圖示法在大氣探測學課程教學中的應用案例

李 浩，劉 鳳，李克凡，趙現斌，王曉蕾，李書磊，謝檳澤

(1.國防科技大學 氣象海洋學院，長沙 410003;2.云南農業大學 機電工程學院，昆明 650500)

大氣探測學課程是大氣科學和應用氣象學等專業的基礎課程[1]，國防科技大學氣象海洋學院開設該課程已有三十多年的歷史，面對課程學時的不斷精簡、探測技術的快速發展、課程思政的時代要求、復合創新的人才培養等新趨勢，教學團隊秉承大氣探測學“理工結合，落實到工”的基本理念[2]，持續開展課程教學研究。圖示法教學[3-4]通過簡潔的符號、精煉的文字、豐富的線條、清晰的表格等構成特有的圖文式樣，形成板書和課件進行施教，有利于從整體上把握知識結構及內在聯系，有利于生動形象記憶和強化知識體系信息，有利于邏輯思維和內在美與外在美的統一。

大氣探測學課程具有“氣電一體，以氣為本”特點[2]，內容多、跨度大，為了提高教學效率，特別需要和適合采用圖示法推進教學。本文簡明扼要地分析了圖表法、圖形法和圖像法等典型圖示法應用示范案例，并突破傳統平面圖示的二維局限性，注重提高圖示的內涵和外延。以圖形展示方式為主要形式，分析教學內容背景和教學效果評價，旨在探討圖示法在大氣探測學課程中的應用。

一、大氣探測體系圖示法

大氣探測是指對表征大氣狀況的氣象要素、天氣現象及其變化過程進行個別或系統的、連續的觀察和測定，并對獲得的記錄進行整理的過程和方法[1]。大氣探測是一種特殊的測量，借鑒測量學原理，從不同角度和層次構建大氣探測綜合體系，即直接探測和間接探測、現場探測和大氣遙感、主動探測和被動探測。針對大氣探測對象和氣象要素，梳理出典型的大氣探測的方法和技術體系[2]。其中，直接和間接主要描述傳感器輸出和氣象要素的量值關系，現場和遙感主要描述傳感器和探測對象的位置關系，主動和被動主要描述傳感器和探測對象的作用關系。綜合氣象探測系統還包括平臺，把探測平臺的主要特征分為三種六類，其中：地基平臺受機械力作用，含固定和機動平臺;空基平臺受氣動力學作用，含航跡不可控和可控平臺;天基平臺受地球萬有引力作用，含靜止和極軌衛星。

針對大氣探測原理和方法的體系進行圖示設計[5]，如圖1 所示。該圖示法案例以二維圖表的方式顯示，表格的行是探測平臺分類，表格的列是探測方法分類。合理運用單元格的合并和拆分方式，清晰地勾勒出直接、間接探測、接觸式、非接觸式探測、被動、主動探測、原位探測、距離積分、激勵微分和大氣遙感之間的相互關系，全面系統地揭示了大氣探測方法和技術及其本質特征和適用范圍。該圖示直觀揭示了大氣探測原理和方法的機理和框架，能夠從體系結構上理清課程教學內容及其相互之間的內在邏輯。通過該圖揭示各種大氣探測技術的基本特征，指出了直接和間接的量值關系在不同環境下是否普適成立，現場和遙感如何確定采樣空間的大小和位置，主動和被動探測的氣器作用是否影響了氣象要素值，從而揭示了教學重點和難點。某種意義上，該圖示類似元素周期表在化學課程中的作用，是大氣探測學課程教學的總牽引。以此為基礎和依托，有助于按歸納、演繹、類比的思維邏輯方法，以及先總、后分、再總的循序遞進方式，有序推進課程教學進程。

圖1 大氣探測體系圖示法

二、能見度的換算圖示法

氣象能見度對于環境監測、交通運輸、航空航海等具有重要價值，是重要的大氣探測要素。氣象能見度是一個復雜的心理和物理現象，其值主要受懸浮在大氣中的固體和液體微粒引起的大氣消光的影響，其值依賴于人的視覺、目標和背景特征以及大氣透射率的影響[1]。氣象能見度的目測方法需要區分白天和夜間兩種，能見度的白天觀測基于視力正常的人以水平天空為背景觀察水平方向適當大小黑色目標物的最大水平距離。能見度的夜間觀測基于點光源燈光目標物的最大能見距離，由柯西米德定律和氣象光學距離定義可知，點光源能見距離是燈光強度、大氣消光系數、光照條件及人眼照度閾值的復雜函數。能見度的夜間觀測與白天觀測結果之間需要換算，換算算法涉及諸多因子，包括氣象能見度、氣象光學距離、消光系數、點光源能見距離、燈光強度、光照條件和人眼照度閾值等。

針對氣象能見度的定義和觀測方法進行圖示設計[5]，如圖2 所示，該圖示法案例包括圖形和圖表。其中的圖形，用黑邊白框和黑色圓盤分別表示背景和目標，用淺色圓柱表示空氣微元，用四根向左的實線表示固有亮度，用兩根進入人眼的實線表示衰減，用四根傾斜的實線表示漫射，用兩根進入人眼的虛線表示氣幕光增強，用向左的兩根實線和兩根虛線進入人眼表示視在亮度，能見度理論涉及的大氣物理核心公式穿插標注在恰當的位置。其中的圖表，左側縱坐標是以對數刻度的氣象光學距離，右縱坐標是以不等間隔方式刻度的點光源能見距離，三個橫坐標以對數刻度的燈光強度，分別對應暗夜、月夜和黃昏條件。能見度的夜間觀測與白天觀測結果之間查算基于圖表中的一系列曲線，繪制了縱、橫對數間隔網格線便于讀數。可見，該圖形表達方式綜合運用了線條、形狀和色調等，把氣象能見度概念、觀測原理、換算方法清晰完整形象地表達出來。該圖表采用了雙縱坐標和三橫坐標框架，可以顯示相關要素在大量程范圍內的數值，對數坐標繪制曲線組并配合精確密集的坐標網格線，在一張圖內完成了能見度的夜間觀測與白天觀測結果。此外，利用此圖表還可以開展氣象能見度觀測誤差分析方面的教學，提高了氣象能見度觀測誤差理論分析的直觀性。

圖2 能見度的換算圖示法

三、氣象輻射測量圖示法

氣象輻射對于環境、氣候、大氣遙感等具有重要價值，重要性日益提高。輻射物理量包括輻射能、輻射通量、輻射通量密度和輻射亮度等，氣象輻射觀測量包括直接輻射、總輻射、散射輻射、長波輻射、凈輻射、全輻射和反射輻射等，這些量的定義較復雜且對輻射觀測十分重要。太陽輻射能是地球及大氣最重要的能量來源，地球收到太陽輻射能的同時也不斷地支出輻射能[1]。按照輻射來源分類，地面測量輻射能包括太陽輻射和地球輻射，由于太陽輻射和地球輻射的光譜分布重疊很少，因此在輻射能觀測中可以對不同的波長的輻射分別進行測量。根據儀器安裝方式不同，需要測量向上或向下的輻射通量分量，還有某些行業部門所感興趣的可能不是水平面而是傾斜方向。輻射測量儀器中，直接輻射表由進光筒、傳感器、跟蹤架組成，應具有能瞄準太陽的手動或自動跟蹤裝置，進光筒對準太陽，感應面垂直于入射光。把總輻射表中來自太陽直接輻射部分遮蔽后測得的輻射值即為散射輻射，因此用總輻射表配上合適的遮光部件即可測量散射輻射。

針對氣象輻射量的定義和觀測方法進行圖示設計[5]，如圖3 所示，該圖示法案例包括圖形和圖表。其中的圖表，是運用單元格的合并和拆分設計的二維表，表格的行和列分別表示輻射的方向和來源。為了更準確地表示輻射的來向，在向下和向上的輻射量分別加注向下和向上的箭頭。表格中的行或列的排列，還可以揭示行向或列向的輻射參數之間的量值關系，該圖表全面系統地揭示了輻射來源和輻射方向結合起來進行分類的內在邏輯，清晰地描述了直接輻射、總輻射、散射輻射、長波輻射、凈輻射、全輻射、反射輻射的物理含義。并且表格的行向和列向可以分別揭示相關氣象輻射量之間的數值關系，便于理解和掌握輻射能測量要素的定義及其測量方法。其中的圖形，采用通俗的三維顯示方式，形象地給出了不同季節情況下每天太陽的運行軌跡及晨、昏地方時刻，直觀反映輻射測量儀器跟蹤太陽或遮蔽太陽的原理和技術實現途徑，便于從總體上結合大氣物理知識理解氣象輻射測量儀器的原理和結構。

圖3 氣象輻射測量圖示法

四、氣象雷達探測圖示法

氣象雷達是大氣探測的重要技術和重要內容，氣象雷達探測能力與其技術參數密切相關，掌握參數的含義及其關系對于了解氣象雷達的探測原理和性能十分重要[1]。氣象雷達的技術參數較多，各個參數之間及其與氣象雷達探測性能的關系比較復雜，且相互約束。比如，發射脈沖寬度與雷達最大作用距離有關，脈沖寬度越大，最大作用距離也越大。脈沖寬度又和雷達距離分辨率有關，脈沖寬度越小距離分辨率越高。盲區半徑是指雷達能有效探測的最小范圍，脈沖寬度的大小決定了雷達盲區半徑。前一個發射脈沖回波從最大距離處回到雷達后才可以發射下一個脈沖，兩個脈沖的間隔叫做脈沖重復頻率，這就決定了雷達最大探測距離。在氣象雷達回波中檢測到的最高多普勒頻率分量取決于雷達脈沖重復頻率，這就決定了雷達最大可測速度。徑向范圍內的氣象目標粒子的后向散射回波，能同時到達天線的空間長度稱為有效照射深度，也就是雷達探測的空間分辨率。

針對氣象雷達技術參數與探測性能的關系進行圖示設計[5]，如圖4 所示。該圖示法案例以綜合圖形給出，圖內同時融合給出了三個坐標系，即徑向距離與回波延時坐標系、回波強度與回波延時坐標系、徑向距離與散射系數坐標系。配合精心設計的線條、形狀、圖標和圖例，直觀顯示了發射脈沖前沿和發射脈沖后沿的傳輸，以及發射脈沖前沿和發射脈沖后沿回波的傳輸。以此為基礎，展示了氣象雷達主要技術參數，并揭示了它們對氣象雷達探測性能的影響。在一張綜合圖內描繪了雷達技術參數及雷達探測性能，便于理解氣象雷達的基本原理。比如，根據圖中回執的輔助網格線，可以直觀形象地看出當雷達脈沖寬度確定之后，雷達波束徑向內的氣象目標粒子的散射回波同時到達天線。當目標距離雷達很近時，目標回波前沿將同發射脈沖后沿混合在一起以致于無法分辨。當脈沖重復頻率較小時，容易發生測距模糊現象。可以反復觀摩該圖，可以強化氣象雷達探測的基本原理，以及雷達參數含義和相互之間的約束關系。

圖4 氣象雷達探測圖示法

五、結束語

在大氣探測學教學改革建設中，根據課程的重點和難點知識，結合圖示法教學一般方法，需要進一步深入系統地研究課程教學重點和難點，面向學生認知的一般過程，切實提高圖示的準確性、啟發性、藝術性[6-7]，使教學有所依托、思考有所指向、創新有所遵循。實踐表明，圖示法教學可以化抽象為形象、化繁為簡、化難為易，達到以圖激趣、以圖增記、以圖啟智、以圖感美的效果，有利于提高學生的學習效率、創新能力和綜合素質，是一種貫穿于教學全過程的有效而高效的教學方法。

需要補充說明，圖示教學法和建構主義教學法不謀而合[8]，圖示教學法是踐行建構主義教學法有效途徑。建構主義認為學習是基于原有的知識經驗生成意義和建構理解的過程，其中的同化過程是指把外部環境中的有關信息吸收進來并結合到已有的認知結構中，順應過程是指外部環境發生變化而原有認知結構無法同化時所引起的認知結構發生重組與改造。基于本文的案例分析可以看出，圖示法可以成為同化和順應過程的重要教學抓手，圖示可使大腦保持對知識圖景的整體展望，加深對所學知識全面系統理解，增強大腦的知識渴望使知識結構向縱深處延伸，有助于相關新知識的吸納和融合。