云降水物理學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

呂晶晶， 朱 彬， 何都良， 安俊琳， 王 靜， 項(xiàng) 磊

（南京信息工程大學(xué)a.大氣科學(xué)與氣象信息虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心；b.實(shí)驗(yàn)室與設(shè)備管理處；c.中國(guó)氣象局氣溶膠與云降水重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，南京210044）

0 引 言

我國(guó)高等教育已進(jìn)入全面振興本科教育的攻堅(jiān)階段。實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)作為人才培養(yǎng)的重要組成，對(duì)提高高校本科教育質(zhì)量至關(guān)重要［1］。隨著信息化技術(shù)與教育教學(xué)深度融合，教育信息化受到了國(guó)家的高度重視，教育部提出開(kāi)展建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)具有重大意義［2］。教育部高等教育司吳巖司長(zhǎng)［3］在建設(shè)中國(guó)金課的報(bào)告中指出，虛擬仿真是一種新的教育生產(chǎn)力，是推進(jìn)“智能＋教育”的創(chuàng)新一招，使原來(lái)做不到、做不好、做不了、做不上的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)成為可能。信息技術(shù)的應(yīng)用是提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的重要手段［4］，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為教育部著力打造的五大“金課”之一，已成為高等教育研究的熱點(diǎn)問(wèn)題［5-6］。

我校享有“氣象人才搖籃”之美譽(yù)，其前身南京氣象學(xué)院始建于1960 年，2017 年入選國(guó)家“雙一流”建設(shè)高校和江蘇高水平大學(xué)建設(shè)重點(diǎn)支持高校。大氣科學(xué)是國(guó)家重點(diǎn)學(xué)科，并在教育部一級(jí)學(xué)科評(píng)估中蟬聯(lián)全國(guó)第一、獲評(píng)A ＋等級(jí)。我校作為一所典型的行業(yè)特色型高校素來(lái)重視實(shí)踐教學(xué)［7-8］，在氣象行業(yè)全面現(xiàn)代化背景下［9］，發(fā)揮共建體制和多學(xué)科優(yōu)勢(shì)，已然成為協(xié)同人才培養(yǎng)模式改革的先行者［10］。2013 年我校獲得兩個(gè)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心稱號(hào)［11］，即：大氣科學(xué)與環(huán)境氣象實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心和大氣科學(xué)與氣象信息虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，隨后陸續(xù)建設(shè)了短期氣候［12］、農(nóng)業(yè)氣象［13］、氣象云計(jì)算［14］、大氣環(huán)境［15］等一批虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源；2016 年“地球科學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)共享平臺(tái)”獲批為江蘇省唯一的地學(xué)類省級(jí)共享平臺(tái)［16］；2019 年獲批中國(guó)氣象局“國(guó)家綜合氣象觀測(cè)專項(xiàng)試驗(yàn)外場(chǎng)”基地［17］。

云霧降水過(guò)程是全球水分循環(huán)中的重要環(huán)節(jié)，大氣中絕大多數(shù)天氣現(xiàn)象都與其關(guān)系密切［18］。由于受季風(fēng)氣候的影響，我國(guó)降水資源時(shí)空分布十分不均，云降水物理學(xué)作為一門(mén)具有實(shí)際意義的理論學(xué)科，人工影響天氣就是直接建立在其理論基礎(chǔ)上的應(yīng)用科學(xué)技術(shù)。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，人們對(duì)人工影響天氣提出了更為迫切的需求，經(jīng)過(guò)60 多年發(fā)展，人工影響天氣早已成為我國(guó)防災(zāi)減災(zāi)、生態(tài)文明建設(shè)的有力手段，在服務(wù)農(nóng)業(yè)建設(shè)、保障水資源安全等方面將會(huì)發(fā)揮越來(lái)越重要的作用［19-20］。

1 云降水物理學(xué)虛仿實(shí)驗(yàn)建設(shè)背景

云降水物理過(guò)程是大氣水循環(huán)的核心組成部分，是地球大氣的熱量、水分和動(dòng)量平衡的關(guān)鍵因素，它不僅影響局地和短期的天氣過(guò)程，而且影響大氣環(huán)流和全球氣候的變化。云降水物理學(xué)是大氣科學(xué)本科專業(yè)的核心課程，主要研究自然界氣溶膠、云霧和降水的形成、發(fā)展和消散的宏微觀過(guò)程，同時(shí)還包括雷暴電學(xué)、云霧光學(xué)、云的輻射氣候效應(yīng)、云降水化學(xué)等廣泛內(nèi)容［18］，具有很強(qiáng)的實(shí)踐性教學(xué)要求。涉及云降水發(fā)展過(guò)程中的研究對(duì)象，從納米級(jí)的氣溶膠，到上千公里的云降水系統(tǒng)（如：臺(tái)風(fēng)降水等），在時(shí)間和空間尺度變化范圍極大，使得測(cè)量難度大為增加。常見(jiàn)的云霧降水實(shí)驗(yàn)測(cè)量平臺(tái)包括高山地面站、火箭、探空儀以及搭載高精度光電探測(cè)設(shè)備的飛機(jī)。但是受制于時(shí)空、儀器和實(shí)驗(yàn)成本等因素，傳統(tǒng)的云降水物理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)只能在室內(nèi)（比如：云室）開(kāi)展，不具備對(duì)真實(shí)云霧環(huán)境進(jìn)行直接測(cè)量的條件，這無(wú)疑限制了學(xué)生對(duì)云霧-降水整體過(guò)程的深切感悟和深刻理解。為了有效解決云降水物理學(xué)實(shí)踐教學(xué)中自然云霧過(guò)程不可及、不可逆和多因素影響等問(wèn)題，借助先進(jìn)的信息化手段，構(gòu)建云霧-降水虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，將為實(shí)踐教學(xué)提供全新的交互式教學(xué)手段，加深學(xué)生對(duì)云降水宏微觀過(guò)程的理性認(rèn)識(shí)，極大提高其實(shí)踐創(chuàng)新能力和防災(zāi)減災(zāi)意識(shí)。

2 云降水物理虛仿實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和目的

云降水物理學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要以氣溶膠-云霧-降水的形成過(guò)程作為脈絡(luò)，可分為氣溶膠云凝結(jié)核觀測(cè)、云霧粒子探測(cè)和降水粒子測(cè)量3 個(gè)部分。近年來(lái)，本課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)依托學(xué)校國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范平臺(tái)，以1995 年陳金榮等自編教材《云、降水物理實(shí)驗(yàn)》為基礎(chǔ)，在“做中學(xué)”理念指導(dǎo)下，針對(duì)云降水物理學(xué)理論課程中講述的內(nèi)容，并結(jié)合已配備的國(guó)際先進(jìn)氣溶膠、云霧降水探測(cè)設(shè)備——寬范圍氣溶膠粒徑譜儀（WPS-1000XP）、光學(xué)霧滴譜儀（FM-100）、云凝結(jié)核計(jì)數(shù)器（CCN-100）、光學(xué)雨滴譜儀（PARSIVEL2）、單顆粒氣溶膠飛行時(shí)間質(zhì)譜儀（ATOFMS）、濕控串聯(lián)差分電遷移率分析儀（HTDMA）和現(xiàn)在天氣現(xiàn)象儀（VPF-730）等，已陸續(xù)開(kāi)展了氣溶膠譜、巨鹽核凝結(jié)增長(zhǎng)、云凝結(jié)核、霧滴譜和雨滴譜等10 多個(gè)實(shí)體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并取得良好的實(shí)踐教學(xué)成效。

但是云降水粒子形成、增長(zhǎng)的云微物理過(guò)程和云降水發(fā)展宏觀過(guò)程仍然是實(shí)踐教學(xué)重難點(diǎn)。由于不具備對(duì)自然云霧環(huán)境進(jìn)行直接測(cè)量的條件（尤其是飛機(jī)穿云觀測(cè)），學(xué)生仍然缺乏對(duì)自然云霧降水過(guò)程中不可及、不可逆和多因素影響等問(wèn)題的理性認(rèn)識(shí)。因此，采用“虛實(shí)結(jié)合”方式構(gòu)建了云降水物理學(xué)實(shí)驗(yàn)課程體系（見(jiàn)圖1），以外場(chǎng)觀測(cè)和分檔雨滴數(shù)值模擬數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，借助Unity3D等信息技術(shù)，設(shè)計(jì)了涵蓋基礎(chǔ)操作、設(shè)計(jì)驗(yàn)證和綜合探索3 層次的云霧降水虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，包括：霧滴譜觀測(cè)、云霧微物理量分析和人工增雨飛機(jī)觀測(cè)。

圖1 “虛實(shí)結(jié)合”的云降水物理學(xué)實(shí)驗(yàn)課程體系

實(shí)驗(yàn)環(huán)境以干旱半干旱區(qū)氣候?yàn)楸尘埃刑綔y(cè)儀器均根據(jù)實(shí)物3D 建模而成，以上升氣流、催化溫度、催化開(kāi)始時(shí)間和催化持續(xù)時(shí)間為輸入?yún)?shù)，通過(guò)人工降水和自然降水的統(tǒng)計(jì)效果檢驗(yàn)，獲得不同上升氣流環(huán)境中的最優(yōu)人工催化方案。學(xué)生首先完成地面霧滴譜儀操作—云霧微物理量分析（見(jiàn)圖2），然后再進(jìn)行空中飛機(jī)探測(cè)儀器加載—人工催化作業(yè)設(shè)置—增雨效果檢驗(yàn)（見(jiàn)圖3）等虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，將使得學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐和自主創(chuàng)新能力得到極大提升，以期達(dá)到以下教學(xué)目的：

圖2 霧滴譜儀操作虛擬仿真實(shí)驗(yàn)界面

圖3 人工增雨虛擬仿真實(shí)驗(yàn)界面

（1）加深學(xué)生對(duì)云降水宏微觀過(guò)程的深入理解。包括掌握暖云降水原理，冷云降水原理，以及不同物理過(guò)程（如核化、凝結(jié)、碰并等）對(duì)云中水成物粒子產(chǎn)生消失的影響。

（2）掌握氣溶膠-云-降水粒子的探測(cè)原理、儀器和處理方法。包括氣溶膠粒子譜、云凝結(jié)核、云霧粒子譜、水成物粒子譜的探測(cè)原理，儀器數(shù)據(jù)處理方法。

（3）掌握人工影響天氣的科學(xué)基礎(chǔ)。熟悉層狀云、積狀云、暖云人工增雨作業(yè)技術(shù)；掌握主要的人工影響天氣催化劑；掌握人工影響天氣效果評(píng)價(jià)的基本方法。

（4）培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力，提高防災(zāi)減災(zāi)意識(shí)。通過(guò)對(duì)比分析、參數(shù)控制、歸納分析等實(shí)驗(yàn)方法探究影響人工增雨作業(yè)的因子（如：上升氣流、催化劑、作業(yè)時(shí)間、催化溫度等），并獲得不同上升氣流環(huán)境中的最優(yōu)人工催化方案，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)效率和設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力。

2.2 教學(xué)方法和實(shí)施過(guò)程

（1）情景體驗(yàn)式教學(xué)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。基于大氣科學(xué)類專業(yè)特點(diǎn)，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)只能讓學(xué)生在一定程度上對(duì)氣溶膠—云霧—降水過(guò)程形成、演變等具有感性認(rèn)識(shí)，但對(duì)于其整體宏微觀過(guò)程的理解仍然抽象晦澀。本虛擬實(shí)驗(yàn)通過(guò)讓學(xué)生在虛擬仿真的干旱半干旱區(qū)氣候背景中開(kāi)展認(rèn)知實(shí)習(xí)，掌握霧滴譜探測(cè)原理（前向散射），分析云霧微物理特征，并開(kāi)展人工增雨催化作業(yè)和效果檢驗(yàn)等。這使得實(shí)驗(yàn)教學(xué)不受時(shí)間、空間、成本的制約，提升了學(xué)生的體驗(yàn)獲得感，激發(fā)學(xué)生濃厚學(xué)習(xí)興趣。

（2）問(wèn)題啟發(fā)式教學(xué)，拓展學(xué)生科學(xué)思維。在完成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)認(rèn)知過(guò)程中，設(shè)計(jì)一些啟發(fā)性問(wèn)題，以拓展學(xué)生的科學(xué)思維能力。比如：學(xué)生在進(jìn)行地面霧滴譜儀操作和微物理數(shù)據(jù)分析時(shí)，因?yàn)殪F本質(zhì)上就是貼地的暖云，兩者微物理過(guò)程近似，而且地基霧滴譜儀和機(jī)載云粒子探測(cè)儀的原理相同，都假設(shè)云霧粒子為球形。但是如果環(huán)境氣溫低于零度，在測(cè)量范圍內(nèi)被測(cè)水成物粒子為冰晶（非球形），會(huì)對(duì)霧滴譜儀測(cè)量結(jié)果造成怎樣的影響？機(jī)載探測(cè)系統(tǒng)是怎么解決這個(gè)問(wèn)題？

（3）自主探究式教學(xué)，提升學(xué)生自主創(chuàng)新。從開(kāi)源節(jié)流的角度，人工增雨作為一種有效緩解水資源緊缺狀況的科學(xué)手段被引入。那么針對(duì)半干旱區(qū)的氣候條件，人工增雨可以增加多少降水量、不同降水強(qiáng)度對(duì)不同被覆坡面土壤入滲過(guò)程有多少影響等問(wèn)題都值得探究。因此，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了人工增雨試驗(yàn)?zāi)K，以幫助學(xué)生在同一次的天氣過(guò)程中，探究最佳人工催化方案；同時(shí)設(shè)計(jì)了坡面土壤入滲對(duì)比模塊，對(duì)比分析降水強(qiáng)度、植被覆蓋度等因子對(duì)土壤入滲過(guò)程的影響，以幫助同學(xué)自主探究不同降水強(qiáng)度中，植被作用下坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的降雨臨界效應(yīng)。

（4）互動(dòng)研討式教學(xué)，鞏固學(xué)生理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)技能。在線交流環(huán)節(jié)，學(xué)生可在線提出虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作和課后拓展作業(yè)中遇到的問(wèn)題，師生在線上互動(dòng)研討的過(guò)程中，逐漸加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)技能的理解和運(yùn)用。

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目特色

（1）以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力為核心，采用“虛實(shí)結(jié)合”方式構(gòu)建云降水物理學(xué)實(shí)驗(yàn)課程體系，同時(shí)按照基礎(chǔ)操作、設(shè)計(jì)驗(yàn)證和綜合探索3 層次設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。學(xué)生在完成實(shí)體實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，再開(kāi)展霧滴譜觀測(cè)、云霧微物理量分析和人工增雨飛機(jī)觀測(cè)等虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。作為實(shí)體實(shí)驗(yàn)的延伸和拓展，實(shí)現(xiàn)了學(xué)生從“被動(dòng)聽(tīng)講”到“自主探究”的學(xué)習(xí)方法轉(zhuǎn)變，提高了學(xué)生對(duì)云降水粒子形成、增長(zhǎng)的云微物理過(guò)程和云降水發(fā)展宏觀過(guò)程的深入理解。

（2）采用了體驗(yàn)認(rèn)知式、問(wèn)題啟發(fā)式、自主探究式和互動(dòng)研討式等教學(xué)方法。在專業(yè)培養(yǎng)方案與課程教學(xué)大綱指導(dǎo)下，應(yīng)用信息化技術(shù)開(kāi)發(fā)本實(shí)驗(yàn)的虛擬仿真資源。采用線上線下立體化教學(xué)方法，通過(guò)本虛擬實(shí)驗(yàn)資源達(dá)到傳授知識(shí)、拓展視野、提高能力的目的，既可完成傳統(tǒng)云降水物理學(xué)實(shí)體實(shí)驗(yàn)中開(kāi)展的認(rèn)知性和驗(yàn)證性的教學(xué)內(nèi)容，還可以完成實(shí)體實(shí)驗(yàn)無(wú)法完成的“云霧降水粒子宏微觀演變過(guò)程”中的設(shè)計(jì)性和綜合性的教學(xué)內(nèi)容，大大提高了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。

（3）在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)體系中，除教學(xué)過(guò)程中所涉及的霧滴譜觀測(cè)、云霧微物理量分析，和人工增雨飛機(jī)觀測(cè)設(shè)計(jì)為考點(diǎn)，同時(shí)還輔以課后作業(yè)，作為實(shí)體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建模、計(jì)算和分析的教學(xué)內(nèi)容，按照各模塊在本實(shí)驗(yàn)中的比例，形成“虛實(shí)結(jié)合”的考核評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，采用過(guò)程性實(shí)驗(yàn)報(bào)告考核和課后問(wèn)答題相結(jié)合形式對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)情況進(jìn)行多指標(biāo)權(quán)重考核評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)對(duì)本實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)、練習(xí)、數(shù)據(jù)計(jì)算的全覆蓋。

4 結(jié) 語(yǔ)

云降水物理學(xué)是大氣科學(xué)本科專業(yè)的核心課程，具有很強(qiáng)的實(shí)踐性教學(xué)要求，其中云降水粒子形成、增長(zhǎng)的云微物理過(guò)程和云降水發(fā)展宏觀過(guò)程一直是實(shí)踐教學(xué)重難點(diǎn)，但是傳統(tǒng)實(shí)體實(shí)驗(yàn)不具備對(duì)自然云霧環(huán)境進(jìn)行直接測(cè)量的條件。因此基于野外觀測(cè)和數(shù)值模式數(shù)據(jù)，充分利用虛擬仿真技術(shù)，遞進(jìn)式構(gòu)建云霧—降水過(guò)程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，讓實(shí)踐教學(xué)突破時(shí)間、空間、成本限制，將野外耗時(shí)長(zhǎng)、耗資高、不可逆不可及的云霧-降水實(shí)驗(yàn)，集中在高仿真度的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中完成，為云降水物理學(xué)實(shí)踐教學(xué)提供了有力幫助，實(shí)現(xiàn)了信息技術(shù)與大氣科學(xué)專業(yè)實(shí)踐教學(xué)融合，切實(shí)提高了實(shí)踐育人水平。