項目式教學方法在大氣探測實驗中的應用探索

關鍵詞：大氣探測；實驗教學；項目式教學；數字溫度計；課程優化

中圖分類號：G642" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2096-000X（2025）18-0110-05

Abstract： Atmospheric science is a discipline that places great emphasis on the combination of experiments and theory， and Atmospheric Detection is one of the most representative courses in atmospheric science that combines theory and practice. At the same time， the development of national and industry demand urgently requires relevant talent training institutions to carry out targeted reforms and innovations in the teaching mode of atmospheric detection experiments. Based on the framework of the atmospheric science professional curriculum system， starting from meeting the needs of the country and industry， \"Digital Automatic Thermometer Design Experiment\" was designed using a project-based experimental teaching method that integrates multiple disciplines. Based on this experiment， the compulsory course of Atmospheric Detection Experiment for atmospheric science majors was constructed and optimized， exploring the research-oriented experimental teaching mode for atmospheric science majors. This methodology introduces automatic digital thermometer design experiments in experimental courses， which enables students to have a more intuitive understanding of the basic principles of various atmospheric detection equipment currently used in business departments， the concept of design methods and equipment error and accuracy. It comprehensively introduces the basic theories and related technologies required in atmospheric detection， cultivates students' professional skills， and enhances their ability to apply theories to solve practical problems through experimental courses.

Keywords： Atmospheric Sounding; experimental teaching; project-based teaching method; digital thermometer; curriculum optimization

作為大氣科學學科的重要核心組成，大氣探測學主要是基于氣象學與物理學原理，綜合利用各種探測技術手段獲取測量數據，定量估測與描述地球大氣物理及化學性質的各種參量，分析研究揭示大氣變化過程的內在規律[1-2]。大氣探測是大氣科學發展以及精確了解地球大氣環境演變的重要基石，而20世紀大氣科學得到迅速發展的重要原因之一就是觀測系統的廣泛建設以及新探測技術的發展應用[3-5]。大氣探測綜合實習主要是利用各種技術手段對地球大氣中各種現象和狀態參數進行測量以及開展數據應用的課程，其是大氣探測學課程體系的核心組成部分，是有機融合大氣探測課程體系理論知識與實踐應用的關鍵環節[6]。近年來，隨著計算機科學、人工智能、無線通訊等技術的飛速進步與發展，自動觀測設備已經被越來越廣泛地應用于各業務部門及科研機構中，使大氣探測儀器逐漸朝著客觀化、定量化、精細化和自動化的方向發展。因此，圍繞自動觀測設備基本原理與技術架構開展實驗實踐教學，可以使學生掌握目前世界主流大氣探測儀器的原理、構造與發展，幫助其進一步了解探測技術的快速發展趨勢，使學生能夠真正將大氣探測相關基礎理論應用到實際探測儀器的設計、開發與應用中，具備正確使用、簡單維護，以及改進與優化大氣探測儀器的能力的同時，也能在對氣象資料進行二次利用與處理時，進行正確的誤差分析和數據應用，是培養復合創新型氣象人才的先決條件。

一" 項目式教學的基本思路

大氣探測綜合實習是大氣科學類相關專業的基礎必修課程，在中山大學大氣科學學科體系已有幾十年的開課歷史，屬于學院課程體系中比較有代表性的集中性實踐教學的核心環節內容。起初該實踐課程內容主要以傳統氣象要素的觀察與測量為主，如干濕球溫度、能見度、天氣現象等常規氣象要素的地面慣例觀察。鑒于大氣探測理論與技術近些年來的飛速發展，實習內容亟需進一步的完善和擴充[7]。為了讓學生更加系統地深入了解當前大氣探測儀器，借助于學院新建教學觀測場，在實習課程中新增設了觀測場內各類自動化探測儀器的認知環節，使學生可以更加直觀了解探測設備的結構以及設計原理。在探索完善實踐教學環節的具體實施方法的同時，該實踐課程進一步增設了自動數顯溫度計的設計與應用環節。該環節貫穿實習整個階段，時間跨度為一個學期，且實驗室對全體學生全天候開放，以保證其可隨時進行實驗設計工作。

經過近幾年的教學摸索與實踐，秉著保證教學內容的科學性、先進性和系統性的前提要求，遵循大氣科學的發展規律，課程在繼續保留了常規氣象要素觀測的傳統方法與手段的教學內容的基礎上，于以上自動數顯溫度計設計與應用環節引入了項目式教學方法，增加了自動探測儀器設計內容，以引導學生設計并組裝一個能實現溫度的實時動態顯示和報警功能的自動化溫度計。以項目式教學的實驗方法可以有效地使學生將在大氣探測學課程中所學的基礎課程知識真正落地到實際的應用中。課程以項目式實驗為主導，學生為主體，通過理論教學、文獻查閱、實驗方案設計、結果分析和成果總結等環節，在實驗大綱要求的基礎之上，引導學生自主、進行自動溫度計設計實驗，突出學生對大氣探測學以及探測儀器的核心基礎原理的掌握及應用[8-9]。在課程教學中，學生在老師的引導下，學習探究與解決科學問題的過程，感受科學研究的樂趣，體會如何開展研究工作，掌握和利用新技術處理實際問題的能力，并認識到怎樣將所學知識運用在研究和業務中[10]。

具體教學模式如圖1所示。

第一步由授課教師將項目的背景在課程中進行導入，引出項目的總體目標——設計并實現一個全自動的可實時顯示環境溫度的數字溫度計。

第二步為明確項目的具體需求，包括可實現的功能需求和技術參數需求，其中功能需求包括以下幾個部分內容：①實現對環境溫度的自動檢測；②可通過程序設定溫度閾值，具備當環境溫度超過設計溫度閾值范圍時可自動進行報警的功能；③采用4個數碼管進行溫度顯示，第一位數碼管可顯示負號，且最后一位數碼管所顯示的數字為小數位；④可通過數碼管閃爍顯示ERR和鳴器發聲進行超量程報警。技術參數需求：①實現溫度測量范圍：-50～85 ℃；②測量精度：1 ℃；③測量誤差：±0.5 ℃；④報警溫度：gt;40 ℃或lt;-30 ℃。

在明確了具體需求的基礎上，第三步為本實驗項目的具體實施環節。每組同學在分組之后根據項目具體實現內容進行分工。全體組員通過查閱相關文獻、技術文檔和資料等，確定具體實施方案，并進行傳感器及元器件選型工作。該工作結束后，依據學生的興趣進行具體組內分工，分別進行原理圖設計、PCB版圖設計、C語言程序設計工作。全部設計工作實現后，由任課教授收集每組同學的設計圖紙，和元器件BOM表，進行統一的投板加工和元器件的采購工作。最后待PCB和元器件都加工采購完成之后，進行焊接組裝和調試的工作。在全部焊接和調試工作結束后，由任課教師對每組成果進行評估總結。

最后一步就是由任課教師針對每組的研究成果所出現的問題進行歸納總結，分析每組設計中存在的問題，與未來可優化與解決方案，并針對每組方案中存在的測量誤差進行分析。緊接著是思維拓展環節，在現有方案的基礎上，以組為單位，組與組之間相互講解各自的方案，并進行發散思維交流討論，提出關于類似探測儀器設備的功能拓展升級、參數優化的可能性與方案猜想。

二" 實驗建設實例

數字溫度計實驗的教學過程在結合了項目式教學的總體規劃與實際工程項目實施流程的基礎上，將實驗總體分為實驗前期、實驗中期和實驗后期三個階段，每個教學階段對應了實際項目實施中的環節，形成了一套獨立完整的實驗課程教學體系。教學體系如圖2所示。同時對應著每個環節，教學過程中貫徹“知識儲備—實驗開展—實驗總結”實際工程項目中的過程管理模式，即在實驗前期形成“實驗方案設計”，對實驗的總體思路和方案進行全盤設計和論證，用以指導后期實驗的具體實施，把控方向。實驗中期，在對全部原理方法和技術細節進行確認且繪制了大部分圖紙之后完成“中期總結報告”，總結當前實驗進展，明確下一步工作計劃和時間節點，為實驗的最終完成形成指導性文件。最后，在實驗全部結束后，形成“實驗總結報告”，歸納實驗完成情況，總結經驗。

（一）" 實驗前期

實驗前期的課時為整個實踐課程的前8個學時，此部分主要以教師講授為主。該部分的實驗內容主要包括：①項目式教學的實施方法：以實現一個自動數顯溫度計為本實驗的設計目標貫穿整個實驗過程，學生以組為單位，分工協作完成全部實驗內容。課內部分主要完成對各項技術難點的研討和瓶頸問題的交流與解決。具體的設計與開發工作主要集中在課外開放實驗，任課教師全程在實驗室進行隨時答疑和協助。同時，在實驗過程中要將實驗設計方案、技術文檔進行文字歸檔，以方便組內成員隨時調閱。②實驗的具體要求和主要內容：明確實驗教學過程管理方法，實驗評分標準等。明確實驗中要實現的全部的具體功能、技術指標、項目最終成果形式。同時，明確整體實驗可依據功能具體分為幾個設計單元，并組織組內成員自行分工分別對不同的設計單元進行方案設計與實現。③本實驗涉及的全部理論知識：穩壓電路、放大電路、AD采集電路、數碼管顯示電路、單片機最小系統、C51程序等。④實驗室安全教育：本實驗要涉及到電烙鐵等具有一定安全隱患的設備，在實驗前需對學生進行用電安全及實驗安全教育和實驗室準入考試。

（二）" 實驗中期

實驗中期是對實驗內容進行具體實施的環節，主要分為知識儲備、課內實驗和課外實驗三個部分。知識儲備部分采用教師講授和學生查閱資料相結合的方式進行。由教師講授基礎知識和實驗所涉及到的具體硬件和軟件的設計方法與原理，學生通過對相關文獻和技術文檔的查閱，自行設計方案并對硬件及軟件進行具體技術細節豐富和完善，確定完整的技術方案，最終撰寫方案設計報告。

課內實驗部分，主要是在學校分配的課時時間內進行，主要工作是通過在課內時間，將所完成的方案設計報告與授課教師進行溝通和探討，找出方案中存在的可能漏洞與錯誤。并與其他組成員進行交流討論，對各自方案進行分享與交叉論證。

開放實驗階段，由于課上時間主要用于方案驗證與交流討論，課時相對緊張，因此開放實驗階段主要集中在課后時間進行。在開放實驗階段，實驗室采用全天候開放的模式，學生可結合自身情況在任意時間隨時到實驗室利用實驗室條件進行實驗方案設計和驗證，不同功能模塊的開發、焊接和測試等工作。同時，授課教師也會一直在實驗室輪值，主要針對學生在開發和調試階段所遇到的技術問題進行隨時解答，并保證實驗室的用電安全。

（三）" 實驗后期

實驗后期一般集中在課程的最后四個學時統一實施，首先由授課教師對整個實驗環節中的各分組出現的共性化普遍問題進行歸納總結并分析問題原因，點評各組溫度計實現效果，并針對各組方案提出個性化的未來可優化方向。各組同學也要進行組間的交叉討論，對其他組方案的優點與不足提出自己的思路，最后提交實驗總結報告，完成實驗全部內容。

溫度報警器項目貫穿在整個大氣探測實習課程中，學生首先根據要求完成理論內容、流程方法、工具等內容的學習后，開始按照小組進行軟硬件設計。每組學生根據需求可以給出不同的方案，通過仿真驗證和原理圖的繪制進行設計和故障診斷分析，同時開始軟件的編寫、選擇元器件、電子封裝LED器件、繪制PCB板、手工制作出印制電路板、組裝元器件和調試。調試過程出現問題時結合前面的故障診斷進行分析，找出定位故障原因，最終完成溫度報警器的設計與制作。

圖3是本實驗的概略知識導圖，通過項目式的實驗教學方法，在對軟硬件的各類基礎知識講授的基礎上，結合學生自行對相關文獻的查閱與授課教師的輔導，讓學生真正做到從原理到實驗的全流程的知識掌握，具備相關簡單大氣探測儀器設備的設計能力，同時也具備緊跟該領域內新原理與新技術發展的能力。

三" 實驗框架

圖4是授課教師給出的數字溫度計的整體結構框圖參考，學生可依據自己的設計重新設計儀器框圖，也可以在教師給出的參考框架下對電路進行細化。圖中的溫度變送電路是把隨溫度變化而線性變化的電阻信號轉換為標準的可供后端電路進行有效采集操作的電壓信號，以便后續進行信號的調理和判斷，使得轉換的電壓處于可處理的范圍。將處理后的信號送入AD轉換芯片，將電壓信號轉換成串行的數字信號，輸入到單片機的IO口進行實時電壓參數的連續讀取。在得到了電壓信號之后，通過單片機內置程序中的電壓-溫度計算函數將采集到電壓信號與實時環境溫度進行關聯，得到實時的環境溫度。最后，將所得到的溫度信息在數碼管上進行顯示，同時通過對當前溫度進行報警閾值判斷，通過判斷結果來決定是否點亮LED燈和是否驅動蜂鳴器鳴叫。

圖5是實驗結束后由學生自行制作完成的一個數字溫度計。每組學生在同一個實驗目標下，根據自己的設計，分別實現了各自方案中的硬件電路的原理圖設計、版圖設計、嵌入式軟件設計。差異化的實驗內容兼顧了實驗過程中的學習性和趣味性，讓學生在快樂討論的氛圍中鍛煉了設計能力及各項工程能力。過程中學生反應很好，極大地提高了學生動手的興趣和主動性，從被動學習到主動學習，取得了良好的教學效果，為以后的大學生創新性實驗競賽、畢業設計、科研打下堅實的基礎。

四" 結束語

總之，項目式的教學實驗方法與手段的改革創新是近年來學院實驗中心相關授課教師在對課程體系建設方面的不斷探索、創新和嘗試的重要課題之一。學生在實驗課程中所能學習到知識的多少，是與教學實驗計劃方案和方法手段能否有效調動學生實驗主動性是直接相關的。通過近三年在對溫度計設計實驗中，引入了項目式教學環節之后的學生反饋和實驗結果分析，可見該方法取得了非常良好的教學效果。因此，在該實驗課程中，授課教師繼續堅持對實驗課程方式方法的改革創新。在保證教學大綱中所規定的基本教學要求和教學內容的前提下，加大對開放實驗室的建設力度和精力，增加實驗課程中的自主性和創新性內容和環節，提高學生觀察問題、分析問題、解決問題的能力。

參考文獻：

[1] 楊德保，張鐳，王式功，等.大氣科學實驗教學體系的建設與實踐[J].高等理科教育，2010（6）：97-101.

[2] 張文煜，仝紀龍，袁鐵，等.“大氣探測學”精品課程的建設思路及效果分析[J].高等理科教育，2007（6）：31-33.

[3] 王巍巍，楊軍，嚴家德，等.加強特色學科建設，提高實踐教學質量[J].科教論壇，2012（25）：115-116.

[4] 鮑艷松，閔錦忠，黃興友.現代氣象探測人才培養體系改革與實踐探索[J].陜西教育（高教版），2014（Z1）：85-86.

[5] 王堯，王驥.行業高校特色人才培養的機制創新與實踐探索——以南京信息工程大學為例[J].北京教育（高教），2018（5）：52-55.

[6] 韓永，王體健.大氣科學中的探測原理與方法[M].南京：南京大學出版社，2015：96-106.

[7] 李浩，劉鳳，李克凡，等.圖示法在大氣探測學課程教學中的應用案例[J].高教學刊，2023，9（1）：123-126.

[8] 劉西川，胡帥，劉鳳，等.應用氣象學專業“大氣探測學”課程教學改革探索——以“降水測量”為例[J].教育教學論壇，2021（1）：74-77.

[9] 張偉濤，袁曉光，全英匯，等.強化過程考核的單片機實驗設計[J].實驗科學與技術，2023，4（8）：37-43.

[10] 張璐陽，劉志華，宋天元.大氣探測學課程思政教學改革[J].高師理科學刊，2023，43（6）：107-110.