《天氣學(xué)診斷分析》課程教學(xué)實踐與嘗試

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)，強降水等極端天氣、氣候事件的頻發(fā)，人們對天氣、氣候愈加關(guān)注，相應(yīng)地對大氣科學(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，加強地球科學(xué)專業(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)專業(yè)課程教學(xué)工作者面前的一項任務(wù)。本文對大氣科學(xué)類專業(yè)課程《天氣學(xué)診斷分析》的特點及近年來該課程的教學(xué)及實習(xí)情況進行了分析總結(jié)，從培養(yǎng)創(chuàng)新型實用性人才的角度出發(fā)，對該課程教學(xué)和實習(xí)中存在的不足及案例教學(xué)法應(yīng)用于教學(xué)實習(xí)的嘗試進行了討論，以期加強學(xué)生實踐動手能力和分析能力，提高該課程的教學(xué)效果。

1 課程特點和內(nèi)容

診斷分析方法是利用各種觀測和再分析資料，結(jié)合相應(yīng)的熱力學(xué)和動力學(xué)方程，對所關(guān)心的物理量或有關(guān)的診斷方程中的各項進行計算，并對天氣演變過程中伴隨的各種物理過程或某一物理過程中起作用的各個方面做出定量的估計和解釋；對揭示和加深大氣運動內(nèi)在規(guī)律的認識是一種有效的手段。通過診斷分析方法，可以對一些典型天氣過程進行定量和定性分析，尋找這一類天氣的共同點及其發(fā)生發(fā)展機制；也可以作為一些大型科學(xué)研究項目的預(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，要求學(xué)生在學(xué)習(xí)本課程前要掌握一定的計算、數(shù)據(jù)處理、繪圖技能以及基本的天氣學(xué)知識。

據(jù)了解，目前國內(nèi)具有大氣科學(xué)專業(yè)的院校大都在本科或研究生階段開設(shè)有該課程，各校課程名稱、講授內(nèi)容和學(xué)時不完全一致，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算(溫濕特征參量、運動學(xué)參量)，流函數(shù)、勢函數(shù)計算，水汽和降水診斷分析，能量學(xué)診斷分析，穩(wěn)定度計算等內(nèi)容。此外，有些學(xué)校還增加了螺旋度，Q矢量等一些新的動力學(xué)參量的計算及其在天氣診斷和研究中的應(yīng)用。

2 課程現(xiàn)狀及存在問題

在我校大氣科學(xué)專業(yè)的教學(xué)計劃中，《天氣學(xué)診斷分析》歷來作為專業(yè)限選或選修課程，被安排在大三下學(xué)期，與《中國天氣》和《天氣分析2》在同一學(xué)期開課。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)報的基本原理和基本方法，掌握了天氣圖分析方法和各項技術(shù)要求，初步掌握了以天氣圖為主的預(yù)報思路，并對主要天氣過程演變具有初步總結(jié)的能力；而《Fortran語言和程序設(shè)計》、《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。

因為本課程是大氣科學(xué)專業(yè)學(xué)生所接觸的第一門將專業(yè)知識與計算機、繪圖等課程融合應(yīng)用，難度又相對較低的課程，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。通過對近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，個別年級達到95%左右)。

隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，地球科學(xué)類各學(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》課程也存在一些問題：首先是開課學(xué)期發(fā)生變動，由原來的大三下學(xué)期提前到大三上學(xué)期，在開設(shè)本課程時，學(xué)生不具備相應(yīng)的專業(yè)知識，導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)了診斷分析方法，并進行教學(xué)實習(xí)后，對所得到的結(jié)果不能結(jié)合天氣學(xué)原理進行有效的分析，使得這門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算公式，具體應(yīng)用的內(nèi)容相對偏少；第三，經(jīng)過幾次教學(xué)計劃的調(diào)整，目前診斷分析課程學(xué)時為32學(xué)時，其中實習(xí)6學(xué)時，學(xué)時偏少，尤其是實習(xí)課時偏少，有些內(nèi)容在教學(xué)中沒有涉及(能量學(xué)診斷分析，水汽和降水診斷分析，穩(wěn)定度計算等等)；從學(xué)生方面看，存在的主要問題是不能將計算機知識與天氣學(xué)知識進行有效的結(jié)合，對定量計算結(jié)果可以畫出圖來但不能很好應(yīng)用天氣學(xué)知識進行分析，對所得到的計算結(jié)果還缺乏正確分析和判斷。

3 采取的措施和嘗試

針對以上問題，如何在很少的課時內(nèi)，通過本課程讓學(xué)生學(xué)會綜合運用所學(xué)知識，將計算編程、繪圖分析作為手段，并結(jié)合專業(yè)知識對具體天氣過程進行診斷分析，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題。為此我們采取了一些措施和嘗試：

(1)及時對教學(xué)計劃進行調(diào)整，將開課學(xué)期調(diào)整回大三下學(xué)期，保證基本專業(yè)知識等前導(dǎo)課程的學(xué)習(xí)；對于暫時未能調(diào)整的年級，在教學(xué)內(nèi)容中及時補充相應(yīng)的專業(yè)知識。

(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)要求的知識載體，是進行教學(xué)的基本工具，是提高教學(xué)質(zhì)量的重要保證[4]。針對目前使用教材的特點及課時少的現(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，在教學(xué)中我們減少了概念和公式講解的課時比重，挑選一些相關(guān)文獻要求學(xué)生閱讀，以此作為對教材內(nèi)容的補充，將具體物理量在業(yè)務(wù)工作和科研中的應(yīng)用通過文獻中的個例進行介紹，并啟發(fā)學(xué)生去思考如何處理數(shù)據(jù)，如何得出文獻中的圖表，對圖表的分析在文獻中是怎樣進行的，從而增強學(xué)生感性認識，提高學(xué)習(xí)興趣，保證教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果。

(3)在目前總課時一定的情況下，課時少這一現(xiàn)狀是很難改變的。針對總課時少，實習(xí)課時少的現(xiàn)狀，我們嘗試在教學(xué)實踐中采取案例教學(xué)法。案例教學(xué)又稱為實例教學(xué)或個案教學(xué)，是指將案例作為教材的一種形式，讓受教育者通過閱讀、思考和分析以及相互間進行討論和爭辯的一種教學(xué)過程[5]。它與傳統(tǒng)教學(xué)方式不同，具有高度的仿真性、能動性和創(chuàng)造性，是一種培養(yǎng)高素質(zhì)、創(chuàng)新型和實用型人才、加強學(xué)生理論聯(lián)系實際的有效教學(xué)方法之一，也是將書本理論知識轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實工作能力的有效途徑，符合《中共中央國務(wù)院關(guān)于深化教育改革全面推進素質(zhì)教育的規(guī)定》中對人才培養(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)過程中。實踐證明，它是一種行之有效的教學(xué)方法[6]。

在采用案例教學(xué)法的過程中，我們挑選了典型的天氣過程個例，通過天氣過程中各種物理量計算和過程的分析，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動性，提高自學(xué)能力，縮短理論與實踐的距離，加深學(xué)生對所學(xué)知識的理解和掌握，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題的能力，從而提高教學(xué)效果。比如目前的實習(xí)內(nèi)容為一次南方氣旋的過程分析，在其中既考慮到了①渦度、散度、垂直速度，渦度平流、溫度平流等的計算，也考慮到學(xué)生正在學(xué)習(xí)《中國天氣》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算和分析內(nèi)容。這樣既符合教材中對動力學(xué)特征參量計算分析的要求，又通過對降水過程中水汽條件的分析補充課教學(xué)內(nèi)容，和中國天氣課程結(jié)合起來。在具體實踐中，將實習(xí)內(nèi)容區(qū)分為兩個層次，對學(xué)習(xí)能力強的學(xué)生建議除了計算①之外，還進行②的計算分析。在實習(xí)前，對實習(xí)內(nèi)容涉及到的專業(yè)知識進行復(fù)習(xí)，對這次南方氣旋過程中系統(tǒng)生消演變及環(huán)流特點進行講解，并提供過程降水量圖給學(xué)生，使得這次天氣過程在學(xué)生眼中更加具體形象，也產(chǎn)生了濃厚的興趣。在實習(xí)中提示學(xué)生所計算的物理量要如何分析，如何將天氣學(xué)知識運用到結(jié)果分析中；并推薦文獻要求閱讀和模仿分析。對學(xué)生在實習(xí)中出現(xiàn)的問題及時給予講解和解決，在實習(xí)結(jié)束后專門留出一課時對要求閱讀的文獻進行講解，引導(dǎo)學(xué)生模仿文獻對實習(xí)結(jié)果進行分析總結(jié)。通過分析課后實習(xí)報告，分析降水條件，使得學(xué)生學(xué)習(xí)興趣大大增加，個別學(xué)生甚至在課程結(jié)束后，在假期中自己主動分析天氣過程，請老師給予批改。

案例教學(xué)法的實施和文獻閱讀相結(jié)合，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣, 調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動性, 提高自學(xué)能力, 縮短理論與實踐的距離, 加深學(xué)生對所學(xué)知識的理解和掌握, 將書本理論知識轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實工作能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和綜合分析、處理問題的能力，提高教學(xué)效果。同時也加強了學(xué)生對科研的參與度和興趣的培養(yǎng)，而對初級科研計算繪圖能力的培養(yǎng)也符合學(xué)生自身發(fā)展和社會需求。

4 今后的工作

通過幾年的摸索和實踐，我們認識到采用案例教學(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)的重點和難點，達到案例教學(xué)的目的。此外所選擇的案例必須典型，具有代表性和實踐性，通過實習(xí)和對結(jié)果分析，啟發(fā)學(xué)生的思維，對學(xué)生今后的科研和工作需求相吻合；在挑選個例的過程中還要注意難度要適中，要把握既能說明教學(xué)的重點和難點，又能達到培養(yǎng)學(xué)生分析問題的能力的尺度[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程個例，分為大型降水、強對流天氣、氣旋發(fā)展等不同類別來充實實習(xí)內(nèi)容，以逐步完善和豐富天氣學(xué)診斷分析教學(xué)和實習(xí)內(nèi)容，建立一套較為完整的天氣學(xué)診斷分析實習(xí)體系，引導(dǎo)學(xué)生綜合運用所學(xué)知識，對典型天氣過程的物理量進行診斷分析，從而定量分析系統(tǒng)的生消演變，切實將所學(xué)知識運用到實踐中，為今后的科研和業(yè)務(wù)工作打下較為堅實的基礎(chǔ)。

案例教學(xué)法是加強學(xué)生理論聯(lián)系實際的有效教學(xué)方法之一，但同時也要注意到在案例教學(xué)法實施過程中教師的引導(dǎo)作用是不可忽視的。這也要求我們在不斷補充、完善和更新案例的同時加強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)專業(yè)教材建設(shè)的幾點思考[J].中國地質(zhì)教育，2003，(3)：34～35.

[5]朱友涵，李拉，陳琳，等.案例教學(xué)實施現(xiàn)狀的分析與思考[J].南京特教學(xué)院學(xué)報，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，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)——案例庫建設(shè)[J].中國高等醫(yī)學(xué)教育，2008，(10)：108～109.