大氣科學實踐教學改革的探索思考＊

王麗娟，唐衛亞，江燕如，陳旭紅，王 妍，朱素行，譚桂容，杜寧珠

（1.南京信息工程大學大氣與環境實驗教學中心，江蘇 南京210044；2.南京信息工程大學大氣科學學院，江蘇 南京210044）

實踐教學是大學教學中與理論教學相對應的重要教學方式，是培養應用型人才的核心教學環節。和理論教學的主要側重點不同，實踐教學注重以學生為主體，教師引導學生將所學的理論知識應用到解決實際問題上，從而提高學生動手能力和解決問題的能力。如果實踐教學效果理想，則有利于學生畢業進入工作崗位后能更快地適應用人單位的需求。因此，加強實踐課程的教學是保證人才培養質量的有效手段。

近年來，隨著中國氣象業務現代化進程加速發展，中國各級氣象臺站廣泛使用了多種國內外數值天氣預報產品和客觀定量化的預報方法，與此同時，中國氣象局進一步意識到必須高度重視預報員的主觀分析和預報技能，在全國新任預報員上崗培訓中明確要求需熟練掌握天氣分析技術。這就要求大氣科學類專業學生不僅要有扎實的理論基礎，還需具備較強的實踐應用能力。為提高實踐教學質量，不斷致力于實踐教學環境的升級[1]、實踐教學與方法的研究和創新[2-3]，以大氣科學類專業學生必修的“天氣預報綜合實習”課程為試點，根據課程特點，針對實踐教學改革進行了大膽的嘗試，以期為其他大氣科學實踐類課程的改革提供參考。

1 課程現狀及存在的問題

“天氣預報綜合實習”是大氣科學類專業學生必修的專業實踐課之一，學生通過實踐學習進一步理解和鞏固“天氣學原理”和“中國天氣”等課程的理論知識，更加熟練掌握天氣分析方法和各項技術要求，進一步理解各類重要天氣分析的著眼點，初步建立單站未來24 h的晴雨天空狀況，最高、最低溫度和風向風速的短期天氣預報思路，為后續“臨近和短時天氣預報”課程[4]的學習奠定基礎。

經調研發現，“天氣預報綜合實習”課程的教學過程存在以下幾個方面的問題。

1.1 學生對實踐課的認識不夠

很多學生對實踐課的重要性缺乏認識，一直重理論輕實踐，認為實踐課是理論課的附屬品，沒有真正認識到實踐課的重要性。很多學生認為該課程可學可不學，經常應付了事，長期以來的觀念誤區導致學生的實際動手能力與用人單位的要求有一定的差距。因此，調整思想觀念，調動學生學習的積極主動性，增強對實踐課重要性的認識迫在眉睫。

1.2 課程內容的拓展性需進一步加強

在授課的過程中，經常用實時的多源氣象資料講解當日、當地的天氣實況及未來24 h的公眾要素預報，此舉是為了讓學生切身感受到天氣與各類氣象要素的配置關系，存在一定的局限性，使得一旦遇到其他天氣或者預報其他站點的天氣時，學生會覺得無從下手。

2 改革措施探索

針對“天氣預報綜合實習”課程目前存在的問題，結合課程的專業特色，從教學理念、教學方法、教學內容等方面作出相應的改革探索。

2.1 強化教學理念

部分學生對整個專業課程設置的脈絡不清楚，只為順利拿到學分，不知道這門課程的實際應用價值，在學習中漫不經心，對所學知識不能融會貫通，重知識記憶而忽略學習方法的掌握和學習能力的培養。因此，授課之初向學生傳遞該課程的開設理念尤為重要，強調該課程不是一個單獨的環節，而是一個承上啟下的重要環節，既是對所學理論知識的梳理、應用，又是為后期課程的學習奠定基礎。此外，需要跟學生強調的是，通過將理論應用到實際問題解決過程中，可將理論與實際融為一體，更好地加深對理論知識的理解。在教學中，結合各類天氣可能帶來的災害以及由于天氣預報重大失誤造成嚴重損失的案例，讓學生樹立起“防災減災，氣象先行”的理念，培養擔當精神，將立德樹人融入教育教學全過程，將氣象人的社會責任、職業道德等要素植入課程教學。

2.2 改革教學方法

教學活動因教師、學生和教材的存在成為了可能，因教學方法的選擇和應用成為了現實，教學方法直接影響到教學質量。傳統教學[4]僅注重教學過程中教師的單向傳授，改革著眼于將教師單向傳遞的信息有效被學生吸收、內化，從而使課堂成為師生互動、同學協作和交流的課堂。

2.2.1 虛擬仿真將“無形”化為“有形”

虛擬仿真技術（Virtual Reality）是在20世紀80年代新崛起的一種綜合集成技術。虛擬仿真實驗至少需具備兩個特征：沉浸性和交互性[6]。大氣科學以大氣運動規律、天氣氣候事件成因、預報預測與評估、服務技術為研究對象的一門學科。其研究對象主要是覆蓋地球的大氣圈以及太陽大氣層系其他行星的大氣。大氣環流的演變及分析過程在實驗室不可真實實現，依靠真實實驗無法達成系統的實踐教學目的，基于計算機虛擬仿真技術構建的實驗平臺，化“無形”為“有形”，增加了過去無法展現的教學內容。實現了基本原理形象再現、創新實驗可操作，使基礎實驗和創新實驗能夠根據課程需要設置，使真實實驗與虛擬仿真實驗相互補充，形成了“基礎—技能—創新”三層次完整的實踐教學體系，適應現代氣象業務需求的高素質創新人才培養的需要。通過虛擬仿真實驗教學，學生對于各類天氣有了更直觀感性的認識，基于信息網絡系統獲取、分析和處理氣象數據的能力得到了大幅提升。虛擬仿真實驗教學化抽象為具體，有效地激發了學生的想象力，促進了實踐創新，提升了學生的信息化應用能力。

2.2.2 會商式教學激發學生主觀能動性

學生開展天氣會商討論如圖1所示。

圖1 學生在課堂上圍繞當日的主題開展天氣會商討論

天氣現象的產生是一個復雜的過程，每一次天氣過程都有其特殊性，不重復出現。它既受大尺度環流形勢的控制，又可能有中小尺度天氣系統的影響；既有日變化的影響，也有可能受地形條件的制約；有時會各種因素相互關聯，盤根錯節。但具體某一次天氣過程究竟受哪幾種因子影響、何種因子起主導作用，有時是很難把握的。由于每個學生的知識、經驗、掌握到的方法存在差異，因而天氣過程分析中主觀性、隨意性、經驗性占很大成分，其結果必然與分析的質量密切相關。從多年的教學實踐中發現，如果把天氣會商這一環節重視起來，則可以把每個學生的分析觀點綜合起來，使對天氣過程的演變規律的認識更全面、深入，起到集思廣益的作用，作出更準確、更符合實際情況的天氣過程分析。會商式教學法既有利于培養學生實際動手能力，又有利于培養學生的語言表達能力，在會商的過程中取長補短，提高對天氣過程演變的認識。

2.3 拓展教學內容

各類天氣過程都有其共性，但具體到某一次天氣過程又有其特性，課堂教學中，由于課時有限，學生接觸的實例較少，當面對一個新的天氣個例時，無法將所學知識與當前個例聯系起來。針對這一問題，可采用歷史氣象資料建立各類天氣過程中公眾氣象要素預報分析的實踐教學平臺，學生利用課余時間在平臺上進行個例拓展學習[7]，增加自己的專業見識，提高常規氣象資料和非常規氣象資料的應用能力，鍛煉分析問題、解決問題的實踐能力。

實踐平臺以“學—練—測—評”為主線，功能設計主要包括三大模塊，分別為用戶管理模塊、基礎知識功能模塊和模擬實踐功能模塊，具體如圖2所示。

圖2 天氣預報綜合實習實踐教學平臺功能設計

2.3.1 用戶管理模塊

此平臺的用戶包括管理者、教師和學生三類，用戶在平臺上填寫真實信息注冊后，管理者針對用戶的級別設置相應的權限、分配相應的實驗內容。管理者對各類信息資料進行管理和匹配后，教師和學生 在登錄后會看到各自的任務提示，學生看到的是本課程需要學習、掌握的內容，在學生提交實習成果后，教師登錄系統后就有相應的提示，提醒老師批閱學生的實習成果，有助于老師了解學生掌握課程知識的程度，以便于更好地對學生進行指導。

2.3.2 基礎知識功能模塊

這個模塊主要是模擬在線教學模塊，包括常見各類天氣的預報著眼點、各氣象要素預報的重點難點及課外知識拓展和課堂練習，學生在線學習完理論知識后，進入課堂練習模塊，可以考查學生是否已掌握相關的理論知識。

其中，基礎理論知識部分主要功能是“學”，教師在平臺上提供教學的PPT、文檔、圖片、動畫、視頻等輔助教學資源，學生在課前學習了平臺上的相關資源后，可以利用課堂時間，教師集中解決學生在平臺上學習時所產生的困惑和疑問。需要注意的是，平臺會記錄學生在平臺上學習各模塊用到的時間及瀏覽記錄，防止學生學習時出現走過場、應付式的學習等情況，切實提高學生課前預習的質量。

在重點、難點部分主要是采用虛擬仿真的方式，模擬各類天氣演變的整個過程，以啟發式教學法讓學生通過實際調節各參數指標，觀察天氣過程的演變，有利于學生對相應天氣發生發展的條件有更直觀的感受，方便學生更好地理解基礎理論中涉及的相關知識點。

課外知識拓展部分是對基礎理論知識內容的補充，學生根據自身能力進行相應的學習，課堂上，教師采用的是“會商式”教學方法。教師課前根據平臺上學生的學習進度，將學生合理分組，安排適合各組學生難度的討論主題，引導學生圍繞主題組織會商討論，并要求學生在課堂結束時進行會商發言，既能促進學生之間的團隊合作意識又能避免出現浮于表面的討論，提高課堂效率。

課堂練習部分主要是采用互動教學方法，將基礎理論知識點作為主要考查內容，通過學生在平臺上的答題情況，引導學生自己檢驗學習成效，便于后期查漏補缺，有利于提高學生學習的主動性，培養和提升學生的自主學習能力。

2.3.3 模擬實踐功能模塊

雖然我們一直在不斷地強調學生實踐能力的培養，但以往的實踐能力是以“知識”的形式加以傳授，從而導致學生缺乏應用能力和創新能力。在基礎知識功能模塊部分，展示的是比較重要的天氣預報過程的分析，有利于學生將理論知識與實踐聯系起來。在模擬實踐功能模塊部分，主要著重“練”和“測”，每種天氣都提供多個實例的常規及非常規氣象資料，以學生為主體，讓學生獨立分析每類天氣的演變。只有通過解決實際問題，學生才能清楚地認識到自己沒有學透的具體的知識點，從而可以以在線交流或者在論壇提問的方式，主動與教師進行互動，確保能夠及時、有針對性地解決問題。教師根據學生提交的分析結果及在線交流和論壇中的提問，掌握學生的薄弱環節，并可通過平臺有的放矢替學生答疑解惑，實現“評”的功能。這樣的教學方式，既發揮了學生的主觀能動性，培養和提升了學生的自主學習能力和創新思維能力，又有助于教師幫助學生完成知識的內化，提高教學效果。

3 改革特色

3.1 充分發揮開放式智慧教室作用

傳統的教學活動中教學方法是根據計劃學時數，依據教學計劃按照教學進度在規定的時間內進行規定內容的講解，這種教學模式沒有充分激發學生學習的積極性和主動性，不利于培養學生自主學習的能力。為充分發揮學生的主觀能動性，打破“天氣預報綜合實習”課程教學受學時的限制，在多年的傳統實踐教學方法的基礎上，通過智慧教室為線上線下混合教學提供的開放實踐教學平臺，支持學生探索不同層次的、多樣化的綜合開放教育模式。學生可以根據自身實際情況，事先向開放實驗室提出實習申請，實驗室根據學生人數及申請時間，安排教師對其進行針對性的指導，如圖3所示，可以使學生加深和鞏固所學知識，引導學生在學習的過程中積極思考，提高學生發現問題、分析問題、解決問題的能力。

圖3 智慧教室

3.2 教學方式方法多樣化

根據教學大綱構建一個實驗實習平臺作為課堂教學的輔助，并且根據不同的模塊功能，采用案例法、虛擬仿真和會商式教學法，充分開展“以學生為主體”的實踐教學活動，進一步強化學生實踐能力和創新精神培養，達到了良好效果。

4 結論

通過課堂教學與“天氣預報綜合實習實踐教學平臺”相結合的實踐教學模式的探索，初步可解決目前“天氣預報綜合實習”課程面臨的困境，針對不同教師、不同學生、不同教學內容采用靈活多樣的教學方法，使學生從理論知識的學習、不同案例的分析練習、各類氣象要素預報的測試到教師答疑解惑、對學生學習效果進行評價這一全部過程得到完整的培訓，既培養了教師因材施教能力，又培養了學生自主學習的意識和分析問題、解決問題的能力以及團隊合作精神，激發了學生主動性、探究性和創新性的潛能。目前，初步打算挑選20個左右大氣科學專業的學生進行試驗學習，根據后期課程“臨近和短時天氣預報”的反饋，調整這種實踐教學方式實施中遇到的各種問題。預期接受過這種創新性教學方式的學生在對大氣環流特征的分析和影響系統的分析明顯強于未接受的，在撰寫實習報告方面，文檔結構、專業術語的應用更合理，會商發言時思路更清晰、表達更流暢，預報思路的建立更快、更好，但實際教學效果還有待進一步調研評估。