科技文獻(xiàn)研究案例在“統(tǒng)計(jì)天氣預(yù)報(bào)”課程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

龍景超 徐華 常舒婕

[摘 要]統(tǒng)計(jì)天氣預(yù)報(bào)是大氣科學(xué)專業(yè)中理論性和實(shí)踐性兼具的一門核心課程。該課程的教學(xué)水平和質(zhì)量對(duì)學(xué)生專業(yè)知識(shí)積累和專業(yè)素養(yǎng)的養(yǎng)成具有重要影響。該文針對(duì)目前教學(xué)中存在的“數(shù)學(xué)推導(dǎo)與專業(yè)理論結(jié)合不足、案例更新慢、課堂互動(dòng)不足”等問題，將科技文獻(xiàn)中經(jīng)典和前沿科學(xué)研究融入課程內(nèi)容的教學(xué)方式，以助于增強(qiáng)教師教學(xué)的故事性、趣味性和前沿性，優(yōu)化文獻(xiàn)情景的討論和互動(dòng)。教學(xué)實(shí)踐表明，該措施能有效提高學(xué)生專業(yè)興趣和學(xué)習(xí)主動(dòng)性，開闊學(xué)生的專業(yè)視野，有利于教學(xué)質(zhì)量的提升。

[關(guān)鍵詞]統(tǒng)計(jì)天氣預(yù)報(bào);專業(yè)文獻(xiàn);教學(xué)改革;案例教學(xué)

[中圖分類號(hào)] G642.0[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A[文章編號(hào)] 1674-9324（2020）44-0-03[收稿日期] 2020-08-01

引言

高校本科生課程教學(xué)內(nèi)容應(yīng)該體現(xiàn)前沿性，緊跟學(xué)科發(fā)展方向[1]。在學(xué)習(xí)經(jīng)典理論的同時(shí)，將學(xué)科研究領(lǐng)域和技術(shù)發(fā)展的最新成果貫穿到課程教學(xué)的始終，課程建設(shè)才能與時(shí)俱進(jìn)，才能適應(yīng)學(xué)科發(fā)展和學(xué)生的需求。科技論文是科研成果的重要載體，其研究案例是對(duì)經(jīng)典理論的繼承和發(fā)展。將文獻(xiàn)中合適的案例引入實(shí)際教學(xué)，有利于幫助學(xué)生跳出統(tǒng)計(jì)天氣預(yù)報(bào)課程中晦澀難懂的理論推導(dǎo)與方法的實(shí)際運(yùn)用相結(jié)合，使學(xué)生能在大氣科學(xué)背景下更深層次的理解理論和方法，增強(qiáng)方法的實(shí)際運(yùn)用能力。同時(shí)，文獻(xiàn)的閱讀和課堂主題討論有助于提高文獻(xiàn)閱讀水平、觀點(diǎn)的表達(dá)能力和開闊科學(xué)視野。

一、存在的問題

統(tǒng)計(jì)天氣預(yù)報(bào)是根據(jù)已有的氣象歷史資料，用概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)、多變量統(tǒng)計(jì)分析方法尋找天氣現(xiàn)象發(fā)生的可能規(guī)律，預(yù)報(bào)未來氣象要素最大可能值的一種方法[2]。該課程涉及了大氣科學(xué)常用的統(tǒng)計(jì)分析和預(yù)報(bào)方法，教學(xué)內(nèi)容涉及概率論、線性代數(shù)等數(shù)學(xué)知識(shí)，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行數(shù)學(xué)推導(dǎo)。所以，課程對(duì)數(shù)學(xué)要求較高，內(nèi)容也相對(duì)枯燥。廣東海洋大學(xué)大氣科學(xué)專業(yè)開設(shè)統(tǒng)計(jì)天氣預(yù)報(bào)課程的歷史悠久，具有豐富的教學(xué)素材的積累，為課程教授和學(xué)生培養(yǎng)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。近年來，隨著課堂多媒體的普及、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的推廣，該課程已由原來單純的“課堂講解+板書”為主的形式，逐步發(fā)展為“課堂講解+板書+多媒體”的授課方式或“課堂講解+板書+多媒體+慕課平臺(tái)”的線上線下混合式教學(xué)方式。在這些新方式下，教師利用先進(jìn)平臺(tái)和技術(shù)手段將更多教學(xué)素材生動(dòng)形象地展示出來，增強(qiáng)了相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的圖像感，更有利于幫助學(xué)生理解。同時(shí)，科技的運(yùn)用提高了“教”和“學(xué)”的效率，讓師生有更多時(shí)間實(shí)現(xiàn)理論和實(shí)踐的結(jié)合。

然而，為了保持課程教學(xué)內(nèi)容的系統(tǒng)性、科學(xué)性和連貫性，讓學(xué)生知其然也知其所以然，很多理論性較強(qiáng)的課程都會(huì)以數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)貫穿專業(yè)課程教學(xué)的始終。比如，統(tǒng)計(jì)天氣預(yù)報(bào)課程的核心內(nèi)容回歸分析、聚類分析以及主成分分析等仍需要通過大量的數(shù)學(xué)推導(dǎo)來解釋其基本原理。由于數(shù)學(xué)推導(dǎo)的理論性較強(qiáng)，使得學(xué)生對(duì)課程涉及的基本原理和方法與專業(yè)課程難以有效結(jié)合，學(xué)生很難理解統(tǒng)計(jì)天氣預(yù)報(bào)課程在大氣科學(xué)專業(yè)中的基礎(chǔ)性和重要性，較難提升興趣和認(rèn)同感，教學(xué)效果并不明顯。以往“講解+練習(xí)”的教學(xué)模式下，學(xué)生熟悉方法的推導(dǎo)，也能進(jìn)行給定數(shù)據(jù)的演算。但在涉及實(shí)際問題的實(shí)踐環(huán)節(jié)，往往不能很好地理解專業(yè)背景所蘊(yùn)含的信息及其與預(yù)報(bào)方法之間的關(guān)系，即理論知識(shí)和實(shí)際運(yùn)用的脫節(jié)。另一方面，高校教學(xué)本身節(jié)奏較快，以公式推導(dǎo)為主的理論課程很容易形成以老師為中心—老師講、學(xué)生聽，如果師生互動(dòng)沒有真正成為教學(xué)的“標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作”，則互動(dòng)環(huán)節(jié)很容易被忽略。缺少了學(xué)生的反饋，教師授課的節(jié)奏就不能很好地適應(yīng)學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)，師生之間“教”與“學(xué)”就不能有效地產(chǎn)生共鳴。

專業(yè)課程的設(shè)置是為專業(yè)服務(wù)的，如果對(duì)數(shù)學(xué)符號(hào)、數(shù)學(xué)公式的介紹課時(shí)占比過高，將不利于基礎(chǔ)理論與專業(yè)背景知識(shí)的結(jié)合，就背離了《統(tǒng)計(jì)天氣預(yù)報(bào)》中“天氣預(yù)報(bào)”這一專業(yè)基礎(chǔ)。總之，統(tǒng)計(jì)天氣預(yù)報(bào)課程是專業(yè)課，而非數(shù)學(xué)課，應(yīng)該更多地體現(xiàn)專業(yè)課程的物理內(nèi)涵。因此，如何在教學(xué)中激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性、增強(qiáng)課堂互動(dòng)，及如何跟專業(yè)知識(shí)充分融合的問題一直是本課程教學(xué)中關(guān)注的重要。

二、案例教學(xué)的優(yōu)勢(shì)

案例教學(xué)法是指教師根據(jù)教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)目標(biāo)，通過創(chuàng)設(shè)案例，組織學(xué)生分析研究表達(dá)等活動(dòng)，讓學(xué)生在具體情況中積極思考，主動(dòng)探索，以培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)[3]。該方法是一種培養(yǎng)實(shí)戰(zhàn)型人才的方法，能有效地解決教學(xué)中理論脫離實(shí)際的問題。通過對(duì)案例的分析，學(xué)生可直觀快速地形成感性認(rèn)識(shí)，再通過教師歸納總結(jié)上升到理性認(rèn)識(shí)，快速獲取、掌握知識(shí)，學(xué)生真正成為教學(xué)活動(dòng)的主體，學(xué)習(xí)積極性也可得到明顯提高[4]。

引入文獻(xiàn)研究案例的教學(xué)方式與傳統(tǒng)的依賴教材的教學(xué)方式有所不同。首先，教學(xué)內(nèi)容組成不同。前者需要根據(jù)教師對(duì)學(xué)科經(jīng)典和前沿的了解，精心挑選兼具故事性、趣味性、邏輯性和前沿性的研究案例，因此該教學(xué)方法是一種具有獨(dú)特性質(zhì)和內(nèi)涵的編排體系[5]。該教學(xué)方法打破了以教材為中心的傳統(tǒng)教學(xué)模式。教材僅為教師教學(xué)的參考，教學(xué)內(nèi)容將以教師個(gè)人理解和思考為主線，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容結(jié)合精選的案例，將學(xué)習(xí)的知識(shí)點(diǎn)融入案例中。專業(yè)領(lǐng)域的科技文獻(xiàn)是以專業(yè)前沿為切入點(diǎn)，運(yùn)用相應(yīng)研究方法開展研究，所以文獻(xiàn)本身就為研究方法提供了全面而立體的專業(yè)背景。只要文獻(xiàn)選擇得當(dāng)，學(xué)生就能在專業(yè)背景下漸進(jìn)式地、自然而然地接觸到研究方法。其次，在引入文獻(xiàn)研究案例的教學(xué)方式中教師扮演的角色略有差異。與傳統(tǒng)的“教師講、學(xué)生聽”的模式不同。案例教學(xué)需課前挑選案例、安排閱讀、課上講解、組織討論、課后訓(xùn)練等環(huán)節(jié)，教學(xué)過程被多元化、復(fù)雜化。因此，教師是整個(gè)過程的組織者、掌舵者，引導(dǎo)教學(xué)逐步深入、循序漸進(jìn)。相應(yīng)地，學(xué)生的角色也從聽眾變?yōu)榱酥鹘恰Ｖ鲃?dòng)學(xué)習(xí)收獲的不再是本本上的教條，而是鮮活的知識(shí)以及思考問題、解決問題的能力[4]。總之，通過案例的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，學(xué)生突破了“學(xué)習(xí)大氣科學(xué)就是學(xué)理論，學(xué)習(xí)統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)方法就是學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)”的感官認(rèn)知，并將原本相對(duì)孤立的專業(yè)理論和預(yù)報(bào)方法融合起來，有助于使學(xué)生的理解更加立體和豐富。

三、案例教學(xué)的具體實(shí)施

科技文獻(xiàn)的選取應(yīng)注重兼顧專業(yè)領(lǐng)域的前沿研究和經(jīng)典研究。前沿研究能將最新的學(xué)科進(jìn)展呈現(xiàn)給學(xué)生，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，開闊專業(yè)視野;經(jīng)典研究則能將學(xué)科發(fā)展史潛移默化地融入教學(xué)，讓學(xué)生了解學(xué)科發(fā)展脈絡(luò)、培養(yǎng)學(xué)科研究的基本思維。比如在相關(guān)分析知識(shí)點(diǎn)的講解中，引入大氣科學(xué)領(lǐng)域的經(jīng)典工作——南方濤動(dòng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)[6];在多元線性回歸預(yù)報(bào)方法的講解中，引入中國東部極端降水日數(shù)年際尺度的可預(yù)測性的最新研究成果[7]。筆者以后者為例，分享科技文獻(xiàn)案例教學(xué)中所采取的步驟和注意事項(xiàng)。

（一）案例的準(zhǔn)備

案例教學(xué)的第一步是案例的準(zhǔn)備。教師對(duì)相關(guān)的經(jīng)典或前沿研究進(jìn)行查詢、收集，并按照教師的理解選擇具有代表性的研究案例。選擇時(shí)需要考慮本科階段學(xué)生專業(yè)知識(shí)積累，選擇難度適中，涉及的研究方法與課程內(nèi)容相對(duì)一致，且在實(shí)踐環(huán)節(jié)能及時(shí)用到的研究案例。這樣學(xué)生能較容易地讀懂文獻(xiàn)背景知識(shí)、研究方法和分析過程，并能平穩(wěn)地運(yùn)用到實(shí)際問題的分析中。同時(shí)，教師應(yīng)該充分考慮案例所涉及的知識(shí)點(diǎn)和課堂討論中可能遇到的問題，教師提前準(zhǔn)備背景材料或者引導(dǎo)學(xué)生提前復(fù)習(xí)或查詢相關(guān)資料。

1.教師對(duì)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行梳理，并就最新研究進(jìn)行調(diào)研。例如，多元線性回歸模型是一元線性回歸模型和逐步回歸模型的中間環(huán)節(jié)，具有承上啟下的作用。明確其在知識(shí)體系中的位置，聯(lián)系上下游的知識(shí)點(diǎn)。

2.選擇研究案例進(jìn)行剖析，并制作課件。中國東部極端降水日數(shù)年際尺度的可預(yù)測性的研究論文，對(duì)控制因子的分析過程翔實(shí)易懂，對(duì)學(xué)生理解其物理過程、開闊研究視野大有裨益，且論文建模過程呈現(xiàn)的主要步驟與教學(xué)內(nèi)容相對(duì)一致，可作為訓(xùn)練的參考。

3.為學(xué)生提供閱讀、討論的線索和引導(dǎo)學(xué)生提前準(zhǔn)備。為了更好地理解所選文獻(xiàn)，學(xué)生需要提前查詢我國降水分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)、掌握一元線性回歸分析涉及的“最小二乘法”的基本原理、復(fù)習(xí)統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)方法建模的基本步驟等。同時(shí)，充分考慮討論中可能遇到的問題，提前查閱資料提前解決。

（二）案例的講解和討論

方法的介紹以概念性和通俗性為主，其目的是讓學(xué)生懂得文獻(xiàn)中涉及的方法“是什么”“有什么用”等，從而避免了接觸到該方法就陷入數(shù)學(xué)推導(dǎo)的迷茫。同時(shí)，也能較清晰地呈現(xiàn)該方法在科學(xué)研究中的位置，更好地能學(xué)以致用。文獻(xiàn)的行文各環(huán)節(jié)構(gòu)成了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬫湥哂锌茖W(xué)性和故事性。科學(xué)性有助于培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)的思維方式，故事性則有助于提升文獻(xiàn)和課程講解的吸引力。另外，文獻(xiàn)呈現(xiàn)的美觀的圖像和研究的實(shí)用價(jià)值，有助于提高學(xué)生興趣、增強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)和方法的認(rèn)可度。

1.課堂講解。從研究背景出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生回顧大氣科學(xué)相關(guān)知識(shí)為研究對(duì)象的引入做鋪墊。通過問題導(dǎo)向的辦法，逐步提出問題，引發(fā)學(xué)生思考，漸漸深入，最后對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行總結(jié)。這樣可以幫助學(xué)生將局部的片面的感性認(rèn)識(shí)上升到整體的完整的理性認(rèn)識(shí)。其中，問題導(dǎo)向的方法需精心籌劃，確保問題間緊密的邏輯聯(lián)系和承接關(guān)系。如：中國東部極端降水的空間分布是什么？→如何分型？→控制因子是什么？→如何選擇因子？

2.組織討論。討論環(huán)節(jié)的主角是學(xué)生，教師則擔(dān)當(dāng)主持人，把握討論主題和方向。全班可分為若干小組，小組討論、集思廣益最終形成統(tǒng)一的觀點(diǎn)和意見并由代表對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析和總結(jié)。教師在學(xué)生討論期間應(yīng)保持中立，必要時(shí)給予一定提示，幫助學(xué)生理清分析思路。討論的結(jié)果為開放式，言之有理即可。學(xué)生討論環(huán)節(jié)的表現(xiàn)可納入課堂表現(xiàn)進(jìn)行考核，激勵(lì)更多的學(xué)生積極參與課堂活動(dòng)。

（三）結(jié)合案例開展練習(xí)

課后練習(xí)需在課堂案例講解的基礎(chǔ)上進(jìn)一步閱讀文獻(xiàn)，模仿文獻(xiàn)所涉及的方法進(jìn)行實(shí)際操作。本課程鼓勵(lì)學(xué)生結(jié)合自己感興趣的問題，運(yùn)用實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行探索性研究訓(xùn)練，并形成研究報(bào)告。隨著本課程教學(xué)方式的推進(jìn)，下一步可以考慮將探索性研究和課堂公開報(bào)告作為考核的一部分，這將有效提升學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握程度和動(dòng)手能力。

四、教學(xué)反思

本課程從2019年開始將科技文獻(xiàn)研究案例引入教學(xué)中，形式和步驟逐漸成熟和完善，學(xué)生反饋也比較好。通過對(duì)教學(xué)過程的思考和學(xué)生的反饋，有如下幾點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)：（1）案例的選取直接決定案例式教學(xué)效果，需充分調(diào)研和剖析文獻(xiàn)案例的合理性，與時(shí)俱進(jìn)緊跟學(xué)科前沿;（2）教學(xué)實(shí)踐要根據(jù)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)目標(biāo)的需要靈活運(yùn)用多種教學(xué)方法，相互配合。（3）本課程涉及不同專業(yè)，即便相同專業(yè)學(xué)生的層次也有所不同，因此面對(duì)不同教學(xué)對(duì)象需考慮適當(dāng)調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，因材施教、多種教學(xué)手段相結(jié)合。

五、結(jié)語

專業(yè)領(lǐng)域科技文獻(xiàn)通常能合理運(yùn)用相關(guān)理論和方法，并予以發(fā)展創(chuàng)新。面對(duì)廣東海洋大學(xué)統(tǒng)計(jì)天氣預(yù)報(bào)課程教學(xué)中面臨的“內(nèi)容理論性過強(qiáng)、與專業(yè)知識(shí)結(jié)合不夠、案例更新不及時(shí)”等問題，探討了在教學(xué)中融入經(jīng)典和前沿科學(xué)研究的方法，以期增強(qiáng)教學(xué)趣味性、前沿性和實(shí)用性，開闊專業(yè)視野。通過科技文獻(xiàn)的閱讀、案例的講解和有組織的討論，讓學(xué)生對(duì)方法“是什么”“有什么用”“效果是如何”等理解從感性認(rèn)識(shí)上升為理性認(rèn)識(shí)，從而建立整體概念，更好地學(xué)以致用。本學(xué)期教學(xué)實(shí)踐表明，專業(yè)文獻(xiàn)案例的運(yùn)用有助于提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、主動(dòng)性并能有效增強(qiáng)實(shí)戰(zhàn)能力。

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