《大氣邊界層物理學(xué)》課程教學(xué)的幾點(diǎn)思考

王詠薇 朱 彬

(南京信息工程大學(xué) 大氣物理學(xué)院，南京 210044)

大氣邊界層指離地面1～2km范圍的大氣層最底下的一個(gè)薄層，它是大氣與地球表面直接發(fā)生相互作用的層次，與天氣、氣候以及大氣環(huán)境研究有非常密切的關(guān)系。由于人類的生命和工程活動(dòng)絕大多數(shù)都是發(fā)生在這一層次內(nèi)，所以大氣邊界層的研究又與工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、交通以及城市規(guī)劃和生態(tài)環(huán)境保護(hù)等緊密相關(guān)。

《大氣邊界層物理學(xué)》課程為大氣科學(xué)各專業(yè)本科及研究生的學(xué)科基礎(chǔ)課，同時(shí)可作環(huán)境科學(xué)、海洋科學(xué)和應(yīng)用力學(xué)等專業(yè)研究生選修課。該課程針對(duì)不同學(xué)科背景交叉的研究生，重點(diǎn)介紹大氣邊界層物理最基本的內(nèi)容，包括大氣邊界層的特征，描述大氣邊界層的主要數(shù)學(xué)物理工具，大氣湍流理論，大氣邊界層的半經(jīng)驗(yàn)相似理論、數(shù)值模擬、大氣污染擴(kuò)散以及大氣邊界層探測的原理和方法等。

筆者根據(jù)近幾年在本科和研究生課程教學(xué)過程中的經(jīng)驗(yàn)及認(rèn)識(shí)體會(huì),分析和探討當(dāng)前課程狀況以及亟需進(jìn)行的教學(xué)改革工作，以期提高該課程的教學(xué)質(zhì)量。

1 課程內(nèi)容及課程設(shè)計(jì)

對(duì)于本科生，該課程內(nèi)容設(shè)計(jì)為通過課程學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握大氣邊界層物理的基本概念、基本理論、基本的研究方法，為將來從事天氣、氣候、大氣環(huán)境等相關(guān)領(lǐng)域的業(yè)務(wù)及研究工作打下基礎(chǔ)。而對(duì)于研究生，在基本知識(shí)已經(jīng)掌握的基礎(chǔ)上，還應(yīng)針對(duì)天氣、氣候、空氣污染、環(huán)境工程、生態(tài)環(huán)境等學(xué)生不同學(xué)科背景交叉的狀況，重點(diǎn)對(duì)大氣邊界層研究方法、相關(guān)進(jìn)展、目前存在的難以攻克的問題等展開講解，為學(xué)生能夠從事相關(guān)研究提供良好的知識(shí)平臺(tái)。

大氣邊界層的基本研究方法通常是采用理論和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，并以實(shí)驗(yàn)為主。理論上有以混合長理論和相似理論(量綱分析)為基礎(chǔ)的半經(jīng)驗(yàn)理論及以概率論數(shù)理統(tǒng)計(jì)為基礎(chǔ)的湍流統(tǒng)計(jì)理論，在應(yīng)用中又以半經(jīng)驗(yàn)理論為主。實(shí)驗(yàn)方法則是以野外觀測及室內(nèi)模型實(shí)驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行。同時(shí)，近幾十年來，由于計(jì)算機(jī)速度的不斷提高，大氣邊界層的數(shù)值模擬研究方法成為一種常用的研究手段。

因此，該課程的特色應(yīng)在于理論教學(xué)與野外觀測及上機(jī)實(shí)習(xí)等實(shí)踐課程并重，即在本科教學(xué)過程中除了應(yīng)注重大氣邊界層理論教學(xué)外，進(jìn)行相應(yīng)的大氣邊界層探測實(shí)踐，使學(xué)生掌握觀測試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析的方法也是該門課程的關(guān)鍵。此外，對(duì)于研究生，還應(yīng)加設(shè)一定課時(shí)的邊界層數(shù)值模擬上機(jī)實(shí)踐課程。即本科生課程設(shè)計(jì)主要包括基礎(chǔ)概念與基礎(chǔ)理論的學(xué)習(xí)，以及大氣邊界層平均場湍流場的觀測實(shí)踐、上機(jī)數(shù)據(jù)分析實(shí)踐等環(huán)節(jié)。而碩士研究生本身具有基本概念和理論的基礎(chǔ)，因此課程內(nèi)容主要包括進(jìn)一步的基本理論的學(xué)習(xí)、大氣邊界層平均場湍流場的觀測實(shí)踐、數(shù)據(jù)分析上機(jī)實(shí)踐環(huán)節(jié)以及大氣邊界層數(shù)值模擬環(huán)節(jié)。

當(dāng)前，本科與碩士研究生教學(xué)都偏重于基礎(chǔ)概念及理論的教學(xué)，相應(yīng)的實(shí)踐環(huán)節(jié)還需從教學(xué)大綱、教學(xué)內(nèi)容、相關(guān)教材等方面進(jìn)行全面的改進(jìn)。

2 講義及教材編著

國內(nèi)《大氣邊界層物理學(xué)》教學(xué)可選的參考書主要包括《邊界層氣象學(xué)導(dǎo)論》[1]、《邊界層氣象學(xué)教程》[2]、《邊界層氣象學(xué)基礎(chǔ)》[3]、《大氣邊界層動(dòng)力學(xué)》[4]等。

以上參考書中，《邊界層氣象學(xué)導(dǎo)論》[1]較為系統(tǒng)全面地闡述了早期大氣邊界層基本理論、觀測手段、數(shù)值模擬等內(nèi)容，概念清晰、推導(dǎo)嚴(yán)謹(jǐn)、由淺入深，并且包括相當(dāng)數(shù)量的習(xí)題，是大氣邊界層入門學(xué)習(xí)的最佳教材，然而該書相對(duì)較為全面寬泛，內(nèi)容較多，并且已絕版?！哆吔鐚託庀髮W(xué)教程》[2]與《邊界層氣象學(xué)基礎(chǔ)》[3]兩本書內(nèi)容相對(duì)集中、系統(tǒng)，適合大氣科學(xué)類本科生教學(xué)，但是同樣已絕版，無法作為理論課教材。趙鳴等2006年新版的《大氣邊界層動(dòng)力學(xué)》[4]可購買，但是該書偏重邊界層動(dòng)力學(xué)方面，內(nèi)容艱深，適合研究生教學(xué)。

同時(shí)，隨著數(shù)理科學(xué)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)及探測技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前大氣邊界層研究有了長足的進(jìn)展，一些新的較為成熟的理論需編納進(jìn)入新的教材。

目前本科生課程教學(xué)并無教材可用。同時(shí)，大氣邊界層物理實(shí)踐課程，無論本科生及研究生都無合適的教材可選。因此，從最初的講義入手編著本科生理論教學(xué)教材以及相應(yīng)實(shí)踐課程教材的工作亟待開展。

3 教學(xué)方法與手段

《大氣邊界層物理學(xué)》課程內(nèi)容既包括邊界層基礎(chǔ)概念，例如湍流通量、雷諾應(yīng)力、湍流基本概念等，又包括邊界層動(dòng)力學(xué)控制方程組，并且加以有混合長理論和相似理論(量綱分析)為基礎(chǔ)的半經(jīng)驗(yàn)理論及以概率論數(shù)理統(tǒng)計(jì)為基礎(chǔ)的湍流統(tǒng)計(jì)理論等，內(nèi)容較為繁雜艱深，難以理解，且內(nèi)容相對(duì)枯燥，因此在課程講解時(shí)，教學(xué)方法與手段顯得尤為重要。應(yīng)采取整體性、綜合性、動(dòng)態(tài)性、應(yīng)用性、全體性和啟發(fā)性的原則[5],對(duì)十分繁雜的教學(xué)內(nèi)容和有限的教學(xué)時(shí)數(shù)，要先進(jìn)行分析，列出哪些內(nèi)容必須要在課堂上詳細(xì)講解，哪些內(nèi)容可以通過學(xué)生自學(xué)完成，哪些內(nèi)容通過學(xué)生查閱參考文獻(xiàn)獲得知識(shí)，再采用課堂答疑的方式講解，讓學(xué)生自己進(jìn)行綜合歸納，這樣就摒棄了過去所有的章節(jié)都在課堂上詳細(xì)講解的方法，在有限的教學(xué)時(shí)間內(nèi)極大地豐富了教學(xué)內(nèi)容，將十分復(fù)雜的教學(xué)內(nèi)容分出了層次，同時(shí)也鍛煉了學(xué)生獨(dú)立自主的學(xué)習(xí)能力。

針對(duì)少數(shù)學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)主動(dòng)性的情況，采用了設(shè)疑、課堂討論、專題辯論、階段小測驗(yàn)等方法活躍課堂氣氛。通過實(shí)踐,在這幾種方法中,課堂討論和專題辯論最能調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性。因?yàn)闉榱送瓿赡晨茖W(xué)問題的討論，學(xué)生要去準(zhǔn)備相關(guān)的資料，不僅要去圖書館查閱相關(guān)文獻(xiàn),還要寫成講稿，在查閱、整理資料過程中，學(xué)生就認(rèn)真主動(dòng)地進(jìn)入課程學(xué)習(xí)，在一定程度上避免了學(xué)生因其他因素造成對(duì)課程學(xué)習(xí)的消極和懈怠，調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

在課程內(nèi)容講解的過程中，加入一些時(shí)事熱點(diǎn)以及教師現(xiàn)有研究內(nèi)容、研究經(jīng)歷。例如,在講授采用位溫垂直廓線的演變分析高壓大陸邊界層結(jié)構(gòu)的演變過程中，講解完基本變化，輔以教師本人關(guān)于應(yīng)用位溫廓線分析隨著城市發(fā)展，邊界層結(jié)構(gòu)變化的相關(guān)成果，使學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容增加興趣，并且更好地掌握。

4 科學(xué)研究及氣象業(yè)務(wù)發(fā)展對(duì)該課程的要求

大氣邊界層的研究與天氣預(yù)報(bào)、氣候預(yù)測以及大氣物理研究有非常密切的關(guān)系。由于人類的生命活動(dòng)幾乎都是發(fā)生在這一層次內(nèi)，所以大氣邊界層的研究又與工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境保護(hù)等緊密相關(guān)。近年來，由于大量與大氣運(yùn)動(dòng)有關(guān)的實(shí)際問題日益受到重視，國內(nèi)外許多非氣象領(lǐng)域的科學(xué)工作者，尤其是力學(xué)工作者，也對(duì)大氣邊界層研究產(chǎn)生了興趣，與此相關(guān)的有工程氣象學(xué)、工業(yè)空氣動(dòng)力學(xué)、環(huán)境流體力學(xué)等新的交叉學(xué)科。人們?cè)诮鉀Q航空安全保障、高層建筑物設(shè)計(jì)、風(fēng)能利用以及空氣污染防治等問題的過程中，都需要對(duì)大氣邊界層的結(jié)構(gòu)特征有深入的了解。

人為活動(dòng)對(duì)氣候變化的影響已是不爭的事實(shí)。而人類活動(dòng)對(duì)天氣氣候的影響首先以大氣邊界層作為輸送通道。隨著人為活動(dòng)的增加，地球表面城市不透水地面的增多，建筑物的增高增密，綠地及莊稼植被相應(yīng)減少，人為排放熱量的增加，工廠、交通污染物排放的增加等等，這些因素都對(duì)天氣氣候的變化造成影響。但是影響機(jī)理如何，影響程度如何等等這些科學(xué)問題的解決都需首先對(duì)大氣邊界層的湍流輸送等問題進(jìn)行研究。從風(fēng)工程、核電工程、以及如何利用風(fēng)能、太陽能等自然綠色能源角度，也需要準(zhǔn)確地把握大氣邊界層的風(fēng)、溫度、輻射等基本場的變化。

隨著數(shù)理科學(xué)的發(fā)展，以及計(jì)算機(jī)和探測技術(shù)的發(fā)展，我們擁有更多的理論或者探測工具對(duì)大氣邊界層的波、渦、湍流、擴(kuò)散等復(fù)雜運(yùn)動(dòng)進(jìn)行研究，這些學(xué)科及技術(shù)的發(fā)展極大地促進(jìn)了大氣邊界層學(xué)科的進(jìn)展。要想更好地進(jìn)行大氣邊界層課程的教授，為相關(guān)研究提供基礎(chǔ)，就需要掌握當(dāng)前新技術(shù)、科學(xué)發(fā)展對(duì)本學(xué)科的新貢獻(xiàn)、新進(jìn)展，而不是根據(jù)老的教材照本宣科。

同時(shí)，科學(xué)研究及氣象業(yè)務(wù)發(fā)展要求高校教師在教學(xué)工作中，要不斷提高自身教學(xué)能力和水平，不斷用最新的科研成果充實(shí)自己的知識(shí)結(jié)構(gòu)。這就要求教師要進(jìn)行科研工作[6]。通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)研究工作，教師的認(rèn)識(shí)水平和解決科學(xué)問題的能力有了提高，從而有助于提高在相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。例如，在講授大氣邊界層結(jié)構(gòu)變化時(shí),可以結(jié)合科研成果，針對(duì)不同下墊面邊界層結(jié)構(gòu)的日變化進(jìn)行討論，并對(duì)人們生活中夜間穩(wěn)定邊界層結(jié)構(gòu)下污染濃度劇增的危害進(jìn)行分析說明，使學(xué)生用課本知識(shí)解釋日常生活中遇到的問題，提高對(duì)相關(guān)教學(xué)內(nèi)容的理解。

5 結(jié)語

(1)當(dāng)前《大氣邊界層物理學(xué)》課程內(nèi)容應(yīng)根據(jù)不同學(xué)科背景、不同專業(yè)方向的特點(diǎn)和課程體系中相關(guān)課程內(nèi)容的銜接進(jìn)行科學(xué)選擇，以達(dá)到知識(shí)點(diǎn)覆蓋全面,各專業(yè)課程之間內(nèi)容互補(bǔ)的要求。當(dāng)前課程內(nèi)容實(shí)踐教學(xué)部分不完善，且無合適教材可用。本科課程重點(diǎn)在基礎(chǔ)理論，基于本課程特色，需進(jìn)行實(shí)踐課程的設(shè)計(jì)。研究生學(xué)習(xí)需注重邊界層研究進(jìn)展的闡述。

(2)該門課程內(nèi)容艱深，理論枯燥，應(yīng)針對(duì)課程的教學(xué)特點(diǎn)，在教學(xué)手段、課件制作、課堂教學(xué)方法上不斷創(chuàng)新，選擇適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)方式和方法，不斷提高教學(xué)效果。

(3)當(dāng)前科學(xué)研究及氣象業(yè)務(wù)發(fā)展對(duì)該課程提出了更高的要求，專業(yè)課程教學(xué)應(yīng)和相關(guān)科學(xué)研究活動(dòng)緊密結(jié)合，教師需要通過科研活動(dòng)不斷提高自身教學(xué)水平，并使科研工作很好地服務(wù)于教學(xué)。

[1][美]R.B.Stull.邊界層氣象學(xué)導(dǎo)論[M].楊長新,趙鳴，等，譯.北京:氣象出版社,1991.

[2]趙鳴.邊界層氣象學(xué)教程[M].北京:氣象出版社,1991.

[3]蔣維楣.邊界層氣象學(xué)基礎(chǔ)[M].南京:南京大學(xué)出版社,1994.

[4]趙鳴.大氣邊界層動(dòng)力學(xué)[M].北京:高等教育出版社，2006.

[5]張英彥.更新知識(shí)觀念改革高校教學(xué)[J].中國高教研究,2006，(2):70～71.

[6]汪志勇,胡祥余,張祖德.高校教學(xué)與科研關(guān)系之討論[J].教育與現(xiàn)代化,2002，(2):12～14.