虛擬仿真技術在氣象學課程教學中的應用

摘 "要：氣象學是一門實踐性強、知識點抽象的學科，其研究對象廣泛，與社會經濟發展息息相關。該文依據氣象學教學任務和特性，試驗虛擬仿真技術在氣象學中的教學設計應用，敘述氣象學虛擬仿真技術教學應用的作用和效果。經過教學試驗表明，虛擬仿真技術在氣象學教學上可以提升師生之間的教學聯系，增強學習氛圍，提升學習動機，與時俱進。通過可視化界面，學生可方便且系統地完成學習任務，達到教學模式改變的目的，深化課程建設。

關鍵詞：虛擬仿真技術；氣象學；大氣現象；可視化界面；教學模式

中圖分類號：G642 " " " "文獻標志碼：A " " " " "文章編號：2096-9902（2023）04-0100-04

Abstract： Meteorology is a subject with strong practicality and abstract knowledge， which has a wide range of research objects and is closely related to social and economic development. According to the teaching tasks and characteristics of meteorology， this paper tests the application of virtual simulation technology in the teaching design of meteorology， and describes the function and effect of the teaching application of virtual simulation technology of meteorology. The teaching experiment shows that virtual simulation technology in meteorology teaching can improve the teaching relationship between teachers and students， the learning atmosphere， and learning motivation while keeping pace with the times. Through the visual interface， students can easily and systematically complete the teaching task， achieve the purpose of changing the teaching mode， and deepen the curriculum construction.

Keywords： virtual simulation technology; meteorology; atmospheric phenomena; visual interface; teaching mode

高校開設氣象學課程的目的在于使學生掌握各種基本氣象要素的特點及其時空變化規律，能夠將所學知識與生產、生活實際相結合，認識和解決生產中的氣象問題，包括地球大氣的特性、大氣現象的發生、大氣環流變化過程和氣候變化規律等課程內容[1-2]。同時氣象學是農林類專業必不可缺的核心課程。隨著教育改革的推進，氣象學課程改革已取得一些成效，但課時縮短不可避免，易形成“填鴨式”教學模式，學生對一些具有抽象性和多學科交叉性的概念理解不透徹，難以把握課程重難點內容，學生課堂所學知識與實際生產實踐脫節的問題仍存在。新時代下，科學信息技術在全行業迅猛發展，教育部強調要推進科學技術與教育教學信息化深度融合[3]。因此，將現代科學技術應用到氣象學課程教學中成為可能。現有的教育改革實踐將線上教學和線下教學相融合[4]，可優化教學效果，提高教育教學質量，并可增加線上教育資源，包括網絡課程、視頻、圖片、講座和虛擬仿真平臺等[5]。其中虛擬仿真技術可立足于教師的教學方式，結合先進科學信息技術構建集教學、實操、考查、共享功能于一體的簡易操作平臺[6]。未來，隨著虛擬仿真技術在各教學領域應用的增多，必將對我國高等教育質量水平的提高有著積極的影響[7]，并深刻影響傳統教學的教學模式、教學內容及教學手段，達到傳統教學模式所不能達到或難以實現的講授效果。

1 "氣象學課程教學現狀分析

氣象學課程可分成9個分支學科，涉及許多的客觀因素，可將自然科學與社會科學相聯系，主要教學內容為敘述大氣的特性，大氣中輻射、溫度的變化及其意義，大氣環流過程發生的水熱交替、氣壓變化和氣候形成，以及防御氣象災害等。目前氣象學課程教學仍然采用線上、線下PPT展示為主，板書為輔[1]的方式，教師以板書的方式將一些重點和抽象的知識點展現在黑板上，并通過實體模型展示，讓學生在課上解決疑惑，掌握好各章節重點。同時老師根據教學安排，以學生打下堅實基礎為主要目的，增加課后討論、課后作業等內容，最后經過課堂表現、實驗考核、結課考查完成本門課程的學習。

經過任課老師系統講授，使學生明白氣象學這門課程的重要性，掌握氣象現象對林業、農業生產的影響，掌握日常天氣現象的觀測方法，學會使用觀測儀器，進而了解大氣現象的時空分布及其變化、利用所學知識解釋大氣中的各種現象和成因，給出預防氣象災害的措施。最終，培養觀測氣象要素、預防氣象災害領域的人才，使學生具備利用氣象因子指導林木培育或木材生產、運輸的能力，為今后從事林業生產的研究打下堅實基礎。但在長期教學中，也發現了以下問題。

1.1 "教學方式單一，教學課時少，知識點掌握不牢固

隨著教育改革的推進，以PPT為主、板書為輔的單一教授方式，并沒有從根本上改變學生課堂中被動獲取知識的習慣，難以提起學生的學習興趣，勢必會影響教學效果；老師教學任務重，上課課時縮短，易形成“填鴨式”教學模式，課堂上沒有足夠多的時間留給學生獨立思考、透徹理解并加以練習，導致學生對一些具有抽象性和多學科交叉性的概念理解不透徹，難以把握課程重難點內容。因此，課堂上利用數字信息技術輔助教學，留給學生獨立思考的時間足夠多，任課老師改變教學手段，探討新的教學方案，對本課程學習至關重要。

1.2 "教學時間短，天氣現象變化少，難以與實際聯系

氣象學課程學習時間過程跨度小，在整個教學過程中，往往僅在簡短的3個月內完成學習，學生學習到的氣象現象并不全面。但天氣現象卻是多變的，在整個學習過程中，學生面臨的天氣現象甚至只有一種，課程結束后，學生自己面對復雜多變的氣象現象就難以及時將所學理論與實際聯系起來，這就導致學生對復雜的天氣現象僅停留在認知階段，記憶時間短，分析更復雜的天氣時難以找到突破點。所以，任課老師需利用互聯網技術尋找更多復雜的天氣影像或圖片，適時增加學生在日常生活中未遇到過的氣象現象教學，加大課堂中理論知識與現實天氣變化的聯系。

1.3 "抽象天氣現象知識點多，學生想象力有差異，注意力不集中

任課老師在教授抽象性的內容時，學生只能憑借自己的經歷和想象力來理解，且每個人的經歷及想象力有所差異，課堂教學時就難以保證所有的學生都理解，部分學生的理解會產生偏差，若任課老師繼續往下授課，學生積累的問題會越來越多，學習興趣就會不斷下降，如在林業氣象災害部分，教材只介紹其基本的概念和規律，教學內容大多按照教材照本宣科，而與實際生產實踐相結合較少。所以，老師為保證每個同學都能徹底理解這些知識點，往往會花費大部分時間去解釋，這就導致在課時緊張的情況下，教學任務難以完成，且完全理解的學生，注意力會減少，學生的課堂參與性降低。這時候就需要提醒學生自己平時注意觀看一些氣象紀錄片和閱讀一些氣象解讀資料，增加對氣象現象的了解，課前課后注重復習，加深對抽象知識點的理解。

1.4 "關注點少，老師間協調少，學生實踐能力弱

很多高校，理論知識教授和實驗操作教授往往會由不同的老師完成，若任課老師與實驗老師之間的聯系不夠密切，一方面任課老師只注重學生在課堂上接受知識，而完全不關注實驗過程，且學生在其他時間沒有對所學知識進行復習，易發生學生理論知識能聽懂，實驗課沒有頭緒的現象；另一方面實驗老師不關注任課老師上課進度，只按課時安排進行實驗教學，就會發生理論課還未學到的內容，實驗課已經涉及的現象。這就易導致學生知識理解和實驗實操不能完全兼顧，學習效果不理想。因此，在教學中，所有的老師都要相互關注，將理論課和實驗課聯系起來，理論知識和實物觀測結合，協助學生構建完善的知識體系，增強學生實踐動手能力。

2 "虛擬仿真技術研究現狀

日常生活中，虛擬仿真技術帶來了眾多便利，在一定程度上，人們生活更加便捷，時間更充裕。正是因為這一技術的發展，足不出戶就可以看房、看車，但是有關虛擬仿真技術在教學領域的研究相對較少。隨著教育改革的推進，虛擬仿真技術應用到室內設計這一領域所取得的效果，受到教育工作者的廣泛關注，那么虛擬仿真技術能否應用到教育領域呢？答案是肯定的，目前在虛擬仿真技術教學中應用較多的信息技術主要有多媒體技術、人機交互技術、可視化技術、仿真技術、虛擬現實技術、增強現實技術、虛擬世界、3D打印技術和遙感技術，其基本特征包括交互性、沉浸性、虛幻性和逼真性[8-9]。也正是因虛擬仿真技術的逼真性，越來越多的人將其應用到教學中，如將虛擬仿真技術運用到森林培育中，可以在極短時間內呈現出從種子到成熟林木生長的全過程，并可呈現出施肥、除草和防蟲的撫育措施，有效解決了因林木培育時間長教學過程難以呈現的問題。且有研究發現，運用虛擬仿真技術可以提高學生的學習成績及提升了學生的學習興趣。

3 "氣象學虛擬仿真技術教學建設提出的必要性

近年來，受疫情的影響，學生居家學習，線上教學成為主要授課方式，這在一定程度上促進了虛擬仿真技術在教學領域的應用。而學生在面對一些抽象知識時，掌握程度難以達到線下教學的效果。同時，因氣象學處于多學科交叉點上，其大氣現象具備不確定性，且在大氣圈中任何時候都會有風、云、雨、雪、雷電及旱澇等形式各異的自然現象，學生難以準確把握；有些氣象實驗因存在危險性而難以在校園中實施，理論所學知識與現實大氣現象有很大差異，使得學生面對多變的大氣現象時無法系統地、科學地解釋這些氣象、作用和效應，而僅通過課堂教學，易導致學生思維能力下降。

氣象學的研究對象覆蓋了整個地球的大氣圈，以及微觀和宏觀環境，其傳統的主要任務為使學生根據所學的氣象規律分析并系統地解釋大氣現象的發生、作用和效應，診斷過去和現在的天氣變化，進而闡述大氣現象的演變規律，預測未來的天氣、氣候。但隨著氣象學概念的現代發展、變化，其研究范圍不斷拓寬，教學任務也在不斷地增加，對大氣現象的研究不再局限于當前利益，而更加注重潛在利益的研究發展。在有關林業氣象的教學中，其任務更多在于使學生認識到氣象或氣候因子對造林、森林培育過程產生的經濟影響及其森林氣候與人類健康、娛樂和旅游的關系，確定林木質量最佳的最優化氣象，以及要注意到森林中森林生物氣候的作用，探究其生物生活的最佳生物小氣候。此外，也要預測預報和防御影響林業產量和質量的不利氣象、氣象災害。這些教學任務僅通過任課老師的課堂教學難以實現。從實驗條件看，學校實驗儀器大多已陳舊或不足，遠遠落后于當前新時代的發展、科學技術的進步，無法滿足師生講學的需要，實驗教學模式仍然延續著陳舊的方法，某些氣象實驗現象不易觀察，實驗過程長，教學質量難以提高。實驗儀器笨重，學生隨時攜帶十分困難，只能在實驗室內做實驗。更重要的方面是學生實驗過程中的安全問題，實驗老師在教學時更加注重學生的實驗安全，實驗操作往往顯得更加簡單，甚至老師為學生提前準備好前期實驗。

通過將虛擬仿真技術應用到氣象學教學中，首先可以解決學生實驗操作時的安全問題，其次可實現將大氣現象變化置于直觀、生動、形象的場景中，不受時間和空間的限制，實現理論教學與現實的聯系，使學生的想象力、思維能力得以充分發揮，在此過程中思考如何利用所學規律預測未來的氣候，減少不必要的經濟投入，提高生產力，從而進一步完善學生的知識結構和技能培養、提升教學質量。

4 "氣象學虛擬仿真技術教學設計

氣象學虛擬仿真實驗教學設計主要針對基礎性大氣現象呈現、氣象災害和氣候變化效應展示等[10]。根據各任課老師的教學方案，以及通過結合有關氣象部門的信息資源，實現教學資源與實際大氣現象的密切聯系，使學生掌握和運用理論知識能力更強。

4.1 "氣象要素可視化虛擬仿真實驗

隨著科技的發展，一些重大的經濟活動、社會事務已離不開氣象預報。氣象預報結果涉及眾多氣象要素，且各氣象要素間的關系復雜、難以解釋，但氣溫、降水和日照等氣象要素均能在虛擬仿真平臺上可視化地展示出來，在教學中已能充分發揮、運用，盡管還無法將其量化。如氣溫，可通過虛擬仿真平臺中人物衣著體現；降水，采用具有運動模式的粒子模型來描述，可視化地描述出從云中下落的液態和固態水；日照，可通過系統調節燈光模式和亮度、改變光源位置和方向演示出日照強度、照射方向來體現。學生通過虛擬仿真平臺展示的氣象要素，可視化地體驗各種大氣現象下各種氣象要素有何差別，進而經過觀察這些氣象要素來敘述過去、現在、和將來的大氣現象，具備氣象預測預報的能力，為未來指導生產奠定堅實基礎。

4.2 "大氣水分變化虛擬仿真教學

根據大氣水分的形成和消失，虛擬仿真平臺設置了水分蒸發、水分凝結、降水、水分流失整個循環過程，其中水分蒸發的設置類型又分為水面蒸發、土壤蒸發和農田蒸發；水分凝結過程設置了凝結條件和根據所選條件呈現處的凝結物；降水過程設置了4個季節常見的降水類型，如暖云降水、冷云降水和人工降水等，降水現象又設置了包括雨、陣雨、毛毛雨、雪、陣雪及冰雹等。學生可按照任課老師要求的降水現象，選擇降水模板，從水分蒸發類型開始根據虛擬仿真平臺提示，完成降雨過程；也可在隨機模式下，學生以觀測基地為視角，判斷并記錄出現在虛擬仿真平臺上的降水現象，再通過人機互動界面，完成問題作答，虛擬平臺根據學生作答情況，給出“正確”或“錯誤”提示。利用這個虛擬仿真模板，學生可以系統掌握大氣水分循環過程，在學習理論知識的同時，提高學習興趣。

4.3 "氣象災害防御虛擬仿真實驗

在全球變暖的趨勢下，全球氣象災害頻發，如低溫害、高溫害、洪澇、旱害和風害等。而且當氣象災害發生時，社會經濟生活會受到極大的影響，尤以農、林業減產表現明顯，如何防災減災、指導生產顯得尤為重要，這也是氣象學課程教學任務的重點之一。通過應用虛擬仿真技術，結合各種氣象災害主要特征、成因、變化規律和防御措施，虛擬平臺經過人機交互的方式，可充分演示出某種氣象災害發生發展的全過程，如低溫害演示的實驗過程中，展示凍害、冷害和霜害3種常見氣象災害的成因、演變規律，從三圈環流開始，步步緊扣理論知識，最后由平臺給出防御措施。通過人機互動、場景重現的虛擬教學方式，可以有效解決傳統授課中氣象災害起因、經過和結果的全過程都由老師講授，學生卻沒有真切體會的問題，轉為學生可體會氣象災害全過程，感受防治氣象災害的實際意義，綜合掌握相關的理論知識，學習效率高。

5 "氣象學虛擬仿真技術教學的作用和效果

將虛擬仿真技術應用到氣象學教學領域，模擬不同氣象要素，解釋常見大氣現象成因、演變規律，教學方式得到改善，在教育領域具有很好的應用價值。引人虛擬仿真技術，可推動傳統教學方法的轉變，且通過引導學生在課前、課上和課后的時間進行虛擬仿真人機互動操作，極大豐富了實踐教學內容，提高了學生實踐和創新能力與教學和可視化操作的互動性，并提高了任課老師的教學能力，形成了一種新的教學體驗模式。

5.1 "引入現代科學技術，改善教學模式

通過人機交互進行理論知識講解和實驗操作，真實體驗氣象實驗過程，有效解決了實驗周期長的問題，極大地提高學生的學習興趣。在虛擬仿真技術平臺上，師生觀測大氣現象可以不受時間和地點的限制，在節約教學資源與教學師資的情況下，很好地完成教學目的，提高了教學質量。

5.2 "方便師生學習，提高學習效率

在氣象學教學中，引入虛擬仿真技術極大地改善了以PPT為主、板書為輔的傳統教學中遇到的教學進度慢、學生掌握知識不全的問題。任課老師可以在上課前在虛擬仿真平臺上發布課前預習內容，也可以在課堂上將抽象的大氣現象知識與虛擬、逼真的大氣現象相結合，還可以在課后發布復習任務、教學提醒等。最終加深課堂與課外的學習，有效地解決傳統教學學習與生活斷裂的問題。而學生則可根據設定好的操作步驟，在理論知識授課之前或之后，預習和復習知識，對于學生理解整個實驗過程、大氣現象演變過程有著積極的作用。

5.3 "有效整合教學資源，增強理論聯系實際能力

教育資源不斷增多，教學方式也應隨之而變，相對于其他學科，氣象學因其時效性更強，更需要不斷地改變教授內容、方式。應用虛擬仿真技術結合現代信息科學，可把分散、雜亂的氣象要素整合起來，將抽象的氣象概念形象化、可視化，能直觀地進行教學和實踐活動。學生可在平臺上根據當天的大氣現象選擇對應的氣象模板，進而更加深刻地理解理論教學內容。

6 "結束語

實踐表明，虛擬仿真技術與傳統教學模式相比，通過應用可視化界面利于學生對知識點的掌握，同時培養了學生的自主學習能力，在自我學習過程中充分發揮了積極性、主動性與創造性，增加了課程學習內容的廣度和深度。虛擬仿真技術的應用不僅有效解決了老師在課堂上該如何與理論實際緊扣的難題，而且鍛煉了學生的動手操作能力和分析能力，達到了使教學模式改變的目的。

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