人工影響天氣虛擬仿真實(shí)驗(yàn)及課程體系建設(shè)

劉曉莉，呂晶晶，陸春松，楊素英，陳景華

（南京信息工程大學(xué)a.中國氣象局氣溶膠與云降水重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室；b.大氣科學(xué)與氣象信息虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，南京 210044）

0 引言

人工影響天氣作為大氣科學(xué)的重要分支，是一門理論和實(shí)踐緊密結(jié)合的學(xué)科。人工影響天氣指用人為手段使天氣現(xiàn)象朝著人們預(yù)期的方向轉(zhuǎn)化，主要包括人工增加降水、人工消雹、人工消云霧等人類對天氣有意識的影響活動［1］。近年來，我國人工影響天氣工作快速發(fā)展，作業(yè)能力和管理水平不斷提升，在服務(wù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、支持防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)、助力生態(tài)文明建設(shè)和保障重大活動等方面發(fā)揮了重要作用［2］。整體上看，我國目前已經(jīng)形成了較為完備的人工影響天氣相關(guān)技術(shù)、業(yè)務(wù)與管理體系，綜合實(shí)力與科技水平不斷提高［3］。

人工影響天氣實(shí)際工作中，不同作業(yè)區(qū)域、作業(yè)對象可能需要采取不同催化工具、催化劑及催化劑量開展人工催化作業(yè)。這些催化方案的設(shè)計需要基于自然云降水宏微觀特征提出。然而，自然云降水過程具有較大的時空變率，在催化方案設(shè)計中對催化云區(qū)開展云中水凝物粒子濃度、粒徑、相態(tài)、形狀等微物理特征的直接認(rèn)識顯得非常必要。目前，對自然云微結(jié)構(gòu)認(rèn)識最直接有效的手段是采取機(jī)載探測系統(tǒng)在催化云區(qū)開展觀測。而機(jī)載觀測體驗(yàn)涉及儀器品類繁多、價格高昂、空域限制等問題都是實(shí)體實(shí)驗(yàn)課程中難以解決的問題。

同時，人工影響天氣涉及催化方案設(shè)計、方案實(shí)施、效果評估及方案優(yōu)化等多重環(huán)節(jié)，在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中因?yàn)樵平邓⑷斯ご呋顒訒r空跨度大及云降水過程的不可重復(fù)性，受到諸多限制，幾乎不可能在高校建設(shè)系統(tǒng)性的人工影響天氣實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺。以往基于實(shí)驗(yàn)室針對催化劑活化、冰核濃度、降水粒子譜等內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)教學(xué)缺乏系統(tǒng)性、真實(shí)性和可探究性，學(xué)生難以建立起人工影響天氣的完整知識體系。

多年來，在人工影響天氣理論和實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)中一直存在著學(xué)生對人工催化的云微物理環(huán)境缺乏感性認(rèn)識，對于人工影響天氣業(yè)務(wù)操作關(guān)鍵環(huán)節(jié)缺乏體驗(yàn)，使得學(xué)生難以將人工影響天氣的基本科學(xué)原理與催化技術(shù)及業(yè)務(wù)操作有效結(jié)合。在教學(xué)過程中雖然也通過實(shí)際案例介紹、文獻(xiàn)調(diào)研、課堂翻轉(zhuǎn)等方式調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性，但是學(xué)生在課程學(xué)習(xí)中還是缺乏情景體驗(yàn)、實(shí)際操作及主觀探索。由于不是所有的云降水過程都適合于人工影響天氣作業(yè)，使得學(xué)生在相關(guān)業(yè)務(wù)單位開展實(shí)踐學(xué)習(xí)的過程中也不能保證遇到合適的天氣過程，得以開展人工影響天氣實(shí)踐活動。

基于以上考慮，以學(xué)生自主解決實(shí)際問題為出發(fā)點(diǎn)，針對人工影響天氣課程的重點(diǎn)和難點(diǎn)，在“能實(shí)不虛，虛實(shí)融合”的實(shí)踐教學(xué)理念指導(dǎo)下，開發(fā)了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是實(shí)現(xiàn)教育信息化的重要內(nèi)容［4］，是教育部著力打造的五大“金課”之一，其建設(shè)水平要堅持“高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度”的標(biāo)準(zhǔn)［5-7］。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)體實(shí)驗(yàn)諸多不足［8-9］，相對抽象、枯燥、難以理解的知識以直觀形象的方式有效呈現(xiàn)［10］，使得實(shí)驗(yàn)教學(xué)在空間和時間上得到拓寬［11］。目前，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)已成為本科和研究生大氣科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要手段［12-13］。

1 人工影響天氣虛擬仿真實(shí)驗(yàn)建設(shè)

1.1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)建設(shè)目標(biāo)

為了加深學(xué)生對人工影響天氣原理、技術(shù)與方法的科學(xué)認(rèn)識，提高學(xué)生科技創(chuàng)新能力，依托我校雙一流學(xué)科、國家級和省級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，基于實(shí)際機(jī)載云物理探測及人工催化過程的虛擬仿真，建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺（見圖1）。學(xué)生通過課前、課中及課后虛擬實(shí)驗(yàn)操作，完成人工催化方案設(shè)計、方案實(shí)施、效果評估和方案優(yōu)化4 項(xiàng)、16 學(xué)時實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，能夠從人工影響天氣基本科學(xué)原理、人工催化技術(shù)及業(yè)務(wù)流程等方面的認(rèn)識中得到全面提升，以達(dá)到以下教學(xué)目的：

圖1 人工影響天氣虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)置及教學(xué)流程

（1）加深學(xué)生對于暖云、冷云降水及冰雹過程人工催化原理的理解。

（2）掌握人工影響天氣中常用催化工具、催化劑及催化技術(shù)。

（3）熟悉并掌握人工影響天氣業(yè)務(wù)作業(yè)流程，并能獨(dú)立設(shè)計人工影響天氣作業(yè)方案。

（4）掌握人工影響天氣效果評估方法，能夠?qū)θ斯び绊懱鞖庾鳂I(yè)效果開展綜合、客觀和科學(xué)評估。

（5）基于效果評估結(jié)果，學(xué)生可通過自主探索、分組討論、師生互動，深入開展項(xiàng)目式探究，對人工催化方案進(jìn)行優(yōu)化。

（6）加深學(xué)生對于人工影響天氣知識結(jié)構(gòu)的理解和認(rèn)識，增強(qiáng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力及自主創(chuàng)新意識。

虛擬仿真教學(xué)平臺將云微物理環(huán)境及催化后云的宏微觀物理響應(yīng)等校內(nèi)實(shí)體實(shí)驗(yàn)中難以呈現(xiàn)的現(xiàn)象展示給學(xué)生，增強(qiáng)理論學(xué)習(xí)的新鮮感、立體感。將催化劑活化、冰核濃度、地面降水粒子譜觀測等實(shí)體實(shí)驗(yàn)成果融入碘化銀（AgI）催化劑在云中增加冰晶的催化效應(yīng)及催化效果評估等虛擬實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

從課前基礎(chǔ)理論知識的牢固掌握，到人工影響天氣業(yè)務(wù)操作流程，再到自主設(shè)計催化方案、開展人工催化方案優(yōu)化，難度遞進(jìn)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)既保證了學(xué)生對基礎(chǔ)理論和業(yè)務(wù)操作流程的牢固掌握，也有一定的難度和挑戰(zhàn)性，并為學(xué)生開展自主探索提供足夠空間。實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生可以最大限度地實(shí)現(xiàn)自主實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計，通過多次不同實(shí)驗(yàn)方案嘗試，深入學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，探究實(shí)驗(yàn)方法，這是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)所不能比擬的。

最后，學(xué)生基于理論教學(xué)和實(shí)體實(shí)驗(yàn)中的疑問和思考，結(jié)合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果，通過小組討論和師生互動積極開展研討，形成實(shí)驗(yàn)報告。通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作，實(shí)現(xiàn)“理論—虛擬仿真—理論”的循環(huán)學(xué)習(xí)模式，將探究式、合作式學(xué)習(xí)有效植入課程教學(xué)。

1.2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)建設(shè)特色

（1）突破時間、空間局限，完善課程知識體系。以中國氣象局人工影響天氣業(yè)務(wù)操作流程和云降水探測、數(shù)值模擬數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，構(gòu)建了云降水微物理環(huán)境及人工催化作業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)（見圖2）。通過實(shí)際操作，增強(qiáng)學(xué)生對于人工影響天氣業(yè)務(wù)操作的立體感和體驗(yàn)感，引導(dǎo)學(xué)生將云降水物理學(xué)、人工影響天氣中的理論知識融會貫通，將基礎(chǔ)理論與實(shí)際云降水物理過程及人工催化緊密聯(lián)系。

圖2 人工影響天氣虛擬仿真實(shí)驗(yàn)界面

（2）突破自然云降水及人工催化過程的不可逆及不可重復(fù)性。自然界中沒有兩塊完全相同的云，自然云及催化過程具有不可逆及不可重復(fù)性。因此，不能在自然界中對同一塊云反復(fù)實(shí)施不同催化部位、催化時間、催化工具及催化劑的播撒實(shí)驗(yàn)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)通過對同一次云降水過程實(shí)施多次不同部位、時間及劑量的催化實(shí)驗(yàn)，鼓勵學(xué)生自主設(shè)計催化方案，并評估作業(yè)效果，加深學(xué)生對于人工催化作業(yè)流程、技術(shù)及方法的感官認(rèn)識，提高學(xué)生獨(dú)立思考問題與解決問題的能力。

2 課程體系和教學(xué)方法革新

2.1 充分發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性

在理論課及虛擬仿真教學(xué)中以問題為導(dǎo)向，極大限度地凸顯學(xué)生的主體性、調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性。教學(xué)中，對于云降水觀測、數(shù)值模式在人工影響天氣中的應(yīng)用和人工影響天氣業(yè)務(wù)平臺建設(shè)等方面，從“如何搭建一個人工影響天氣中的云降水探測平臺？”“人工影響天氣中的數(shù)值模式應(yīng)該有哪些組成部分？”“人工影響天氣業(yè)務(wù)平臺與常規(guī)氣象預(yù)報平臺有何不同？”這樣的問題展開。通過學(xué)生獨(dú)立思考、小組討論、課堂發(fā)言等環(huán)節(jié)，形成學(xué)生獨(dú)立認(rèn)識。教師對學(xué)生的討論結(jié)果給予補(bǔ)充、完善、總結(jié)。經(jīng)過這樣的過程，學(xué)生即開展了獨(dú)立思考、得到自己的獨(dú)立認(rèn)識，通過小組討論和教師補(bǔ)充也對自我認(rèn)識實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步完善。最后，學(xué)生組成研究小組，完成成果總結(jié)、撰寫研究報告。通過極大程度調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與科技創(chuàng)新意識。

2.2 培養(yǎng)科研創(chuàng)新型人才

前沿科研成果應(yīng)用于本科教學(xué)是科教融合和卓越育人的重要驅(qū)動力［14］。我國人工影響天氣科技水平飛速發(fā)展，無形中對在校本科、研究生教學(xué)提出了新的要求。課程組教師均處于科研教學(xué)一線，具有豐富的人工影響天氣科研教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，并主持相關(guān)領(lǐng)域科研項(xiàng)目。開發(fā)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)緊密結(jié)合“云降水物理學(xué)”“人工影響天氣”課程基礎(chǔ)理論知識，并不斷引入最新研究成果，通過虛擬仿真教學(xué)平臺對實(shí)際云降水觀測、人工催化的流程體驗(yàn)，進(jìn)一步增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的體驗(yàn)感。2020～2022 年間，課程組主要教學(xué)人員參加國家重點(diǎn)研發(fā)計劃“人工影響天氣基礎(chǔ)理論、數(shù)值模式技術(shù)研究”第五課題“人工增雨效果綜合檢驗(yàn)”的研究工作，并取得眾多創(chuàng)新性成果。基于相關(guān)科學(xué)研究的進(jìn)展，課程組主要成員開發(fā)了“半干旱區(qū)生態(tài)保護(hù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”“自然及催化云中粒子譜演變飛機(jī)觀測虛擬仿真”等虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步豐富了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。

同時，在同學(xué)們已經(jīng)熟悉并掌握人工影響天氣基礎(chǔ)理論及業(yè)務(wù)流程的基礎(chǔ)上，圍繞云降水物理學(xué)及人工影響天氣領(lǐng)域的前沿科學(xué)問題，形成了科技創(chuàng)新團(tuán)隊。團(tuán)隊指導(dǎo)老師以中青年教授、副教授及講師為主，博士、碩士研究生和本科生共同參與科學(xué)問題探討及科研工作的開展。在云、霧微結(jié)構(gòu)觀測認(rèn)識、云降水機(jī)理數(shù)值研究、人工影響天氣催化效果評估及云輻射、氣候效應(yīng)等方面形成了本科生創(chuàng)新團(tuán)隊。教師的指導(dǎo)及博士、碩士研究生的參與幫助本科生更快找準(zhǔn)自己的科研方向，確立自己的科研目標(biāo)，在研究方法上也可以得到具體指導(dǎo)，提高了科技創(chuàng)新效率。通過一段時間的努力，課程組帶領(lǐng)多支隊伍獲批省級、國家級大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目。

3 學(xué)習(xí)資源建設(shè)

3.1 新版教材編寫

教學(xué)團(tuán)隊以往多基于國內(nèi)外云降水物理、人工影響天氣相關(guān)專業(yè)書籍及課程組講義開展教學(xué)工作。在教學(xué)過程中也暴露出一些亟待解決的問題。人工影響天氣既有其科學(xué)原理，也有其技術(shù)方法和手段；既要考慮對云、降水宏微觀特征的綜合觀測，也要借助數(shù)值模擬手段，還要對作業(yè)效果開展綜合、客觀的評價；還需包含業(yè)務(wù)組織、實(shí)施相關(guān)內(nèi)容，可謂包羅萬象。此外，伴隨著觀測和計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，人工影響天氣技術(shù)水平及科學(xué)性、有效性也在不斷地發(fā)展成熟。因此，在人工影響天氣相關(guān)的教學(xué)參考書中，一方面需要對該學(xué)科眾多知識點(diǎn)組織得更為系統(tǒng)化，幫助初學(xué)者更快的認(rèn)識到其中精髓；另一方面需要結(jié)合學(xué)科和認(rèn)識的發(fā)展，對理論知識體系和催化技術(shù)手段進(jìn)行內(nèi)容上的更新。

基于以上考慮，課程小組的主講教師分工合作、結(jié)合自身科研教學(xué)專長，編著出版一本適合于高校本科、研究生專業(yè)學(xué)習(xí)及業(yè)務(wù)人員參考使用的教材《當(dāng)代人工影響天氣原理與方法》［15］。

3.2 豐富的線上學(xué)習(xí)資源庫建設(shè)

依托虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和理論課線上教學(xué)平臺，建設(shè)了豐富的線上學(xué)習(xí)資源。線上資源包含理論、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)及虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課件、主要知識點(diǎn)講解視頻、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)介紹及課程思考題相關(guān)的視頻資源、課后習(xí)題及測試題、中英文文獻(xiàn)等。學(xué)生可以根據(jù)線上學(xué)習(xí)資源隨時、隨地開展理論知識學(xué)習(xí)，了解室內(nèi)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及主要結(jié)果。通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的開展，可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)理論聯(lián)系實(shí)際。

4 結(jié)語

綜上所述，人工影響天氣虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺構(gòu)建了從高空到地面的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對象，能使學(xué)生較好地掌握人工影響天氣相關(guān)基礎(chǔ)理論知識和技術(shù)方法，有助于形成課程知識體系的完整知識圖譜。通過建設(shè)豐富的線上資源及編著教材，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)內(nèi)容的豐富及教學(xué)空間的延展。基于已有課程體系建設(shè)，有助于學(xué)生夯實(shí)理論基礎(chǔ)，鍛煉動手能力，形成感性認(rèn)識。先進(jìn)教學(xué)成果在教學(xué)體系中的引入及本科生在科研團(tuán)隊的加入，充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)及科技創(chuàng)新能力。在今后的教學(xué)過程中，將進(jìn)一步增強(qiáng)學(xué)生的主觀能動性，嘗試形成學(xué)生為主體、教師為引導(dǎo)的教學(xué)模式。通過從被動接受到主動索取求知的轉(zhuǎn)變，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與探索能力。