾點改進建議，以期提高教學質量，重點激發學生的學習興趣，培養學生的科學思維、創新意識和理論與實踐相聯系的能力。

關鍵詞：天氣學原理；教學體會；教學質量

中圖分類號：G642

文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2017）17-0226-03

1 引言

天氣學原理是研究不同尺度的天氣系統和天氣現象發生發展及其變化的基本規律，并利用這些規律來預測未來天氣的學科。天氣學原理課程是南京信息工程大學大氣科學、大氣物理、海洋科學、大氣環境等專業本科生的重要專業主干課程之一，屬于氣象專業的核心課程。該課程側重于理論教學，主要介紹天氣學經典理論，其內容包括五章，依次為：大氣運動的基本特征、鋒面理論、氣旋與反氣旋、大氣環流概論以及天氣系統和天氣形勢的天氣學預報方法。課程的主要目的是使學生掌握天氣預報的基本原理、基本概念和基本分析方法，為今后從事業務與科研工作奠定必要的理論基礎。此外，天氣學原理也是學生在學習整個氣象學知識體系的過程中所接觸到的第一門專業課，是進一步學習后續氣象專業課程（如“動力氣象”、“中國天氣”、“數值天氣預報”、“典型天氣過程分析”、“天氣預報綜合實習”等）的基礎。南京信息工程大學享有“中國氣象人才搖籃”之美譽，其大氣科學學科一直在全國名列前茅，承擔著為全國科研院校和氣象、水文、海洋、環境等部門培養優秀人才的重任。因此，天氣學原理課程教學質量的高低將直接影響到學校特色專業人才培養的質量。筆者將對于該課程教學實踐中存在的問題進行初步總結，并針對具體問題從教學方法、教學手段以及考核方式等方面提出改進建議。

2 存在的問題

2.1 學習目標不甚明確，有功利化傾向

按照教學計劃，該課程開展于大二下學期，處在此階段的高校學生大部分還未能完全擺脫傳統應試教育的影響，表現在不能適應主動學習、不具備積極探索求知的欲望和精神。盡管對于這門擁有較多學分的專業核心課程，學生能夠明確地知道其重要性并能以比較認真的態度進行學習，但是筆者在教學過程中發現他們當中大部分人的學習目標并不明確，并且由此產生了兩種錯誤傾向。一方面，“重結果，輕過程”、“重結論，輕方法”的想法相當普遍。對于所學的天氣學基本概念和理論，他們更愿意直接記住結果，而對于為什么要引入這些概念以及結論的推導過程興趣不大。一些同學以歷年考試題庫來指導學習，題目考到了哪些知識點就在教材和課件中找到對應的地方學習，力圖在最短的時間內拿高分，導致對知識的理解“碎片化”嚴重。學生在學習過程中嚴重依賴PPT課件，究其原因，是因為相對于教科書和老師的講授，課件對結論的展示更加簡練、直觀，為死記硬背打開了方便之門。另一方面，現今在臺站業務預報中數值預報產品的應用越來越廣泛深入，這就使得部分同學認為天氣學方法已經過時，學習興趣不高，甚至將大學當成了職業培訓學校。

2.2 “入門難”，學習過程中存在畏難情緒

天氣學是一門理論性較強的學科，需要學生在學習本課程前有較扎實的數理功底和一定的空間思維能力。課程中公式較多，如第三章中用于描述溫帶氣旋理論的位勢傾向方程和ω方程，以及第五章中高空形式預報方程等，其推導過程十分繁雜，這讓不少同學感覺這門課難度大，自信心不高，學習自然沒有積極性。此外，該課程中存在著大量對天氣系統時空狀態的描述。任何一個天氣系統都是包含三維空間和時間序列的四維系統，如何理解四維氣象場的物理概念及其數學描述往往讓初學者很不適應。有學生反映最困難的是剛開始接觸天氣學模型和一些專業術語（如變壓）時感覺發怵，不習慣將數學表達式和物理意義結合起來思考問題。然而經過前兩章的訓練，一旦習慣了天氣學的思維方式，發現自己突然進入狀態，就會感覺后面章節內容的難度并不大。

2.3 理論知識在實踐中的應用存在欠缺

從天氣學原理在今后業務工作中的重要性和教材內容的編排來看，該課程應該具有理論與實踐并重的特點[1]。然而在實際教學過程中，由于這門課程的理論性強、公式多、抽象難懂，學生對于基礎理論的理解大多局限于課本上，很難將理論概念和實際天氣分析應用聯系起來。根據后續實踐課程（如“典型天氣過程分析”、“天氣預報綜合實習”）的老師反映，學生普遍出現無法將天氣學理論知識熟練運用于分析實際天氣過程的問題。例如，盡管在本課程第二章中詳細講解了鋒面的三維空間結構，以及鋒面附近氣溫、氣壓、變壓、濕度和云系等各種氣象要素的分布特征，但是在實際天氣個例中，由于受鋒面兩側輻射條件不同、水汽條件不同以及垂直運動條件不同等諸多因素的共同影響，鋒面兩側氣象要素場的差異往往不如理論上那樣明顯，學生在確定地面天氣圖上鋒面位置的時候常常感覺無從下手。此外，對于高空等壓面圖的分析也存在由于槽線和切變線概念混淆不清從而造成濫分析和漏分析的情況[2]。《天氣學分析基礎》課程可以看成是《天氣學原理》的實習，按照目前的教學計劃，大氣物理、大氣環境和海洋科學專業這兩門課被分別安排在前后兩個學期進行，更容易造成理論和實踐脫鉤。

2.4 思維的批判性和創新性不足

現代教育理論表明，在課堂教學中無論采用何種教學手段和方法，若要使其內容具有鮮活的生命力，就應當保持批判性。因為只有當參與者持有批判心態時，他們才會更多地聽取別人的想法和觀點，并加以詢問和探究[3]。大學生對問題產生困惑并產生求解過程的強烈愿望是創造性教學的前提。然而筆者在教學過程中發現學生大多缺乏“問題意識”，一般不愿提問題也提不出什么問題，對所學內容不加思索地全盤接受，不注重思考與質疑，甚至在沒有理解透徹的情況下強行記憶，當然就更談不上銳意創新。這一方面是由于受傳統文化中“崇尚權威、反對懷疑”的負面影響，另一方面也與該課程主要采用單一的“講授法”教學，造成學生對知識的理解十分被動有很大的關系。

3 教學思考與建議

針對以上天氣學原理課程教學實踐中出現的問題，有以下幾點教學改革建議。

3.1 針對學習目標不明確的問題

很多情況下，學生學習不得法是由于他們對課程的目的和要求不明確造成的。現代教學觀認為教學過程是對學生知識體系構建的過程，因此在第一節課時首先應當介紹天氣學原理的知識體系和結構，幫助學生理清各章節在整個知識體系中所占的地位和他們彼此之間的邏輯聯系，使學生的學習更具系統性而不是孤立地學習各個知識點。在講授每一章新課之前應先將本章重點和基本要求告知學生，以便于分清主次，有的放矢地進行學習。要讓學生認識到學習過程中眾多的分析、判斷、推導能有效地促進思維的活躍與發展，學習天氣學原理不僅要學習理論知識，更重要的是鍛煉天氣學思維能力。同時也要讓學生認識到大學教育提供的不僅是立竿見影的謀生技能，而更多的是建立在精英文化層面的知識和素質。此外，現行的考核內容主要是從題庫中抽題，期末考試占總評成績的70%以上，這也讓學生有機可乘，如平時不學習臨近考試時復印題庫死記硬背照樣能得高分。在此建議減少期末考試成績的比重，增加課堂問答、平時作業和期中成績的比重；在考試內容上取消或減少名詞解釋題型的分值，更注重考核學生思維的靈活性和綜合運用知識的能力。

3.2 針對“入門難”的問題

建構主義認為，學習不是把知識從外界搬到記憶中來，而是以學習者已有的知識經驗為基礎，通過與外界的相互作用來建構新的理解[3]。這就要求教師在備課時不僅要注重對天氣學原理知識點的條理性和順序性的編排，同時也要重視這門課程與流體力學、熱力學這些先修課程的聯系，在講授時可根據具體內容對先導知識進行簡單的回顧，使新知識建立在學生已有知識經驗的基礎之上，以增強學習的踏實感。例如，在講解第一章連續方程之前，可先回顧一下流體力學中歐拉觀點和拉格朗日觀點的區別，再說明如何由這兩種觀點出發來理解大氣質量守恒定律，以及推導出連續方程的兩種形式，并由此引出質量通量散度的概念。其次，在教學手段上應當使多媒體教學與傳統教學有機結合，既發揮多媒體生動形象、效率高的優點又發揮教師的主導作用。以溫帶氣旋發展理論為例，描述該理論的位勢傾向方程和ω方程的推導應以板書形式給出，同時講明方程的前提假設以及需要用到哪些先前的知識點，以便使學生與老師的思維同步。而方程各項物理意義的討論、溫帶氣旋的生命史和方程在氣旋發展各階段的應用則適合利用多媒體技術，變抽象為形象，通過圖片與動畫將立體的鋒面氣旋及其發生、發展和消亡的過程直觀地展現出來，幫助學生建立天氣系統的三維概念模型。

3.3 針對理論知識無法與實踐聯系的問題

針對此問題，可將案例教學法與多媒體教學手段相結合以提高學生學以致用的能力。案例教學法是根據教學目標和教學內容的需要，通過設置一些具體案例引導學生參與分析、討論的教學方法，其目的之一就在于使學生理論聯系實際[4]。例如，在第二章講解鋒面理論時可充分利用網絡資源查找素材，首先，給出鋒的三度空間示意圖和不同類型鋒面的動畫展示，使學生對鋒的空間結構及鋒面兩側氣團性質的差異有鮮明地認識。然后，以一個具體的鋒面天氣過程為例，給出該個例的歷史天氣圖，包括經預報員定好鋒線的地面圖和850hPa、700hPa、500hPa的高空圖。通過分組討論等方式引導學生對照高低空不同層次的溫壓場結構，總結出實際天氣過程中高空鋒區與地面鋒線的對應關系，以及如何通過等壓面上的冷暖平流確定鋒的類型。最后，進一步介紹綜合運用高空鋒區、地面圖上氣象要素特征和單站探空資料進行鋒面分析的方法。此外，為了縮短理論與實踐的距離，在此建議《天氣學原理》與《天氣分析基礎》同時開課，通過實習消化理論所包含的內容。

3.4 針對創新性不足的問題

認識主義學習理論認為，學習是一個認識過程，掌握學習的過程比掌握學習的結果更重要[3]。體現在課本中的眾多概念、演繹和結論都是氣象先輩們的科研成果，不應該要求學生死記在腦子里，而應該要求學生參與到認識過程中去，所以學習應該是積極主動地獲得智慧的過程。但是如今這門課普遍采用傳統“講授法”教學。“講授法”雖然能高效地傳遞信息，形成系統的知識體系，但也容易造成學生被動接受知識，不利于創新思維的培養。因此有必要改進教學方法，明確學生是學習的主體，教師不獨占整個課堂時間。可根據具體章節內容適時采用PBL教學法（Problem-Based Learning，又稱問題式學習[5]），實施啟發式教學。在教學過程中創設問題情境，同時設計的問題要符合循序漸進的認識規律，側重于發展學生思維的靈活性，幫助學生從不同角度分析和理解問題，不墨守成規。

4 結語

《天氣學原理》作為氣象類專業必修的專業基礎和核心課程，在學生整個學習生涯和今后業務、科研工作中占有舉足輕重的地位。因此，在實際教學過程中應以學生為中心，教師為主導。根據教學目標和內容，教師要靈活運用多種教學方法和教學手段、改變考核方式，激發學生的主觀能動性，鍛煉他們的批判性思維和創新意識，培養他們發現問題、分析問題和解決問題的能力。部分專業需要調整教學計劃，使實踐內容與理論講解同步，以提高學生的應用能力。

參考文獻：

[1]杜寧珠，王麗娟.“天氣學原理”教學中的體會與思考[J].江蘇科技信息，2016（35）：44～46.

[2]王黎娟.《天氣學分析》教學中的幾點體會與思考[J].科技信息，2009（31）：5.

[3]譚頂良.高等教育心理學[M].南京：河海大學出版社，2006.

[4]巴 力，司馬義.淺談案例教學法在《應用氣象學方法》實踐教學中的應用[J].學術交流，2013（9）：1.

[5]姚素香.PBL教學法在《天氣學分析》課程中的應用[J].綠色科技，2016（9）：228～229.