公共衛生事件下“數值天氣預報”教學改革探索

曹幫軍 鞏遠發 吳小飛 方雪薇 齊玉磊

[摘 要] 針對大氣科學專業本科的需求和特點，成都信息工程大學大氣科學學院一直為本科生開設“數值天氣預報”等一系列相應的專業課程。“數值天氣預報”課程組經過多方面探索，使學生獲得“數值天氣預報”課程理論基礎知識及其產品實用技術技能。課程進行了此教學模式的實踐，期望在教學內容、教學設計和考核形式上，為高等院校大氣科學本科生基礎課程“數值天氣預報”的教學改革提供參考。

[關鍵詞] 數值天氣預報;教學模式;改革探索

[基金項目] 2019年度四川省科技廳應用基礎研究自由探索項目“四川盆地邊界層高度的變化特征及其對空氣質量的影響”（2019YJ0408）;2019年度中國氣象局沙漠氣象研究基金“張掖地區低空急流對夜晚地氣交換和冷島效應的影響”（Sqj2018006）;2018年度成都信息工程大學科研啟動基金“張掖地區低空急流對夜晚地氣交換和冷島效應的影響”（KYTZ201810）

[作者簡介] 曹幫軍（1989—），男，湖南衡東人，理學博士，成都信息工程大學大氣科學學院講師，主要從事大氣科學陸氣相互作用研究。

[中圖分類號] G642 ? [文獻標識碼] A ? ?[文章編號] 1674-9324（2021）41-0093-04 ? [收稿日期] 2021-01-05

一、引言

大氣科學本科生的基礎課程一般有著較強的理論性，帶有大量煩瑣的公式推導，要求學生具有較好的數理功底和空間思維能力。教師講授輔以課后作業[1]是主要的傳統教學方式。在2019—2020年春季期間公共衛生事件暴發的背景下，全民居家隔離，停工停產，幾乎所有學校都放假，教師只能通過線上進行授課，學生只能通過網絡進行學習。為保證成都信息工程大學大氣科學本科生的培養質量，開展教學改革應運而生。大氣科學本科生基礎課程教學改革的重點是，如何使教學內容變得更加合理，將抽象內容變得通俗，使乏味的求解方程變得更加有趣。成都信息工程大學“數值天氣預報”教學組在2020年公共衛生事件背景下，積極探索高等院校大氣科學本科生專業課程線上教學的經驗和方法。論文總結課程教學組在2020年公共衛生事件下改革實踐中的經驗，對課程教學進行優化，包括教學內容的豐富、教學模式的設計以及考核方案的完善等，期望構建比較完善的大氣科學本科生基礎課程“數值天氣預報”知識體系。

二、課程背景及開設情況

數值天氣預報標志著天氣預報進入到科學時代。隨著大氣科學數值天氣預報技術和計算機運算速度的迅猛發展，現代天氣預報已經離不開數值天氣預報，其定量化和客觀化的預報遠遠優于目前最有經驗的天氣預報業務員。“數值天氣預報”是大氣科學專業的重要專業核心必修課之一。“數值天氣預報”是通過計算機采用數值計算方法數值求解大氣動力學、大氣熱力學基本方程做出天氣預報的一門學科。數值天氣預報已成為世界上所有發達國家天氣預報的主要方法，是近100年來發展起來的最重要的天氣預報的方法之一。我國從國家級到區域中心和省級氣象業務部門，均有較為完善的數值天氣預報業務系統[2，3]。“數值天氣預報”是氣象現代化的重要內容之一，數值預報涵蓋范圍很廣。從預報量來說，包括天氣形勢預報，天氣和氣象要素的預報;從預報區域來說，包括地區和國家的預報以及半球和全球預報;從預報時長來說，包括短期預報，中期和長期預報。近年來，應用數值預報的方法在氣候變化和預測方面也取得了令人鼓舞的成就。“數值天氣預報”的內容幾乎涉及大氣科學專業所學的大多數課程，并且與計算機技術、信息技術密切相聯系，是使學生把所學的基礎知識、專業知識與計算機技能和方法結合起來綜合應用的一門課程，所以“數值天氣預報”是一門非常重要的課程。“數值天氣預報”的另一個重要方面就是解釋和應用數值預報產品，這也是目前省市以下基層臺站制作天氣預報時的基礎和重要方法。因此，開設“數值天氣預報”是大氣科學本科生的核心必修課。學習該課程可以為未來從事氣象預報和數值模式研究和開發，奠定堅實的理論基礎。成都信息工程大學大氣科學專業的大部分學生會從事與氣象預報業務相關的崗位，少部分學生會去從事數值模式研發，因此“數值天氣預報”課程的重點就是幫助學生了解大氣數值天氣預報的理論體系并掌握數值模式的應用。課程的主要任務和特色是全面講述數值天氣預報的理論基礎和模式運行問題的解決。

三、教學改革實踐與探索

（一）課堂教學內容規劃

成都信息工程大學所選用的教材為田永祥等編寫由氣象出版社出版的《數值天氣預報》。該書是普通高等教育“十一五”國家級規劃教材，權威經典，內容豐富，深入淺出的講述該課程內容。立足于成都信息工程大學的大氣科學專業本科生培養的實際情況與所覆蓋的科研方向，“數值天氣預報”課程系統講述數值天氣預報的原理及其應用，反映國內外數值天氣預報理論研究和業務應用的最新進展。教學內容系統講述數值天氣預報基礎知識，其中包括各種坐標系中的大氣運動方程組和數值計算方法;數值天氣預報模式的設計，其中包括差分方法的正壓和斜壓原始方程模式的設計;初始條件、邊界條件的類型和給定方法以及資料的同化;大氣濕熱力過程的參數化。為了讓學生更好地掌握不同模式的優缺點及其產品，數值天氣預報課程組增加了“正壓原始方程模式”及“斜壓原始方程模式”的區別與聯系，數值天氣預報產品檢驗及釋用技術的基本原理和方法等內容。

（二）課堂教學設計

1.擴展教學手段。利用網絡平臺錄播帶有語音的教學視頻。利用多媒體展示數值天氣預報知識點和大氣運動方程組，對主要公式做特殊標記。一方面能夠幫助學生厘清知識點，另一方面可提高學生課堂專注力。對于重點知識和公式推導難點，利用錄制手寫推導公式視頻進行演繹，方便學生把握重點和細節。課后學生亦能通過視頻回放反復學習，這不僅減輕了教師的教學負擔，還使得學生能根據自己的需要對所學知識進行查缺補漏，提高學生學習的主觀能動性。