GNSS 氣象學課程建設與改革

王新志， 金雙根

（南京信息工程大學遙感與測繪工程學院，南京210044）

0 引 言

利用全球衛星導航定位系統（Global Navigation Satellite System，GNSS）理論和技術來遙感地球大氣，進行氣象學的理論和方法研究，如測定大氣溫度、水汽含量、電離層總電子含量（Total Electric Content，TEC）及監測氣候變化等，叫做GNSS 氣象學（GNSS／METeorology，GNSS／MET）［1-2］。

GNSS／MET是大氣探測技術上的一次革新，是一門新的氣象學分支［3-4］。相比傳統的大氣探測手段，GNSS／MET具有全天候連續觀測、覆蓋面廣、高精度和高分辨的特點，在現代氣象觀測中具有無可比擬的優勢［5-6］。2019 年11 月4 日，中國氣象局發布了《氣象觀測技術發展引領計劃（2020-2035 年）》（氣發［2019］90 號）文件，對基于北斗／GNSS 的水汽觀測、探空氣象觀測、GNSS 掩星／反射信號觀測方法、反演方法和技術，開展海浪測高、海洋風場和土壤濕度、植物生長量測量等GNSS／MET 業務化應用進行了專門規劃［7］，GNSS／MET未來前景廣闊，人才需求量巨大。

依托我校一流學科大氣科學，融合GNSS大地測量方面的雄厚實力和人才儲備，開設了GNSS／MET課程。目前，能夠開出該課程的高校為數不多［8］。該課程的開設對于推動GNSS大氣遙感技術人才培養，支撐氣象觀測技術自動化、信息化和智能化發展意義重大。

1 課程基本情況

1.1 課程發展歷程

20 世紀90 年代初，我校意識到GPS 在大氣遙感領域的潛在價值，在大氣探測等相關專業開設了全球定位系統（GPS）課程，就此拉開了我校GPS／MET相關研究的大幕。2002 年7 月，我校博士學位論文“利用基地GPS資料反演大氣參數及其四維變分同化試驗研究”順利通過答辯［9］，標志著我校GPS／MET研究進入了一個新的階段。此后，多位碩士、博士研究生針對GPS／MET進行了持續研究［10-13］。至今，GNSS／MET在我校的發展已有20 余年。

1.2 課程培養目標

“GNSS氣象學”是測繪類專業的專業課程和氣象特色課程，2 學分，32 學時（其中講課24 學時，實習8學時），于大三下學期開課［14］。通過本課程的學習，學生應達到以下3 個方面的目標。

（1）知識目標。了解國內外GNSS／MET 最新發展方向，認知我國GNSS／MET業務化應用的現狀及存在的問題，解釋地基GNSS、GNSS 無線電掩星和GNSS反射測量進行大氣探測的基本原理和方法。

（2）能力目標。運用地基GNSS、GNSS 無線電掩星、GNSS反射測量數據，計算對流層水汽和電離層電子含量（VTEC）等大氣參數；結合多年水汽和VTEC值，運用氣象理論進行氣候變化、空間天氣、海冰變化等相關研究與應用。

（3）素質目標。培養學生熱愛祖國、無私奉獻、不怕吃苦和團結協作的精神。

2 課程建設方案

2.1 課程師資隊伍建設

由國際著名GNSS 氣象學家、歐洲科學院院士擔任該課程總負責人，對標國家一流課程標準，從課程設計、課堂教學、資源建設和教學改革等多個方面對課程進行全方位建設。先后派出課程團隊中三位副教授赴中國氣象局氣象探測中心GNSS／MET 觀測與應用創新團隊掛職交流，學習GNSS／MET 站網選址、建設、數據采集與處理、成果分析與應用等知識，強化課程理論知識與業務應用相結合；推薦他們分別赴美國國家大氣研究中心（NCAR）、澳大利亞新南威爾士大學、加拿大卡爾加里大學等國外高水平大學和科研機構進行訪學，學習并研究國際上最新的GNSS／MET 技術。聯合中國氣象局氣象探測中心GNSS／MET 觀測與應用創新團隊首席科學家及核心成員共同組成“GNSS 氣象學”授課團隊。

2.2 課程內容建設

“GNSS氣象學”是大地測量和大氣探測交叉融合的學科，受各種條件限制，國內能獨立開設本課程的高校寥寥無幾。因而，課程的內容設置也沒有范例可供參考。隨著GPS、北斗等GNSS 系統、低軌衛星的發展及氣象現代化的需求，本課程的內容由最初的地基GPS水汽探測，逐步發展為GNSS 氣象學基本知識、地基GNSS氣象學、GNSS無線電掩星大氣探測、GNSS反射大氣測量及我國GNSS／MET 的業務化應用等5 個部分，涵蓋了當今GNSS 氣象學發展的全部內容和研究熱點，課程內容如圖1 所示。

圖1 “GNSS氣象學”課程的主要內容

2.3 教材建設

2014 年，由課程總負責人主編的全英文GNSS／MET教材《GNSS Remote Sensing：Theory，Methods and Applications》（ISBN：9789400774810）由Springer 出版社正式出版。該教材是國際上由Springer出版社出版的第1 本GNSS／MET教材，對普及GNSS／MET相關知識，推動大地測量學和氣象學交叉融合意義重大［15］。

2019 年，該團隊總結了近年來GNSS／MET方面的最新研究成果，在Springer 出版社出版了全英文GNSS／MET 專著《GNSS Atmospheric Seismology：Theory， Observations and Modelling》 （ISBN：9789811031762）［16］。

同時著手編寫的江蘇省高等學校重點教材《GNSS氣象學原理與應用》獲江蘇省教育廳立項。

2.4 GNSS氣象學虛擬仿真實驗平臺

課程教學團隊聯合中國氣象局氣象探測中心、廣州南方測繪科技股份有限公司共同開發建設了“地基GNSS氣象學虛擬仿真實驗系統”，還原真實場景，將課堂學習與虛擬仿真相結合，實現隨時隨地、無縫式教學，促進學習效率提升。系統除服務我校GNSS 氣象學課程教學外，還將申報國家虛擬仿真實驗教學項目，面向公眾、其他高校免費及中國氣象局系統GNSS／MET業務培訓開放，推廣、傳播GNSS氣象學知識。

2.5 空天地一體化衛星數據分析中心

擁有CORS基準站，配備有GNSS 信號模擬器、高精度GNSS接收機等儀器設備200 余臺／套，建設了空天地一體化衛星數據分析中心，實時生成全球水汽、電離層VTEC 等數據產品，滿足學生實習與能力培養需要。

2.6 “南信大一號”GNSS大氣海洋遙感試驗衛星

聯合上海航天電子通訊設備研究所和上海航騫智能科技有限公司，將于2020 年5 月前發射“南信大一號”GNSS大氣海洋遙感試驗衛星，建設氣象海洋大數據分析中心。主要利用GNS 掩星和反射信號進行大氣和海洋遙感，獲取對流層大氣溫濕壓、電離層電子密度和總電子含量以及海面高度和風場等重要信息，為氣象、海洋、航運、漁業等行業部門服務，開展基于GNSS掩星和反射信號的GNSS 氣象學相關教學和科學研究。

3 課程組織與成績評定

3.1 課程組織

堅持以學生創新能力培養為導向的教學設計理念，如圖2 所示。

圖2 課程教學設計理念

①結合氣象未來發展與規劃，學生思考需要解決的核心問題；② 通過學習，理解關鍵知識；③ 運用知識，形成初步解決方案；④不同知識交叉、融合、關聯；⑤完善解決方案，實現知識的創新應用。以學生為中心，鼓勵個性化發展。混合式教學方法貫穿教學活動的各個環節，借助智慧教學平臺，采用學生邊講邊練，案例點評、平行互動等多種形式，提高授課效率，培養學生創新能力。

3.2 成績評定

成績評定由知識目標、能力目標和素質目標3 部分組成，各部分占比如表1 所示。

表1 課程成績評定具體組成

（1）知識目標評定。由過程性考核和終結性考核兩部分組成，過程性考核占40%，終結性考核占60%。過程性考核中，考勤占10%、課堂小測驗占15%、課堂討論占15%。

（2）能力目標評定。由實踐實驗和GNSS氣象學綜合設計與應用量部分組成，重點考查學生對知識的運用能力，其中實踐實驗占40%，綜合設計與應用占60%。

（3）素質目標評定。學生分組實習、完成項目設計，根據小組合作情況，考核“不怕吃苦、團結協作”的精神。

4 課程評價與改革成效

4.1 課程評價

課程結束前，教學團隊會組織問卷調查、聘請校級和院級督導隨機聽課、成績分析等多種形式，收集課程教學形式、內容及方法等各方面的意見。通過集體備課、交流研討等形式對課堂教學持續改進。

督導由中國工程院院士、國家氣象局氣象探測中心專家及校兼職指導組成。他們對本課程均作出了一致好評：學科交叉融合，特色鮮明，效果顯著；理論與業務相結合，優勢互補，成果顯著，起到了示范帶頭作用；教學目標明確，教學內容豐富，增強了民族自豪感和自信心，突破了傳統教學方法，取得了系列成績。

4.2 改革成效

學生參與開發的滑坡地質災害實時監測與預警系統，已經成功應用于全國近100 個地質災害監測點；研發的北斗電離層閃爍接收機和電離層閃爍分析系統，已經江蘇省自然資源廳CORS中心投入應用近2 年。

近3 年，學生主持或參與的“GNSS 氣象學”相關成果獲得第三屆3S 杯全國大學生物聯網技術與應用“三創”大賽一等獎、挑戰杯江蘇省賽一等獎、江蘇省測繪地理信息創新創業大賽一等獎等國家級、省級等各級獎勵達20 余項。

5 結 語

GNSS氣象學是大氣探測與大地測量學科交叉融合而形成的一門新的氣象學分支。中國氣象局發布的《氣象觀測技術發展引領計劃（2020-2035 年）》（氣發［2019］90 號）文件，對GNSS／MET 的發展和業務化應用進行了專門規劃，GNSS／MET 在氣象觀測技術自動化、信息化和智能化發展中將發揮不可替代的作用，人才需求量巨大。我校依托氣象學科優勢，主動擔當，充分發揮大氣探測和大地測量方面的技術儲備和人才優勢，開設了GNSS 氣象學課程，培養跨學科人才，提升我國綜合氣象觀測現代化水平。課程團隊從課程培養目標、課程建設、課程組織、成績評定及課程評價等多個方面進行了建設與改革，取得了一定的效果。下一步，課程團隊將在全校開設GNSS氣象學通修課程，普及GNSS氣象學知識；并重點圍繞“南信大一號”衛星GNSS氣象學教學與研究平臺建設開展工作，推動GNSS掩星／反射信號氣象探測技術的發展與業務化應用，服務我國氣象事業發展。