新工科背景下“空間天氣學”課程教學改革探索

汪四成 顏冰 方涵先 梅冰

[摘 要] 世界一流大學全部都有一流的研究生教育，碩士研究生處于科研事業的起步階段，課程學習對于其今后發展有著至關重要的作用。依據2017年教育部發布的《學位與研究生教育發展“十三五”規劃》，以及國防科技大學研究生課程教學指導理念，認為應當從教學設計、教學方法和考核方式三個方面對碩士研究生課程“空間天氣學”初步進行教學改革實踐，著力打牢學生專業理論基礎，提升學生實踐技能水平，培養學生創造性思維，以期為相關課程教學改革提供借鑒。

[關鍵詞] 空間天氣學;教學改革;新工科;混合式教學;課程思政

[基金項目] 2019年度國防科技大學“雙一流”教學改革示范課程建設基金項目“碩士研究生‘空間天氣學’課程教學改革實踐”（2019—2020）

[作者簡介] 汪四成（1988—），男，甘肅嘉峪關人，博士，國防科技大學氣象海洋學院講師，主要從事電離層物理學研究。

[中圖分類號] G643.2? ?[文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2021）52-0056-04? ?[收稿日期] 2021-04-16

一、引言

空間天氣是指瞬時或短時間內太陽表面、太陽風、磁層、電離層和熱層的狀態，它們的狀態可影響空間和地面技術系統的性能和可靠性，危及人類的生命和健康[1]。空間天氣可能引發空間天氣災害，而人類的日常生活越來越依賴的無線電通信、衛星通信、導航定位等高技術系統，以及長距離油氣管線和遠距離輸電線網，在空間天氣災害面前是非常脆弱的。1989年3月，一次強烈的太陽風暴引發了地球磁場的劇烈擾動，而地球磁場的擾動會產生電流，于是在輸電線路上就會出現感應電流，感應電流強度在高緯度地區特別強，極大地損傷了加拿大魁北克地區的電網，導致該地區約六百萬人近九個小時無電可用，造成了巨大的經濟損失，被稱為“魁北克事件”。國內外的航天實踐表明，災害性空間天氣是衛星在軌故障的主要原因之一，目前近三分之一的衛星異常或故障事件是由變化的空間天氣所造成的，而且空間活動規模范圍越大，空間技術水平越發達，空間天氣災害的影響就越嚴重。美國于1995年率先制訂了“國家空間天氣戰略計劃”，歐洲空間局的空間環境和效應分析部主持制訂了歐洲的空間天氣計劃，法國、德國、英國、意大利、俄羅斯、加拿大、瑞典、日本和澳大利亞等國家也先后制訂了各自的空間天氣發展計劃。1999年，我國多部委聯合提出了“國家空間天氣戰略規劃建議”，標志著我國大規模空間天氣研究的開始。目前國內實質性地開展空間天氣研究并提供相關業務服務的單位是國家空間天氣監測預警中心和中國科學院空間科學與應用研究中心[2]。北京大學、中國科學院地質與地球物理研究所、中國科學技術大學、中國地質大學（武漢）、哈爾濱工業大學（深圳）、武漢大學、山東大學、南京大學、國防科技大學、南京信息工程大學等高校和研究所，持續開展了空間天氣的教學和科研工作，積累了豐厚的科研底蘊，培養了一大批空間天氣方向的優秀人才。我國空間天氣科學經過二十多年的快速發展，目前正處于向一流先進國家跨越的歷史機遇期，建設了“雙星計劃”“子午工程”等具有國際重大影響力的科研設施，為國際空間天氣學科的發展貢獻了大量原創性理論成果，多位華人學者活躍于世界空間天氣科技前沿舞臺，有六個實驗室的研究水平正在逼近國際一流實驗室水平。

二、教學現狀分析

空間天氣學是研究各種空間天氣現象發生、發展和變化規律，以及如何運用這些規律進行空間天氣預報保障的一門綜合性交叉學科，具有很強的觀測性、基礎性、理論性和應用性。“空間天氣學”是我校應用氣象學本科專業第三學年春季學期的必修課程，是學生接觸空間天氣方向的首門專業課程，也是唯一一門空間天氣方向的必修課程。同時，“空間天氣學”也是我校大氣物理學與大氣環境專業碩士研究生入學考試初試的備選專業課程之一。在開課之前，學生只學習了流體力學基礎，不具備電動力學、磁流體力學及等離子體物理學等相關的理論知識。雖然該專業的學生在空間天氣方面的基礎知識比較薄弱，但他們思維活躍，數理基礎好，學習能力強，有一定的編程基礎，具有較強的協作意識，為本門課程的開設提供了有利條件。

人才培養方案是所有教學活動的依據，該專業原先的人才培養方案主要關注教師在課堂的輸入，以教師和教材為中心，側重于知識的傳授和專業技能的培養，對學生能力素質發展的關注度不夠高。教材是教學活動的基礎，合適的教材非常益于課堂教學的開展，而目前國內公開出版的空間天氣學相關教材極為缺乏，北京大學焦維新教授編著的《空間天氣學》是很多高校師生重要的參考書目，該書出版于2003年，全書共分五章：第一章是《概論》，主要介紹了空間天氣學的基本概念;第二章是《太陽大氣與行星際天氣》，重點介紹太陽耀斑、日冕物質拋射、太陽能量粒子事件和行星際激波;第三章介紹地球空間的天氣系統與天氣過程，以及太陽活動影響氣象過程的可能機制;第四章介紹空間天氣對各種技術系統的效應;第五章介紹空間天氣建模和預報的基本情況。由于空間天氣學研究進展迅速，該書的部分內容需要充實和更新。王勁松研究員和呂建永教授主編的《空間天氣》出版于2009年，主要側重于我國空間天氣業務方面的論述[2]。空間天氣相關的國外專著也不多，存在不同程度的內容陳舊問題，并且對沒有相關專業知識背景的本科生來說，使用純英文的教材挑戰性較大。此外，“空間天氣學”相關的在線教學資源也非常匱乏，中國大學慕課、學堂在線、網易公開課、Coursera和edX等國內外各大在線教育網站很少提供這方面的課程。該門課程涉及多學科交叉，內容廣泛，知識點多，而課時量有限，在原先的課堂教學中，主要以“灌輸式”教學方法為主，為求面面俱到，往往“蜻蜓點水”，學生整體感覺科普內容較多，核心理論知識掌握得不深。

三、教學改革探索

（一）教學設計改革

為了響應國家新工科建設號召，穩步提升本科教育質量，我校大力倡導“以學生為中心、以產出為導向、以能力培養為目標”的教學理念，以滿足受教育者未來的職業需求。本專業的培養特色是“以理為基，以工為本”，同時強調“重基礎，重特色，寬口徑”。經過本科階段的學習，學生應具備扎實的數學、物理、外語、計算機等基本知識，掌握空天環境感知及保障領域的基礎知識和實踐技能，具有較強的創新力和較高的勝任力，成為滿足社會主義現代化建設需要、德智體美勞全面發展的高級專業人才。根據學校人才培養方案頂層設計和實施指南，迭代更新了本專業的人才培養方案，以破解人才培養矛盾問題為導向，著力處理好按大類招生和按崗位培養的關系，統籌軍政素質和科學文化素質培養的關系，圍繞“你要學生學習什么，掌握什么”“你為什么要讓學生學習這些內容”“如何幫助學生取得這些學習結果”“如何有效地知道學生取得了這些學習結果”四個核心問題，將培養重心由“面向知識”轉變為“面向能力”，以能力塑造為最終落腳點。

“空間天氣學”是一門應用性很強的課程，在教學設計中將原先的純理論講授改為理論教學加實踐教學，在不減少課程知識點的前提下，對理論教學課時量進行了壓縮，將一些低階性和科普性的內容由課堂轉移到課下，以增加每次課的有效信息量。為培養學生的空間天氣預報保障能力，在學生具備一定的專業基礎后，利用課堂的前五分鐘，通過互聯網獲取的空間天氣歷史數據和準實時的觀測數據，和學生一同對未來一段時間的空間天氣變化進行分析，開展人工經驗預報，并與國內外相關機構的預報產品和實際觀測資料進行對比，分析原因，總結經驗。實踐教學以空間天氣應用能力的培養為總體考慮，主要設計三類實驗：一是數據處理分析類，鍛煉學生的空間天氣數據處理分析和編程操作能力;二是模式仿真分析類，提升學生的動手能力和模式數據結果的分析能力;三是預報保障實踐類，對空間天氣變化規律進行初步研究，給出預報保障建議，培養學生分析和解決實際問題的能力。為了提升實踐課程的授課效果，開發建設了實踐教學訓練平臺，該平臺集成了多個空間天氣經驗/理論數值模式和歷史觀測資料數據庫，能夠實現空間天氣探測數據處理應用、空間天氣預報保障產品制作的一體化模擬訓練，為使理論教學和實踐教學深度融合，實踐教學安排在理論教學之后，并且理論課程和實踐課程安排同一名教師，根據學生反饋和暴露出的問題，有針對性地加強相關知識的輔導。同時利用我們的近鄰南京大學和南京信息工程大學優質和豐富的空間環境探測設備資源，開展參觀見學和設備操作實踐，以提升學生的感性認識和實踐技能。

（二）教學內容改革

以北京大學焦維新教授的《空間天氣學》教材為基礎，充分參考國內外相關書籍，基于“保留經典、加強現代、拓展應用”的思路和“邊建邊用邊改”的理念編寫了適合本專業教學的講義，主體結構采用專題模塊化設計，包括太陽物理基礎、行星際物理基礎、磁層物理、電離層物理、中高層大氣物理、空間天氣效應、空間天氣探測及空間天氣預報保障等內容，穿插了電動力學、磁流體力學和等離子體物理學等方面的基礎知識，引入了前沿領域研究進展。每個專題均設置了內容導讀，給出了知識脈絡框架，增加了基礎預備知識，補充了推薦閱讀的文獻資料，并精心編寫了課后習題及其參考答案。

在理論教學過程中，為滿足學生未來任職需求，堅持“有所為有所不為”，在講清空間天氣因果鏈的基礎上，授課內容主要集中于近地空間環境（包括電離層和中高層大氣）的各種化學物理過程及其對相關技術系統的影響，而對太陽、行星際和磁層等方面的內容進行了適當弱化。實踐教學的主要內容包括空間天氣探測設備的操作、空間天氣觀測數據的基本處理流程，以及利用歷史典型個例事件對空間天氣進行人工經驗和模式預報，要求學生掌握電離層測高儀、GNSS掩星技術和地基GNSS接收機探測空間環境的基本原理，并對觀測數據具有初步的處理和讀取能力，掌握部分經驗模式和理論模式的調試運行方法，在此基礎上，能夠綜合分析監測數據資料、模式運行結果和經驗預報結果，評估分析得到最終的預報結果。以真實歷史事件觀測資料為背景，如第24太陽活動周最大太陽風暴事件（2017年9月6日，太陽爆發了第24太陽活動周最大的耀斑事件，到9月16日結束時，總共爆發M級耀斑27個，X級耀斑4個，其中三次大的爆發都伴隨有日冕物質拋射，并引發了兩次中等質子事件、一次強質子事件、一次大地磁暴、一次中等地磁暴和一次小地磁暴，對近地空間環境造成了較大影響），設置實踐項目，增強學生對理論知識的理解，訓練學生的空間天氣預報技能。在以真實典型案例進行預報實踐的過程中，除了給學生傳授知識技能外，通過嚴格規范預報流程，細致填寫實驗報告，培養學生嚴謹負責的工作態度和認真細致的預報習慣。

同時，在教學中“潤物細無聲”地加入思想政治教育內容和元素，通過介紹我國空間天氣發展的輝煌成就、獨立自主開展“神舟”系列航天任務空間天氣保障的先進事跡，以及老一輩科學家為發展我國空間天氣事業無私奉獻的感人故事，培養學生的學習興趣，激發學生的自信心和自豪感，引導學生主動肩負起發展我國空間天氣事業的重擔。

（三）教學方法改革

由于空間天氣學研究的區域離我們日常生活的圈子相距遙遠，部分內容較為抽象，因此，在課堂教學過程中始終遵循“具體—抽象—具體”的認識過程，運用學生熟悉的具體事例進行類比，闡明基本概念和基本原理，使學生實現從具體到抽象過程的認識，然后又運用基本概念和原理去觀察和解釋所要認識的空間天氣現象，使得認識由抽象上升為具體。同時借助多媒體手段，利用動畫和圖片等直觀的展示方式，幫助學生加深對抽象內容的理解。通過提出實際問題、啟發分析思路、引導構建模型、反思問題解決方法等手段，使學生完成發現問題、分析問題、解決問題和質疑問題的閉環過程，加深學生對理論知識的理解與應用。

在課時量有限的情況下，為了保證課程達到“高階性”“創新性”和“挑戰度”的要求，采用線上和線下混合教學模式[3]，利用雨課堂平臺提前上傳教學課件和參考資料，安排學生對授課內容進行課前學習。教師可以查看每一位學生的預習情況，根據學生課前反饋的問題，有針對性地調節課堂教學內容，重點對基本概念和核心理論進行講解，努力做到“道而弗牽，強而弗抑，開而弗達”（漢·戴圣《禮記·學記》），把“教什么、如何教、如何有效地教”統一到“教學生知識、教學生學會知識、教學生會學知識”中。在實踐教學中，基于真實歷史觀測資料，精心設置實踐課題，學生在明確課題任務目標后，需要獨立完成團隊組建、資料調研和學習、課題分析與分解、課題方案的實施及課題會商答辯等環節，在整個過程中，教師除對基本流程方法進行講解外，只起引導答疑和點評作用，有效鍛煉了學生自主學習、團隊合作及解決現實問題的能力。同時，國內其他高校的教學方法也各具特色，我們積極探索“校內為主、校外為輔”的融合培養模式，利用騰訊會議、雨課堂、釘釘等移動平臺，將課堂搬到“云端”，邀請國內知名專家對相關章節內容進行遠程講解，讓學生“足不出教室”，就能夠領略到不同的教學風格，實現優勢教學資源的共享。

（四）考核方式改革

采用多元化的考核方案，注重學生課前預習、理論課堂、實踐技能、課后作業及實驗報告等多方面的綜合表現，加大過程性成績對最終成績的貢獻度。以學習結果和能力提升為導向，按照標準答案與非標準答案相結合、靈活考核與基礎考核相結合、個人成就與團隊成就相結合、動態考核與靜態考核相結合的思路進行考核改革，制定學生認可的考核標準和評分細則，充分調動學生的積極性，為學生創造公平寬松的學習和考試環境，積極探索課程免試方案。

四、結語

教學活動是師生認知、情感、意向及自我意識的互動交融過程。通過教學，讓學生充分發揮主動性、能動性和創新性，主動參與、擅于質疑、樂于探究、勤于動手，培養學生正確的世界觀、人生觀和價值觀，提升學生收集和處理信息的能力、獲取新知識的能力、分析和解決問題的能力及交流合作的能力。教育是務實的事業，教學是常講常新的過程，在教學實踐中應根據學生的反饋、教育理念的發展，以及空間天氣學科領域的前沿進展，做好持續改進。同時積極與其他高校交流學習，汲取其先進理念和優秀做法，不斷提升本課程的教學質量，不斷增強學生在課堂的獲得感。

參考文獻

[1]焦維新.空間天氣學[M].北京：氣象出版社，2003：1.

[2]王勁松，呂建永.空間天氣[M].北京：氣象出版社，2009：12.

[3]丁菊麗，金賽花，程小平，等.“大氣物理學”混合式教學實施策略與實踐反思[J].教育教學論壇，2020（20）：200-

202.

Exploration of the Teaching Reform in the Course of Space Weather under the Background of “Emerging Engineering Education”

WANG Si-cheng， YAN Bing， FANG Han-xian， MEI Bing

（College of Meteorology and Oceanography， National University of Defense Technology， Nanjing， Jiangsu 211101， China）

Abstract： All the first-class universities in the world have first-class postgraduate education. Postgraduate students are in the initial stage of scientific research， and course learning plays a vital role in their future development. According to the 13th Five-Year Plan for the Development of Academic Degree and Postgraduate Education issued by the Ministry of Education in 2017， as well as the guiding concept of postgraduate course teaching in our university， the teaching reform practice of the postgraduate course of Spatial Weather should be carried out from the three aspects， such as the teaching design， teaching methods and assessment methods， so as to lay a solid theoretical foundation for students’ professional skills， improve students’ practical skills， and cultivate students’ creative thinking， and provide a reference for the teaching reform of related courses.

Key words： Space Weather; teaching reform;“Emerging Engineering Education”; mixed teaching; “curriculum ideological and political education”