《天氣學(xué)診斷分析》課程教學(xué)實(shí)踐與嘗試

高慶九 宋耀明 周順武

(南京信息工程大學(xué) a.大氣科學(xué)學(xué)院;b.科技處，南京 210044)

目前我國(guó)大氣科學(xué)在學(xué)科建設(shè)、研究深度和規(guī)模上都有了較大的發(fā)展，而隨著全球變暖，高溫?zé)崂?，大范圍旱?zāi)，強(qiáng)降水等極端天氣、氣候事件的頻發(fā)，人們對(duì)天氣、氣候愈加關(guān)注，相應(yīng)地對(duì)大氣科學(xué)本科人才的培養(yǎng)質(zhì)量也提出了更高的要求。因此，以素質(zhì)教育思想為指導(dǎo)，轉(zhuǎn)變教育理念，深化教學(xué)改革，加強(qiáng)地球科學(xué)專(zhuān)業(yè)課程建設(shè)，提高教育質(zhì)量，就成為擺在從事地球科學(xué)專(zhuān)業(yè)課程教學(xué)工作者面前的一項(xiàng)任務(wù)。本文對(duì)大氣科學(xué)類(lèi)專(zhuān)業(yè)課程《天氣學(xué)診斷分析》的特點(diǎn)及近年來(lái)該課程的教學(xué)及實(shí)習(xí)情況進(jìn)行了分析總結(jié)，從培養(yǎng)創(chuàng)新型實(shí)用性人才的角度出發(fā)，對(duì)該課程教學(xué)和實(shí)習(xí)中存在的不足及案例教學(xué)法應(yīng)用于教學(xué)實(shí)習(xí)的嘗試進(jìn)行了討論，以期加強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力和分析能力，提高該課程的教學(xué)效果。

1 課程特點(diǎn)和內(nèi)容

診斷分析方法是利用各種觀測(cè)和再分析資料，結(jié)合相應(yīng)的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)方程，對(duì)所關(guān)心的物理量或有關(guān)的診斷方程中的各項(xiàng)進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)天氣演變過(guò)程中伴隨的各種物理過(guò)程或某一物理過(guò)程中起作用的各個(gè)方面做出定量的估計(jì)和解釋?zhuān)粚?duì)揭示和加深大氣運(yùn)動(dòng)內(nèi)在規(guī)律的認(rèn)識(shí)是一種有效的手段。通過(guò)診斷分析方法，可以對(duì)一些典型天氣過(guò)程進(jìn)行定量和定性分析，尋找這一類(lèi)天氣的共同點(diǎn)及其發(fā)生發(fā)展機(jī)制；也可以作為一些大型科學(xué)研究項(xiàng)目的預(yù)研究工作。因此天氣學(xué)診斷分析方法是現(xiàn)代天氣學(xué)研究和業(yè)務(wù)工作中的常用方法，也是當(dāng)前從事氣象業(yè)務(wù)和科研工作必須掌握的基本技能[1～3]。根據(jù)課程特點(diǎn)，要求學(xué)生在學(xué)習(xí)本課程前要掌握一定的計(jì)算、數(shù)據(jù)處理、繪圖技能以及基本的天氣學(xué)知識(shí)。

據(jù)了解，目前國(guó)內(nèi)具有大氣科學(xué)專(zhuān)業(yè)的院校大都在本科或研究生階段開(kāi)設(shè)有該課程，各校課程名稱(chēng)、講授內(nèi)容和學(xué)時(shí)不完全一致，但基本上都包括了：有限差分方法，客觀分析和資料處理，平滑、濾波和尺度分析，氣象常用診斷量的計(jì)算(溫濕特征參量、運(yùn)動(dòng)學(xué)參量)，流函數(shù)、勢(shì)函數(shù)計(jì)算，水汽和降水診斷分析，能量學(xué)診斷分析，穩(wěn)定度計(jì)算等內(nèi)容。此外，有些學(xué)校還增加了螺旋度，Q矢量等一些新的動(dòng)力學(xué)參量的計(jì)算及其在天氣診斷和研究中的應(yīng)用。

2 課程現(xiàn)狀及存在問(wèn)題

在我校大氣科學(xué)專(zhuān)業(yè)的教學(xué)計(jì)劃中，《天氣學(xué)診斷分析》歷來(lái)作為專(zhuān)業(yè)限選或選修課程，被安排在大三下學(xué)期，與《中國(guó)天氣》和《天氣分析2》在同一學(xué)期開(kāi)課。在學(xué)習(xí)該課程之前，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了《天氣學(xué)原理》、《天氣分析1》，初步掌握了天氣分析和天氣預(yù)報(bào)的基本原理和基本方法，掌握了天氣圖分析方法和各項(xiàng)技術(shù)要求，初步掌握了以天氣圖為主的預(yù)報(bào)思路，并對(duì)主要天氣過(guò)程演變具有初步總結(jié)的能力；而《Fortran語(yǔ)言和程序設(shè)計(jì)》、《GrADS繪圖》等前導(dǎo)課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握了數(shù)據(jù)處理及繪圖的基本方法，初步具備編程繪圖的能力。

因?yàn)楸菊n程是大氣科學(xué)專(zhuān)業(yè)學(xué)生所接觸的第一門(mén)將專(zhuān)業(yè)知識(shí)與計(jì)算機(jī)、繪圖等課程融合應(yīng)用，難度又相對(duì)較低的課程，在今后的畢業(yè)論文和業(yè)務(wù)工作中又有較大用處，因此選修人數(shù)較多。通過(guò)對(duì)近4年該課程選修情況的了解，我們發(fā)現(xiàn)該課程選修比例相當(dāng)高(基本在80%以上，個(gè)別年級(jí)達(dá)到95%左右)。

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，地球科學(xué)類(lèi)各學(xué)科的設(shè)置與招生人數(shù)在不斷地調(diào)整，教學(xué)計(jì)劃也做了較大的調(diào)整，種種原因使得目前我?！短鞖鈱W(xué)診斷分析》課程也存在一些問(wèn)題：首先是開(kāi)課學(xué)期發(fā)生變動(dòng)，由原來(lái)的大三下學(xué)期提前到大三上學(xué)期，在開(kāi)設(shè)本課程時(shí)，學(xué)生不具備相應(yīng)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)了診斷分析方法，并進(jìn)行教學(xué)實(shí)習(xí)后，對(duì)所得到的結(jié)果不能結(jié)合天氣學(xué)原理進(jìn)行有效的分析，使得這門(mén)課程的作用和效果大打折扣；其次，教學(xué)中所采用的本校自編教材內(nèi)容與其他院校教材內(nèi)容雖然差別不是太大，但主要是講授各種物理量概念和計(jì)算公式，具體應(yīng)用的內(nèi)容相對(duì)偏少；第三，經(jīng)過(guò)幾次教學(xué)計(jì)劃的調(diào)整，目前診斷分析課程學(xué)時(shí)為32學(xué)時(shí)，其中實(shí)習(xí)6學(xué)時(shí)，學(xué)時(shí)偏少，尤其是實(shí)習(xí)課時(shí)偏少，有些內(nèi)容在教學(xué)中沒(méi)有涉及(能量學(xué)診斷分析，水汽和降水診斷分析，穩(wěn)定度計(jì)算等等)；從學(xué)生方面看，存在的主要問(wèn)題是不能將計(jì)算機(jī)知識(shí)與天氣學(xué)知識(shí)進(jìn)行有效的結(jié)合，對(duì)定量計(jì)算結(jié)果可以畫(huà)出圖來(lái)但不能很好應(yīng)用天氣學(xué)知識(shí)進(jìn)行分析，對(duì)所得到的計(jì)算結(jié)果還缺乏正確分析和判斷。

3 采取的措施和嘗試

針對(duì)以上問(wèn)題，如何在很少的課時(shí)內(nèi)，通過(guò)本課程讓學(xué)生學(xué)會(huì)綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，將計(jì)算編程、繪圖分析作為手段，并結(jié)合專(zhuān)業(yè)知識(shí)對(duì)具體天氣過(guò)程進(jìn)行診斷分析，為學(xué)生今后從事科研和業(yè)務(wù)工作打下良好基礎(chǔ)，是值得思考并亟需解決的問(wèn)題。為此我們采取了一些措施和嘗試：

(1)及時(shí)對(duì)教學(xué)計(jì)劃進(jìn)行調(diào)整，將開(kāi)課學(xué)期調(diào)整回大三下學(xué)期，保證基本專(zhuān)業(yè)知識(shí)等前導(dǎo)課程的學(xué)習(xí)；對(duì)于暫時(shí)未能調(diào)整的年級(jí)，在教學(xué)內(nèi)容中及時(shí)補(bǔ)充相應(yīng)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)。

(2)在現(xiàn)代地球科學(xué)教育工作中，教材建設(shè)具有舉足輕重的作用。它是體現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)要求的知識(shí)載體，是進(jìn)行教學(xué)的基本工具，是提高教學(xué)質(zhì)量的重要保證[4]。針對(duì)目前使用教材的特點(diǎn)及課時(shí)少的現(xiàn)狀，考慮到一些基本物理概念學(xué)生在前導(dǎo)課程中已經(jīng)學(xué)習(xí)過(guò)，在教學(xué)中我們減少了概念和公式講解的課時(shí)比重，挑選一些相關(guān)文獻(xiàn)要求學(xué)生閱讀，以此作為對(duì)教材內(nèi)容的補(bǔ)充，將具體物理量在業(yè)務(wù)工作和科研中的應(yīng)用通過(guò)文獻(xiàn)中的個(gè)例進(jìn)行介紹，并啟發(fā)學(xué)生去思考如何處理數(shù)據(jù)，如何得出文獻(xiàn)中的圖表，對(duì)圖表的分析在文獻(xiàn)中是怎樣進(jìn)行的，從而增強(qiáng)學(xué)生感性認(rèn)識(shí)，提高學(xué)習(xí)興趣，保證教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果。

(3)在目前總課時(shí)一定的情況下，課時(shí)少這一現(xiàn)狀是很難改變的。針對(duì)總課時(shí)少，實(shí)習(xí)課時(shí)少的現(xiàn)狀，我們嘗試在教學(xué)實(shí)踐中采取案例教學(xué)法。案例教學(xué)又稱(chēng)為實(shí)例教學(xué)或個(gè)案教學(xué)，是指將案例作為教材的一種形式，讓受教育者通過(guò)閱讀、思考和分析以及相互間進(jìn)行討論和爭(zhēng)辯的一種教學(xué)過(guò)程[5]。它與傳統(tǒng)教學(xué)方式不同，具有高度的仿真性、能動(dòng)性和創(chuàng)造性，是一種培養(yǎng)高素質(zhì)、創(chuàng)新型和實(shí)用型人才、加強(qiáng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的有效教學(xué)方法之一，也是將書(shū)本理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)工作能力的有效途徑，符合《中共中央國(guó)務(wù)院關(guān)于深化教育改革全面推進(jìn)素質(zhì)教育的規(guī)定》中對(duì)人才培養(yǎng)所提出的新的更高的要求。目前，案例教學(xué)法已普遍應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、管理學(xué)、法學(xué)等的教學(xué)過(guò)程中。實(shí)踐證明，它是一種行之有效的教學(xué)方法[6]。

在采用案例教學(xué)法的過(guò)程中，我們挑選了典型的天氣過(guò)程個(gè)例，通過(guò)天氣過(guò)程中各種物理量計(jì)算和過(guò)程的分析，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性，提高自學(xué)能力，縮短理論與實(shí)踐的距離，加深學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解和掌握，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維、創(chuàng)造能力、交流協(xié)作能力和綜合分析處理問(wèn)題的能力，從而提高教學(xué)效果。比如目前的實(shí)習(xí)內(nèi)容為一次南方氣旋的過(guò)程分析，在其中既考慮到了①渦度、散度、垂直速度，渦度平流、溫度平流等的計(jì)算，也考慮到學(xué)生正在學(xué)習(xí)《中國(guó)天氣》課程，因此增加了關(guān)于②水汽通量以及水汽通量散度的計(jì)算和分析內(nèi)容。這樣既符合教材中對(duì)動(dòng)力學(xué)特征參量計(jì)算分析的要求，又通過(guò)對(duì)降水過(guò)程中水汽條件的分析補(bǔ)充課教學(xué)內(nèi)容，和中國(guó)天氣課程結(jié)合起來(lái)。在具體實(shí)踐中，將實(shí)習(xí)內(nèi)容區(qū)分為兩個(gè)層次，對(duì)學(xué)習(xí)能力強(qiáng)的學(xué)生建議除了計(jì)算①之外，還進(jìn)行②的計(jì)算分析。在實(shí)習(xí)前，對(duì)實(shí)習(xí)內(nèi)容涉及到的專(zhuān)業(yè)知識(shí)進(jìn)行復(fù)習(xí)，對(duì)這次南方氣旋過(guò)程中系統(tǒng)生消演變及環(huán)流特點(diǎn)進(jìn)行講解，并提供過(guò)程降水量圖給學(xué)生，使得這次天氣過(guò)程在學(xué)生眼中更加具體形象，也產(chǎn)生了濃厚的興趣。在實(shí)習(xí)中提示學(xué)生所計(jì)算的物理量要如何分析，如何將天氣學(xué)知識(shí)運(yùn)用到結(jié)果分析中；并推薦文獻(xiàn)要求閱讀和模仿分析。對(duì)學(xué)生在實(shí)習(xí)中出現(xiàn)的問(wèn)題及時(shí)給予講解和解決，在實(shí)習(xí)結(jié)束后專(zhuān)門(mén)留出一課時(shí)對(duì)要求閱讀的文獻(xiàn)進(jìn)行講解，引導(dǎo)學(xué)生模仿文獻(xiàn)對(duì)實(shí)習(xí)結(jié)果進(jìn)行分析總結(jié)。通過(guò)分析課后實(shí)習(xí)報(bào)告，分析降水條件，使得學(xué)生學(xué)習(xí)興趣大大增加，個(gè)別學(xué)生甚至在課程結(jié)束后，在假期中自己主動(dòng)分析天氣過(guò)程，請(qǐng)老師給予批改。

案例教學(xué)法的實(shí)施和文獻(xiàn)閱讀相結(jié)合，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣, 調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性, 提高自學(xué)能力, 縮短理論與實(shí)踐的距離, 加深學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解和掌握, 將書(shū)本理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)工作能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和綜合分析、處理問(wèn)題的能力，提高教學(xué)效果。同時(shí)也加強(qiáng)了學(xué)生對(duì)科研的參與度和興趣的培養(yǎng)，而對(duì)初級(jí)科研計(jì)算繪圖能力的培養(yǎng)也符合學(xué)生自身發(fā)展和社會(huì)需求。

4 今后的工作

通過(guò)幾年的摸索和實(shí)踐，我們認(rèn)識(shí)到采用案例教學(xué)法需要有大量的案例支持，并且高質(zhì)量的案例必須與教學(xué)內(nèi)容相吻合，符合教學(xué)大綱的要求，能夠體現(xiàn)教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，達(dá)到案例教學(xué)的目的。此外所選擇的案例必須典型，具有代表性和實(shí)踐性，通過(guò)實(shí)習(xí)和對(duì)結(jié)果分析，啟發(fā)學(xué)生的思維，對(duì)學(xué)生今后的科研和工作需求相吻合；在挑選個(gè)例的過(guò)程中還要注意難度要適中，要把握既能說(shuō)明教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，又能達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題的能力的尺度[7]。在此原則指導(dǎo)下，在學(xué)校教學(xué)改革與建設(shè)工程資助下，我們挑選了一些較典型、有較大影響的天氣過(guò)程個(gè)例，分為大型降水、強(qiáng)對(duì)流天氣、氣旋發(fā)展等不同類(lèi)別來(lái)充實(shí)實(shí)習(xí)內(nèi)容，以逐步完善和豐富天氣學(xué)診斷分析教學(xué)和實(shí)習(xí)內(nèi)容，建立一套較為完整的天氣學(xué)診斷分析實(shí)習(xí)體系，引導(dǎo)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，對(duì)典型天氣過(guò)程的物理量進(jìn)行診斷分析，從而定量分析系統(tǒng)的生消演變，切實(shí)將所學(xué)知識(shí)運(yùn)用到實(shí)踐中，為今后的科研和業(yè)務(wù)工作打下較為堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

案例教學(xué)法是加強(qiáng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的有效教學(xué)方法之一，但同時(shí)也要注意到在案例教學(xué)法實(shí)施過(guò)程中教師的引導(dǎo)作用是不可忽視的。這也要求我們?cè)诓粩嘌a(bǔ)充、完善和更新案例的同時(shí)加強(qiáng)和提高教師自己的教學(xué)能力，以保證教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果的提高，兩方面都是不可忽視的。

[1]丁一匯.現(xiàn)代天氣學(xué)中的診斷分析方法[M].北京：科學(xué)出版社，1989.

[2]董曉敏，田盛培.天氣診斷分析方法簡(jiǎn)介[M].北京：氣象出版社，1986.

[3]周軍.天氣學(xué)診斷分析[M].南京：南京信息工程大學(xué)自編教材.

[4]陳磊.關(guān)于地球科學(xué)專(zhuān)業(yè)教材建設(shè)的幾點(diǎn)思考[J].中國(guó)地質(zhì)教育，2003，(3)：34～35.

[5]朱友涵，李拉，陳琳，等.案例教學(xué)實(shí)施現(xiàn)狀的分析與思考[J].南京特教學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，(4)：68～71.

[6]夏成，范春玲，孫斌，等.病例分析在獸醫(yī)內(nèi)科學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用[J].黑龍江生態(tài)工程職業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，22(1)：124～125.

[7]李變蘭，田琳，肖榮，等.案例教學(xué)法的支持系統(tǒng)——案例庫(kù)建設(shè)[J].中國(guó)高等醫(yī)學(xué)教育，2008，(10)：108～109.