西南低渦可視化教學平臺設計與開發

王騰蛟，張新華

西南低渦可視化教學平臺設計與開發

王騰蛟，張新華

（中國氣象局氣象干部培訓學院四川分院，四川 成都 610072）

結合西南低渦教學需要和現代網絡教學技術的應用情況，對西南低渦可視化教學平臺的設計和開發進行了研究與探討，并詳細闡述了教學平臺的功能模塊設計與開發所采用的關鍵技術。通過學員試用來測試教學平臺的實用性和可靠性，收集反饋意見來不斷完善教學平臺的功能，提高培訓教學效果。

西南低渦；教學平臺；個例分析；B/S架構

1 教學平臺建設的背景介紹

西南低渦是在青藏高原特殊地形和一定環流條件下，發生于中國西南地區700 hPa或850 hPa等壓面上的氣旋性環流或有閉合等高線的低渦，是一個尺度為300～500 km的中α尺度系統[1-2]。西南低渦常常造成四川及長江中下游、華南、華北地區的暴雨、大暴雨天氣，它是夏季造成中國重大降水天氣過程的重要天氣系統之一[3-4]。氣象科技工作者針對西南低渦活動、結構特征、形成維持機制及發展東移機制等開展了一系列研究，對西南地區強降水預報及相應的防災減災決策具有重要的指導意義[5]，但研究成果較為零散且以文字描述為主，缺乏形象具體、綜合全面的展現形式，業務科研成果未充分轉化為培訓學習資源，在一定程度上影響了成果推廣應用效率和對預報業務工作的指導作用。

近年來，隨著氣象現代化建設的推進，天氣預報業務也發生了很大變化，學員學習預報業務技術的需求日益旺盛。目前，中國氣象局氣象干部培訓學院四川分院（以下簡稱四川分院）主要承擔三種國家級預報業務類班型：預報員崗位素質和能力培訓班、地市級預報員輪訓班和高原山地氣象業務培訓班。三種班型的學員對西南低渦知識的學習需求有所不同：預報員崗位素質和能力培訓班的學員具備一定專業基礎知識，他們需要學習西南低渦預報相關知識，通過個例分析初步建立預報思路；地市級預報員輪訓班的學員具備一定的預報經驗，他們需要了解西南低渦的前沿科研成果，擴充知識體系，完善預報思路；高原山地氣象業務培訓班的學員是西南地區的預報員，他們具備一定的預報經驗，但是需要了解新技術、新資料在西南低渦預報中的應用進展，提高預報業務技術水平。可見，西南低渦作為四川分院的區域特色課，面向的學員不同，側重點也有所不同。

西南低渦培訓通常采用“一對多”的集中講授方式，教師主要以口頭傳授、課件展示的方式講解培訓內容，教學形式比較單一，不利于學員直觀認知和深入理解，教學效果不理想。

隨著計算機技術和網絡技術的快速發展，基于多媒體網絡開展培訓教學，可以拓展學習時空、共享培訓學習資源，有利于開展個性化學習、協作式學習、交互式學習，更好地完成教學任務，提高教學質量[6-7]。

2 教學平臺建設的意義

為充分發揮四川分院的區域優勢，完善和豐富區域特色課的教學內容與呈現形式，有必要利用計算機網絡技術搭建一個形象具體、綜合全面、理論結合實踐的西南低渦可視化專題培訓教學平臺，提供豐富的專題學習資源，注重培訓學習的針對性、趣味性和實效性，實現“點對點”的培訓輔導，便于開展培訓教學和學員學習實踐，達到改進教學方法和提高教學效益的目的。

3 教學平臺的主要內容

教學平臺的主要內容包括四大模塊：西南低渦概況、典型個例分析、動態模擬和資料庫（文獻資料及個例氣象資料），平臺導航結構如圖1所示。

圖1 平臺導航結構圖

西南低渦概況模塊全面地介紹了西南低渦的基礎理論知識，包括定義、移動路徑、預報關注點和統計特征等，內容主要以文字、表格和靜態圖片的形式呈現，適用于初步接觸西南低渦的學員，幫助其建立宏觀的知識體系。

典型個例分析模塊選擇了1999—2013年15個影響范圍廣泛的西南低渦暴雨個例進行詳細分析。分析內容包括過程摘要、雨情分析、環流背景分析（天氣圖和衛星云圖）和物理量分析（渦度、散度、垂直速度以及水汽通量散量）。通過個例分析幫助新任預報員初步建立預報思路。該模塊采用文字和動畫相結合的展現形式，便于學員直觀認知。

動態模擬模塊利用WRF中尺度數值模式和NCEP再分析資料對西南低渦結構較為完整的2個個例進行精細模擬（過程時間段分別是2013-06-29—07-02和2010-07-15—07-20的西南低渦暴雨過程），從水平和垂直兩個方向立體地展現西南低渦結構隨時間的演變特征，并應用Grads和Surfer數據分析及繪圖軟件制作西南低渦結構演變過程教學動畫。該模塊內容應用新技術、新資料研究西南低渦精細化結構，并采用文字和動畫相結合的展現形式，有助于具有一定預報經驗的預報員擴充知識體系，完善預報思路。

資料庫模塊由重要參考文獻和個例氣象資料組成。其中，重要參考文獻部分展示1949—2014年國內外有關西南低渦研究的重要參考文獻共計140篇；個例氣象資料部分提供典型個例分析對應的氣象數據（包括MICAPS資料、雷達、衛星、NCEP/NCAR再分析資料等）。學員可以根據自己的需要下載文獻和數據進行自主學習。

以上4個模塊的內容從基礎理論向實踐應用逐步遞進，較為全面地展現了西南低渦相關知識體系。教師在授課時可根據學員的實際情況選擇某一模塊著重講授，學員則可利用課余時間選擇感興趣的模塊自主學習。

4 教學平臺的設計

4.1 技術架構選擇

該平臺展示的內容主要包括西南低渦基礎知識、西南低渦研究文獻資料庫、典型個例分析結果、模擬動畫、個例氣象數據資料等，使用的用戶為培訓班學員，系統運行于局 域網，涉及的內容更新操作較少。同時，鑒于學員在計算機水平上存在差異，平臺技術架構選擇B/S（瀏覽器/服務器） 架構。

B/S架構是Web興起后的一種主流網絡結構模型，服務器提供Web訪問服務，客戶端使用Web瀏覽器。這種架構統一了客戶端，具有零安裝、零維護、系統功能擴展容易等特性。同時，將所有的功能模塊和呈現內容放在服務器進行集中管理，大大簡化了系統開發維護的難度與成本。

4.2 平臺開發運行環境

平臺建設采用了靜態網站搭建方案，服務器部署于單位網絡管理中心，服務器安裝了Windows Server 2008，Web服務采用Tomcat7，客戶端則通過瀏覽器訪問，瀏覽器插件為Adobe Flash Player 11及以上版本。

4.3 平臺功能模塊的設計與實現

教學平臺的主界面如圖2所示，由平臺簡介、西南低渦概況、典型個例分析、動態模擬、資料庫5個導航按鈕組成，通過點擊導航按鈕可以進入子頁面學習。

圖2 平臺主界面

平臺內容包含了文字、圖像、動畫、氣象資料數據、科研文獻等多種文件，為便于教師開展教學、學員進行學習實踐，通過分析培訓教師的教學需求和學員的學習需求，確定平臺主要應實現以下六種功能：動態目錄列表顯示、圖像等比例縮放顯示、多張靜態圖像瀏覽顯示控制、文獻在線瀏覽閱讀、動畫文件播放控制、資源下載。各模塊的功能主要采用JavaScript腳本來實現，JavaScript是一種基于對象和事件驅動并具有相對安全性的客戶端腳本語言，程序代碼運行于客戶端，對服務器資源占用較少，能確保平臺穩定、可靠的運行。平臺主要功能模塊如下。

動態目錄列表顯示模塊。個例分析和動態模擬兩個模塊的內容較多，呈現形式也豐富，為便于教學及學習瀏覽，采用框架頁組織分析內容，左側個例分析目錄，實現動態目錄顯示功能，即用鼠標點擊個例名稱可展開或折疊個例分析內容鏈接列表。

圖像等比例縮放顯示模塊。因部分圖像在內容頁中是縮小顯示狀態，在平臺使用中用戶除了查看天氣形勢的整體變化外，通常還關注局地天氣形勢的變化，需打開原始圖像并進行縮放顯示。圖像等比例縮放顯示模塊實現的功能是鼠標點擊小圖像、打開新窗口顯示原圖、網頁控件自動捕獲鼠標操作、實現以鼠標位置為中心等比例縮放顯示。

多張靜態圖像瀏覽顯示控制模塊。因選取的典型個例涉及的時次較長，對應的分析圖像也較多。因此，需提供瀏覽顯示控制播放按鈕組，實現相關的多張靜態圖像瀏覽顯示控制功能，具體實現的功能如下：①顯示縮略圖。對當前顯示的圖像加黃色邊框以進行標識，可隨時了解播放進度，當鼠標點擊某個縮略圖時，停止自動播放，顯示當前圖像。②自動播放。通過“設置開始”和“設置結束”操作可設定圖像瀏覽顯示范圍，通過“播放”和“停止”操作控制自動播放，通過“慢放”和“快放”設置自動播放的速度，通過“重新設置”操作恢復播放初始設置。③單張圖像瀏覽。通過“后退”和“前進”操作實現單張圖像瀏覽。某天氣個例地面天氣圖分析顯示效果如圖3所示。

圖3 地面天氣圖分析

動畫文件播放控制模塊。典型個例分析和動畫模擬模塊包含許多動畫文件，用戶除了解整個天氣過程的演變情況外，還需關注具體某個時次的分析結果以及局地變化。因此，平臺需提供動畫文件播放控制功能，通過點擊“暫停”和“繼續|重播”按鈕實現播放控制，通過點擊“放大”和“縮小”按鈕實現縮放顯示。

文獻在線瀏覽閱讀模塊。平臺收集了140篇西南低渦研究相關的文獻，并按研究時間順序（倒序）分頁顯示。為方便閱讀需實現文獻的在線瀏覽閱讀，采用PDF2SWF專用軟件將PDF格式文獻轉化為瀏覽器可播放的Flash文件，并提供播放控制按鈕和工具欄。實現電子書的在線翻頁顯示，翻頁時有視覺上的翻頁特效，并提供鼠標滾動縮放預覽、移動與全屏閱讀等功能。

資源下載功能模塊。為便于進行天氣個例分析講授以及實習教學，可通過映射方式訪問個例涉及天氣過程的常規氣象數據資料。同時，平臺提供氣象數據資料分類下載功能，便于學員在本機使用氣象數據資料。

5 教學平臺的應用

教學平臺建成后，分別在預報員崗位素質和能力培訓班以及地市級預報員輪訓班中進行試用，開展了典型個例分析培訓教學以及實習操作，學員普遍反映教學平臺設計合理、導航結構清晰、操作簡易、運行流暢、內容新穎、學習效果較好。具體來說，西南低渦概況欄目全面地介紹了西南低渦基本知識及科研成果，典型個例分析欄目較為完整地展示了典型個例的環流背景和物理量分析，動態模擬欄目較為直觀地展現了西南低渦的三維結構變化，資料庫的文獻和數據下載功能為學員自學提供了便利。

6 結語

西南低渦可視化教學平臺從西南低渦基礎知識、西南低渦研究文獻資料、典型個例分析結果、模擬動畫、個例氣象數據資料等方面，分層次、全方位地展現了西南低渦相關知識內容，提供的功能較為實用。本文詳細闡述了西南低渦可視化教學平臺的設計和開發工作，平臺展現的內容多，提供的功能較為實用，經過專家測試和學員試用，證明該系統具有較高的可靠性、穩定性和適用性，應在今后的培訓教學中推廣使用。針對試用中收集到的反饋意見，我們將對平臺進行完善與補充，力求開發出適用性更強、便于教師授課與學員自助學習的教學平臺。

［1］盧敬華.西南低渦概論［M］.北京：氣象出版社，1986：58．

［2］陳忠明，閔文彬.西南低渦的統計研究.第二次青藏高原大氣科學試驗理論研究進展［M］.北京：氣象出版社，2000：268-378．

［3］諶貴珣，何光碧. 2000—2007年西南低渦活動的觀測事實分析［J］.高原山地氣象研究，2008，28（4）：59-65.

［4］陳啟智，黃奕武，王其偉，等. 1990—2004年西南低渦活動的統計研究［J］.南京大學學報（自然科學版），2007，43（6）：633-642.

［5］何光碧.西南低渦研究綜述［J］.氣象，2012，38（2）：155-163.

［6］宋木慶，趙立君，于濤.網絡多媒體教學系統平臺的設計與實踐［J］.中國科技信息，2009（3）：115-117.

［7］盧業華.多媒體網絡教學平臺的設計與實現［J］.軟件導刊（教育技術），2009（5）：83-85.

2095－6835（2020）24－0146－03

G642

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.24.055

王騰蛟（1988—），碩士研究生，工程師，主要研究領域為氣象教育培訓。

〔編輯：王霞〕