氣象類專業(yè)Matlab課程教學(xué)探索與思考

寇蕾蕾

【摘 要】氣象類專業(yè)學(xué)生需要處理來自地面站、探空站、氣象雷達、氣象衛(wèi)星等各種觀測手段的不同類型和格式的資料，Matlab具有強大的數(shù)值計算和可視化顯示功能，使得處理和分析各種氣象資料變得方便和快捷。本文介紹了氣象類專業(yè)Matlab課程教學(xué)工作的相關(guān)問題，從教學(xué)目標(biāo)的制定、教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計、教學(xué)方法的選擇對氣象類Matlab教學(xué)進行了探索與思考。使學(xué)生在掌握基本編程能力的同時，能深入理解專業(yè)課程內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生理論結(jié)合實踐、綜合分析和應(yīng)用氣象資料的能力。

【關(guān)鍵詞】氣象類專業(yè) Matlab 氣象資料應(yīng)用

氣象類專業(yè)包含大氣科學(xué)、大氣物理、大氣探測、應(yīng)用氣象等各類與氣象有關(guān)的專業(yè)學(xué)科。不同專業(yè)的培養(yǎng)要求不盡相同，但氣象類專業(yè)的共通特點即是要處理和應(yīng)用各類氣象資料。處理和應(yīng)用各類氣象資料需要專業(yè)的讀取和顯示資料的能力，同時也需要通用的分析數(shù)據(jù)和數(shù)值計算的能力。我校根據(jù)學(xué)校的專業(yè)特色及學(xué)生技能需求，在縱觀各種編程軟件和繪圖軟件優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上，于2011年開設(shè)了專門針對氣象類專業(yè)學(xué)生的Matlab程序設(shè)計課程《Matlab在氣象中的應(yīng)用》。經(jīng)過這幾年的教學(xué)實踐，在教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法上做出了一系列的探索和改進，有效提高了課程教學(xué)的質(zhì)量，培養(yǎng)了學(xué)生分析和處理專業(yè)資料的能力。

一、氣象類專業(yè)Matlab教學(xué)的意義

隨著氣象業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展，越來越多的觀測手段使得氣象數(shù)據(jù)格式變得更加繁多，如二進制、文本（txt）格式、表格（Excel）格式文件，以及hdf、Grib、Netcdf等通用數(shù)據(jù)格式文件。氣象類專業(yè)學(xué)生不僅需要掌握各種專業(yè)理論基礎(chǔ)知識，還需具備處理和應(yīng)用各種氣象資料的實踐能力。而氣象資料的應(yīng)用包括將氣象數(shù)據(jù)讀取、分析以及更進一步的綜合處理，這對使用者提出了較高的要求。Matlab軟件包含豐富的工具箱與模塊集，不僅有常規(guī)的讀寫文件的能力，還有與專業(yè)數(shù)據(jù)格式相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，從而使得讀寫和處理各種格式的氣象數(shù)據(jù)變得簡單。因此在氣象類專業(yè)可以考慮使用具備強大數(shù)值計算和可視化能力的Matlab軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)提取分析以及可視化輸出。

二、氣象類專業(yè)Matlab教學(xué)探索

結(jié)合氣象類專業(yè)課程特點和學(xué)生實踐技能需求，對氣象類專業(yè)的Matlab程序設(shè)計課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法進行了探索和拓展，并取得了良好的教學(xué)效果。以下列出了課程設(shè)計方面的一些主要內(nèi)容，供理工類應(yīng)用型課程的教學(xué)建設(shè)參考。

（一）教學(xué)目標(biāo)的制定

為了更好地安排理論課和實踐課教學(xué)內(nèi)容，在內(nèi)容設(shè)計前先制定教學(xué)目標(biāo)。教學(xué)目標(biāo)的制定主要依據(jù)如下三個原則：課程總體要求，學(xué)生實際以及社會需要。對于氣象類專業(yè)學(xué)生，專業(yè)課中所涉及的氣象資料主要包含地面觀測、探空、雷達、和衛(wèi)星資料，因此教學(xué)目標(biāo)的制定須聯(lián)系學(xué)生所學(xué)專業(yè)課的實際需要。另外，隨著氣象業(yè)務(wù)的發(fā)展和氣象部門對畢業(yè)學(xué)生的社會需求，教學(xué)目標(biāo)的制定也應(yīng)與時俱進?；谝陨先齻€原則，Matlab教學(xué)目標(biāo)主要分為兩大類：一類是掌握Matlab編程的基本理論和技巧，另一類是學(xué)會利用Matlab處理各類氣象資料。具體每次課程的教學(xué)目標(biāo)制定又融合于每次課程的教學(xué)內(nèi)容中。如利用Matlab處理氣象資料又分為讀寫不同格式的資料、資料的統(tǒng)計分析以及擬合插值等、氣象圖像的去噪增強等。

（二）教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計

Matlab在氣象中的應(yīng)用主要包含四大模塊：氣象數(shù)據(jù)處理，圖形繪制，數(shù)據(jù)分析，圖像處理。Matlab課程主要內(nèi)容之一是這四大模塊內(nèi)容的應(yīng)用和實現(xiàn)。另外，在內(nèi)容的編排設(shè)計上還須考慮了Maltab語言自身的基本語法和特點的介紹。以下是教學(xué)內(nèi)容設(shè)計的具體方案：（1）理論教學(xué)和實踐教學(xué)的分配。Matlab是一門實踐性很強的課程，而相應(yīng)的理論知識又不能缺少，這樣才能保證學(xué)生既能將學(xué)到的知識投入應(yīng)用，又能具有一定的深度理解。時間分配上，理論教學(xué)和實踐教學(xué)可并駕齊驅(qū)。內(nèi)容分配上，理論和實踐大致對應(yīng)，但在實踐教學(xué)的內(nèi)容上，還會加強理論在專業(yè)資料處理應(yīng)用上的實踐。（2）基本原理和專業(yè)應(yīng)用教學(xué)的分配。Matlab將數(shù)值分析、矩陣計算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化等諸多功能集成在一個易使用的視窗環(huán)境中，因此其涵蓋內(nèi)容繁多。但對于氣象類專業(yè)學(xué)生，其主要目標(biāo)是各類氣象資料的處理應(yīng)用，因此在基本理論課程上主要涵蓋三章內(nèi)容即可：Matlab簡介和語法、Matlab矩陣創(chuàng)建和處理、Matlab圖形繪制。而專業(yè)應(yīng)用則結(jié)合了氣象專業(yè)的課程目標(biāo)和特點，主要涵蓋以下四章內(nèi)容：Matlab讀寫常規(guī)格式數(shù)據(jù)文件、Matlab讀寫通用數(shù)據(jù)格式文件如Netcdf和hdf文件、利用Maltab進行數(shù)據(jù)分析、氣象圖像處理。其中前兩章是關(guān)于氣象資料的讀寫，后兩章是關(guān)于氣象資料的分析處理和應(yīng)用。（3）專業(yè)實踐和綜合應(yīng)用實踐的分配。在實踐教學(xué)中不僅要考慮基本理論和專業(yè)的實踐，還要涉及專業(yè)實踐和綜合應(yīng)用實踐的分配。例如，一次實踐課程安排為作圖實驗，即各種作圖練習(xí)和應(yīng)用的專業(yè)實踐，而在文件處理的實踐中既要實現(xiàn)氣象數(shù)據(jù)的讀取，也要以作圖的形式將結(jié)果顯示，還要對讀出的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和插值分析，即綜合應(yīng)用實踐。

（三）教學(xué)方法的選擇

根據(jù)學(xué)生專業(yè)的特點，依據(jù)教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容，對教學(xué)方法進行了探索。（1）理論教學(xué)方法的選擇。理論教學(xué)過程中除了運用常規(guī)課堂的教學(xué)方法如講授法、提問法外，還主要考慮了以下三點：理清邏輯關(guān)系、加強實例的演示、實例的選擇，結(jié)合專業(yè)的特點。理清邏輯關(guān)系即要建立Matlab理論知識和氣象類專業(yè)知識的聯(lián)系，本課程內(nèi)各章節(jié)之間的聯(lián)系，每章內(nèi)各知識點之間的聯(lián)系。將這些聯(lián)系作為經(jīng)緯線，串接起來講授內(nèi)容，使學(xué)生可以綱舉目張、舉一反三，加深對知識點的理解。由于Matlab課程實踐性很強，因此在Matlab理論教學(xué)中安排了大量的實例演示，通過現(xiàn)場展示，讓學(xué)生對知識點有了更直觀的了解，并對實踐訓(xùn)練有了先驗的感性認識。每次課程的每個知識點都有2個左右的實例，每次課堂教學(xué)都提供了將近20個實例，每個實例都可以直接拷貝到Matlab軟件中運行，從而幫助學(xué)生加強理解和實踐。除此以外，實例的選擇還結(jié)合了專業(yè)的特點。例如，在pcolor作圖函數(shù)的講解和演示中利用了天氣雷達數(shù)據(jù)，從而通過代碼的編寫和天氣雷達圖像的顯示，使同學(xué)更好的了解了此函數(shù)的編寫以及在專業(yè)知識中的應(yīng)用。（2）實踐教學(xué)方法的選擇。實踐教學(xué)方法主要考慮以下三個方面：實踐教案的編寫、實踐習(xí)題的選擇、實習(xí)報告的填寫。每一次實踐課程都有一個完善的實踐教案，其中包括本次實驗的目的、實驗方案、實驗習(xí)題、實驗結(jié)語。實驗方案將本次實驗課程內(nèi)容進行了簡單的歸納和整理，通過舉例對完成本次試驗的方法和途徑進行了展示，從而方便學(xué)生更好的完成本次實驗內(nèi)容。對于實踐性較強的課程，學(xué)好的主要途徑即是多動手。因此，在每一次實踐課程中都安排大量的相應(yīng)練習(xí)。實驗習(xí)題的選擇主要考慮了基本理論的練習(xí)和專業(yè)技能的練習(xí)。如Matlab文件處理這一章的實踐教學(xué)中，其中兩道習(xí)題是簡單的常規(guī)的文本文件讀寫，其他習(xí)題則處理專業(yè)氣象資料，如利用Matlab讀取2012年6月NCEP資料中的氣壓數(shù)據(jù)，并畫出等壓面圖像。每次實踐課程后都要有一份完整的實驗報告，包括實驗習(xí)題的完成情況、本次實驗的感想等。除此以外，教學(xué)過程中還加強了教學(xué)反饋。首先，在實驗課上，根據(jù)學(xué)生實踐的實際情況及時與其討論和交流，同時也激勵學(xué)生主動咨詢和提問；其次，基于上交的實習(xí)報告，把完成情況向?qū)W生反饋，并通過電話、電子郵件等多種途徑與學(xué)生進行討論。endprint

三、 氣象類專業(yè)Matlab課程教學(xué)效果

通過上述探索，氣象類專業(yè)的Matlab課程《Matlab在氣象上的應(yīng)用》取得了良好的教學(xué)效果。在2012～2013第一學(xué)期的大氣探測專業(yè)Matlab課程教學(xué)的學(xué)生評教中，Matlab課程的綜合評價為“優(yōu)”，其中評價內(nèi)容包括教學(xué)態(tài)度、教學(xué)方法、教學(xué)管理、教學(xué)效果等。另外，在最近一次大氣探測專業(yè)大四學(xué)生對編程語言的掌握程度的調(diào)研中，80%以上的學(xué)生對Matlab的掌握程度為“掌握”，其他如C語言等編程語言的主要掌握程度為“了解”或“不熟”。除了編程技巧的掌握，我們更關(guān)注Matlab在氣象專業(yè)知識上的應(yīng)用。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在2013年大氣探測專業(yè)的本科畢業(yè)論文設(shè)計中，有60%以上的學(xué)生均是選擇了把Matlab作為編程工具來實現(xiàn)自己的畢業(yè)設(shè)計。例如，09級大氣探測的伍華麗同學(xué)利用Matlab模擬了多普勒天氣雷達譜參數(shù)的提取以及性能分析，解帥同學(xué)利用Matlab進行TRMM衛(wèi)星測雨雷達三維降水結(jié)構(gòu)特征的個例分析。從以上可以看出，基于氣象類專業(yè)的特點，開設(shè)專門的Matlab課程是非常有意義的，Matlab在氣象數(shù)據(jù)模擬分析、氣象資料處理和可視化顯示中均得到了很好的應(yīng)用。

【參考文獻】

[1]Frederick K. Lutgens， Edward J. Tarbuck， Dennis G. Tasa. The atmosphere： An introduction to Meteorology[M]. Prentice Hall， 2010.

[2]周建興. Matlab從入門到精通[M]. 人民郵電出版社， 2012.

[3]Ma Li， Jiang Zhihong， Li Hao， Wu Dan. The combination of Java with Matlab apply to meteorology[C]. International Forum on Information Technology and Applications， 2009（3）：392-395.

[4]楊雪梅. Matlab應(yīng)用于信息與計算科學(xué)專業(yè)教學(xué)的實踐與體會[J]. 教學(xué)研究， 2010， 33（5）： 49-52.

[5]常勝， 黃啟俊. 融合專業(yè)主干課程的教學(xué)改革——電子類專業(yè)Matlab教學(xué)探索[J]. 教育教學(xué)論壇， 2013（22）：32-33.endprint