災(zāi)害性天氣“颮線”預(yù)警虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)建與實(shí)現(xiàn)＊

陳旭紅，朱 彬，侯瑞欽

（南京信息工程大學(xué)大氣科學(xué)與氣象信息虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，江蘇 南京 210044）

大學(xué)院校的根本任務(wù)是立德樹(shù)人，課程建設(shè)是人才培養(yǎng)的核心要素。教高〔2019〕8號(hào)文件正式發(fā)布關(guān)于一流本科課程建設(shè)的實(shí)施意見(jiàn)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是教育部著力推進(jìn)的5大“金課”之一，是高校“雙一流”建設(shè)的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)[1-6]。南京信息工程大學(xué)是國(guó)家“雙一流”建設(shè)、江蘇高水平大學(xué)建設(shè)重點(diǎn)支持高校，氣象學(xué)為國(guó)家重點(diǎn)學(xué)科。學(xué)校在“能實(shí)不虛，虛實(shí)融合”的實(shí)踐教學(xué)理念指導(dǎo)下，對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)及平臺(tái)積極進(jìn)行教學(xué)改革和探索[7-10]，“大氣科學(xué)與氣象信息虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心”“大氣科學(xué)與環(huán)境氣象實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心”先后獲批國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心；學(xué)校的“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)。

中國(guó)為颮線天氣頻發(fā)區(qū)，颮線帶來(lái)的狂風(fēng)、暴雨、冰雹等可造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)從經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展和氣象防災(zāi)減災(zāi)對(duì)人才的需求出發(fā)，充分利用學(xué)校學(xué)科和平臺(tái)優(yōu)勢(shì)，構(gòu)建颮線認(rèn)知、探究實(shí)驗(yàn)、預(yù)報(bào)預(yù)警的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，有助于增強(qiáng)學(xué)生的防災(zāi)減災(zāi)意識(shí)，提高災(zāi)害性天氣的預(yù)報(bào)預(yù)警能力。

1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)建設(shè)背景

中國(guó)自然地理氣候條件復(fù)雜，是世界上氣象災(zāi)害最嚴(yán)重的國(guó)家之一。在全球氣候變暖背景下，極端天氣氣候事件發(fā)生的頻率和強(qiáng)度呈現(xiàn)增加、增強(qiáng)的趨勢(shì)。颮線是呈線狀排列的雷暴單體或雷暴群，常伴有雷暴大風(fēng)、強(qiáng)降水、冰雹、龍卷等災(zāi)害性天氣，是導(dǎo)致氣象災(zāi)害的重要天氣類型。

災(zāi)害性天氣預(yù)報(bào)實(shí)習(xí)是大氣科學(xué)專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)課程模塊的核心教學(xué)內(nèi)容，是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力的重要環(huán)節(jié)。災(zāi)害性天氣颮線不可逆、不可重復(fù)，可造成巨大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，為高危險(xiǎn)性事件。由于颮線的發(fā)生具有局地性強(qiáng)、歷時(shí)短、天氣劇烈等特點(diǎn)，實(shí)習(xí)環(huán)境不可及。在教學(xué)過(guò)程中，難以開(kāi)展颮線天氣的大型綜合訓(xùn)練。為滿足國(guó)家防災(zāi)減災(zāi)戰(zhàn)略需求和學(xué)校“雙一流”大氣科學(xué)人才培養(yǎng)需求，開(kāi)展災(zāi)害性天氣“颮線”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的建設(shè)，以彌補(bǔ)學(xué)生在自主學(xué)習(xí)、預(yù)報(bào)預(yù)警、防災(zāi)減災(zāi)方面的能力缺失。

2 虛擬仿真教學(xué)目標(biāo)

大氣科學(xué)專業(yè)以培養(yǎng)“厚基礎(chǔ)，強(qiáng)實(shí)踐，重創(chuàng)新，創(chuàng)一流”的人才為目標(biāo)，培養(yǎng)具有扎實(shí)的數(shù)理基礎(chǔ)、系統(tǒng)掌握大氣科學(xué)理論知識(shí)和技能、具備良好的科學(xué)文化素養(yǎng)的高級(jí)專門人才。本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目依照“大氣科學(xué)”“應(yīng)用氣象”等專業(yè)實(shí)踐課程培養(yǎng)要求，依托虛擬仿真、多媒體、人機(jī)交互等技術(shù)平臺(tái)，構(gòu)建高度仿真的颮線天氣場(chǎng)景和沉浸式的颮線天氣預(yù)警實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

通過(guò)本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可掌握以下關(guān)鍵知識(shí)：通過(guò)復(fù)現(xiàn)颮線天氣場(chǎng)景，掌握颮線天氣以及地面氣象要素變化特征；通過(guò)探究颮線環(huán)境條件，掌握颮線形成和發(fā)生發(fā)展的動(dòng)力抬升機(jī)制、水汽分布特征、常用大氣穩(wěn)定度參數(shù)計(jì)算分析方法以及颮線潛勢(shì)預(yù)報(bào)方法；通過(guò)制作災(zāi)害性天氣“颮線”臨近預(yù)警，掌握颮線雷達(dá)回波結(jié)構(gòu)特征、模式預(yù)報(bào)產(chǎn)品應(yīng)用、臨近預(yù)警方法。

通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)生不僅可掌握颮線相關(guān)理論知識(shí)，還能掌握天氣預(yù)報(bào)預(yù)警工作的整個(gè)流程和基本技能，提升以下綜合實(shí)踐能力：通過(guò)對(duì)颮線天氣環(huán)境條件的探究試驗(yàn)，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)中尺度氣象學(xué)中颮線相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的理解，包括颮線地面氣象要素場(chǎng)的特征、颮線形成方式及機(jī)制、風(fēng)垂直切變對(duì)對(duì)流風(fēng)暴的作用等；通過(guò)三維動(dòng)畫(huà)模擬颮線天氣場(chǎng)景及颮線云模型，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)氣象災(zāi)害的直觀感受，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)意識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力；熟悉颮線預(yù)報(bào)預(yù)警工作業(yè)務(wù)流程，能夠利用天氣預(yù)報(bào)基本理論方法及業(yè)務(wù)規(guī)范進(jìn)行典型颮線預(yù)測(cè)，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)對(duì)強(qiáng)對(duì)流災(zāi)害性天氣預(yù)報(bào)預(yù)警問(wèn)題的綜合能力；了解颮線危害及典型致災(zāi)事件，建立氣象工作者職責(zé)精神，加強(qiáng)氣象生態(tài)文明教育，提高學(xué)生的防災(zāi)減災(zāi)意識(shí)。

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 實(shí)驗(yàn)架構(gòu)

本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用“三階段、三模塊”的設(shè)計(jì)思路，由易到難，學(xué)生能力得到提升，符合學(xué)生的學(xué)習(xí)規(guī)律，如圖1所示。實(shí)驗(yàn)過(guò)程的3個(gè)階段分別為實(shí)驗(yàn)背景及介紹、實(shí)驗(yàn)操作及分析、實(shí)驗(yàn)報(bào)告及討論。

圖1 實(shí)驗(yàn)架構(gòu)及教學(xué)方法

第一階段為實(shí)驗(yàn)背景及介紹。主要采用自主式學(xué)習(xí)的教學(xué)方法回顧基礎(chǔ)知識(shí)和認(rèn)知颮線。該模塊類似于實(shí)驗(yàn)教材，有實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)對(duì)象設(shè)計(jì)原則等內(nèi)容。系統(tǒng)預(yù)測(cè)習(xí)題將利用知識(shí)要點(diǎn)考核、案例和系統(tǒng)提示協(xié)助學(xué)生完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)過(guò)程。

第二階段為實(shí)驗(yàn)操作及分析。核心交互實(shí)驗(yàn)?zāi)K采用情景體驗(yàn)式、任務(wù)驅(qū)動(dòng)式和自主探究式教學(xué)方法，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容從易到難，層層遞進(jìn)，完成從颮線感知—規(guī)律探究—綜合應(yīng)用3個(gè)層次的實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)中體現(xiàn)“知識(shí)—能力—素質(zhì)”與“基礎(chǔ)—實(shí)踐—?jiǎng)?chuàng)新”的高質(zhì)量人才培養(yǎng)理念。

第三階段為實(shí)驗(yàn)報(bào)告及討論。采用互動(dòng)研討式教學(xué)方法總結(jié)與拓展知識(shí)。學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，系統(tǒng)進(jìn)行記錄考核，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，即可獲得客觀操作分?jǐn)?shù)。

3.2 教學(xué)方法

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，以學(xué)生為中心，圍繞關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)，采用“情景體驗(yàn)式”“任務(wù)驅(qū)動(dòng)式”“自主探究式”“問(wèn)題啟發(fā)式”和“互動(dòng)研討式”等教學(xué)方法，突破了時(shí)空限制，學(xué)生逐漸成為了學(xué)習(xí)的主體，實(shí)現(xiàn)了從被動(dòng)聽(tīng)講到自主探究的學(xué)習(xí)方法轉(zhuǎn)變，極大地提高了學(xué)生的實(shí)踐操作技能和自主創(chuàng)新能力。

采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)自主構(gòu)建知識(shí)過(guò)程。明確每個(gè)步驟的任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生帶著真實(shí)任務(wù)去學(xué)習(xí)，將傳統(tǒng)教學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)橐越鉀Q問(wèn)題、完成任務(wù)為主的多維互動(dòng)式教學(xué)，使學(xué)習(xí)更加生動(dòng)有效。

采用情景體驗(yàn)式教學(xué)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，天氣形勢(shì)和系統(tǒng)演變的分析理解較抽象晦澀。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，學(xué)生通過(guò)對(duì)環(huán)境條件的自主探究學(xué)習(xí)，確定有利于颮線形成和發(fā)生發(fā)展的潛勢(shì)條件，提升了學(xué)生的體驗(yàn)獲得感，激發(fā)了學(xué)生的濃厚學(xué)習(xí)興趣。

采用問(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，訓(xùn)練學(xué)生的科研能力。

采用自主探究式教學(xué)提升學(xué)生自主創(chuàng)新能力。在探究實(shí)驗(yàn)?zāi)K，學(xué)生通過(guò)改變同樣天氣形勢(shì)下影響系統(tǒng)的高低空配置，觀察所引起各物理量要素配置的差異變化，體驗(yàn)引發(fā)的不同天氣現(xiàn)象。

采用互動(dòng)研討式教學(xué)鞏固理論知識(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)操作和課后作業(yè)中的問(wèn)題，師生通過(guò)在線互動(dòng)研討完成答疑解惑，加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)技能的理解和應(yīng)用。

3.3 實(shí)驗(yàn)方法

主要采用繪圖法、觀察法、模型構(gòu)建法、參數(shù)控制法、自主設(shè)計(jì)法、對(duì)比法、歸納分析法等實(shí)驗(yàn)方法，幫助學(xué)生科學(xué)有效地完成實(shí)驗(yàn)。

3.3.1 繪圖法

繪圖法旨在鞏固天氣圖分析基本技能。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，氣象學(xué)進(jìn)入新的發(fā)展階段，但已有近200年歷史的天氣圖仍然是國(guó)內(nèi)外大多數(shù)氣象臺(tái)業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)的主要工具之一。分析天氣圖是預(yù)報(bào)員的一項(xiàng)基礎(chǔ)性工作，是預(yù)報(bào)員必須掌握的基本技能。

3.3.2 觀察法

觀察法貫穿虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的交互操作全過(guò)程，讓學(xué)生具備足夠的知識(shí)儲(chǔ)備，擴(kuò)展學(xué)生的視野，向?qū)W生傳遞做好氣象服務(wù)的意識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生防災(zāi)減災(zāi)的意識(shí)。

3.3.3 模型構(gòu)建法

本系統(tǒng)為仿真探究模塊的結(jié)果建立了天氣模型。通過(guò)自主設(shè)計(jì)操作，呈現(xiàn)歸納分類后的三維天氣模型，將天氣可視化，利于學(xué)生理解。具有聲光電特效的部分模型如圖2所示。

圖2 建立的部分模型

3.3.4 參數(shù)控制法

參數(shù)控制法主要應(yīng)用于探究模塊的多因子綜合仿真實(shí)驗(yàn)中，可以讓學(xué)生詳細(xì)了解某個(gè)參數(shù)對(duì)天氣的影響，培養(yǎng)學(xué)生的科研素質(zhì)。學(xué)生在進(jìn)行綜合探究實(shí)驗(yàn)時(shí)，先固定全部參數(shù)，然后在保持其他參數(shù)不變的情況下改變某個(gè)參數(shù)，研究完該參數(shù)的影響后保持該參數(shù)不變，改變其他參數(shù)，直至實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

3.3.5 自主設(shè)計(jì)法

自主設(shè)計(jì)法主要應(yīng)用于探究模塊的規(guī)律研究環(huán)節(jié)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性，有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。學(xué)生根據(jù)颮線形成的水汽、穩(wěn)定度和垂直風(fēng)切變等基本條件，進(jìn)行重復(fù)自主設(shè)計(jì)，最終得到滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)的最優(yōu)方案。

3.4 實(shí)施效果

突破時(shí)空限制，豐富教學(xué)資源手段。颮線天氣過(guò)程往往是突發(fā)的強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程，歷時(shí)短，常造成巨大的生命財(cái)產(chǎn)損失，不便于學(xué)生開(kāi)展野外實(shí)驗(yàn)研究。通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以不受時(shí)間和空間的限制，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)智能化地進(jìn)行學(xué)習(xí)。

虛擬實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，規(guī)范實(shí)習(xí)操作。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練可以讓學(xué)生盡快熟悉預(yù)報(bào)預(yù)警制作流程，有助于學(xué)生加深理解和掌握短臨預(yù)報(bào)思路，熟練制作和發(fā)布預(yù)報(bào)預(yù)警，提高預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率。

多場(chǎng)景方案設(shè)計(jì)，提升學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力。在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)過(guò)程中，強(qiáng)調(diào)關(guān)鍵步驟中的核心知識(shí)和技能，理論與能力培養(yǎng)并重，有利于學(xué)生在掌握知識(shí)的同時(shí)將所學(xué)的知識(shí)運(yùn)用到真實(shí)的實(shí)驗(yàn)中，知行合一。

融入思政元素，增強(qiáng)職業(yè)自豪感。通過(guò)災(zāi)害天氣警示、颮線天氣體驗(yàn)，因預(yù)報(bào)失誤造成災(zāi)情及人員財(cái)產(chǎn)損失等警示，將思政元素融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，將氣象人的社會(huì)責(zé)任、職業(yè)歸屬感和自豪感等德育要素植入實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目中。

4 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目特色和創(chuàng)新

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)堅(jiān)持“高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度”標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，解決因環(huán)境高危無(wú)法進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)、實(shí)際大氣過(guò)程在實(shí)驗(yàn)室里無(wú)法重復(fù)、理解難、仿真度差等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的升級(jí)重構(gòu)，開(kāi)拓了大氣科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)新領(lǐng)地，具有以下特色。

4.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)創(chuàng)新

堅(jiān)持問(wèn)題導(dǎo)向和需求導(dǎo)向。由于颮線天氣的極端性及危害性，很難在實(shí)驗(yàn)室再現(xiàn)其全部過(guò)程。圍繞颮線天氣形成預(yù)警過(guò)程，設(shè)計(jì)了2個(gè)學(xué)時(shí)、3個(gè)階段、12個(gè)核心交互步驟、47個(gè)可設(shè)計(jì)操作實(shí)驗(yàn)，由易到難，層層遞進(jìn)，解決了颮線綜合訓(xùn)練中涉及高危極端環(huán)境、人員傷亡風(fēng)險(xiǎn)大、天氣不可逆等問(wèn)題。為滿足中國(guó)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)精準(zhǔn)預(yù)報(bào)高級(jí)人才需求以及以學(xué)生為中心的教學(xué)需求，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)學(xué)研融合，系統(tǒng)中引入了氣象業(yè)務(wù)和科研成果，融合數(shù)值預(yù)報(bào)、雷達(dá)氣象、衛(wèi)星氣象等多個(gè)專業(yè)課程的核心知識(shí)點(diǎn)，增加實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的引領(lǐng)性和挑戰(zhàn)度。

4.2 教學(xué)方法創(chuàng)新

以學(xué)生能力培養(yǎng)為核心，注重“知識(shí)—能力—素質(zhì)”與“基礎(chǔ)—實(shí)踐—?jiǎng)?chuàng)新”的全面協(xié)調(diào)發(fā)展以及創(chuàng)新精神。充分發(fā)揮虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的優(yōu)勢(shì)，突破傳統(tǒng)教學(xué)時(shí)空限制、搭建了一套完整的“學(xué)習(xí)、探究、實(shí)施、考核”虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程。將專業(yè)知識(shí)與思政元素相結(jié)合，在提升颮線預(yù)報(bào)預(yù)警能力的同時(shí)，加強(qiáng)防災(zāi)減災(zāi)和生態(tài)文明意識(shí)，提高防范災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的能力，達(dá)到立德樹(shù)人的目的。

4.3 評(píng)價(jià)體系創(chuàng)新

本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)采用多層次考核模式全面評(píng)價(jià)學(xué)生的學(xué)習(xí)成效及知識(shí)掌握水平，主要由預(yù)習(xí)自測(cè)、實(shí)驗(yàn)操作及報(bào)告及測(cè)試3部分組成，考核形式采用客觀題、過(guò)程考核和實(shí)驗(yàn)結(jié)果考核等多種方式相結(jié)合。實(shí)驗(yàn)報(bào)告檢查學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)及參數(shù)選擇是否合理，理論測(cè)試采用客觀題與問(wèn)答題相結(jié)合的方式。

4.4 拓展傳統(tǒng)教學(xué)

采用虛擬仿真的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，實(shí)現(xiàn)了大氣學(xué)科“具象展現(xiàn)抽象”“虛擬反映現(xiàn)實(shí)”等課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)的突破。通過(guò)虛擬仿真交互練習(xí)及操作，使學(xué)生充分理解與掌握實(shí)驗(yàn)各環(huán)節(jié)相關(guān)的理論知識(shí)，掌握颮線預(yù)報(bào)預(yù)警的基本技能。

5 結(jié)語(yǔ)

將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)引入高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)，豐富了教學(xué)方法和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，解決了線下教學(xué)難題，將知識(shí)傳授、創(chuàng)新能力培養(yǎng)及職業(yè)修養(yǎng)提升融為一體，有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，推進(jìn) “以學(xué)生為中心”的研究性和創(chuàng)新性實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)的開(kāi)展，提升學(xué)習(xí)積極性和實(shí)踐能力，培養(yǎng)學(xué)生具備強(qiáng)天氣預(yù)報(bào)預(yù)警的業(yè)務(wù)能力以及在專業(yè)領(lǐng)域的創(chuàng)新精神，培養(yǎng)具有家國(guó)情懷和使命擔(dān)當(dāng)?shù)木C合素養(yǎng)高、實(shí)踐能力強(qiáng)的人才。