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(lái)自地面站、探空站、氣象雷達(dá)、氣象衛(wèi)星等各種觀測(cè)手段的不同類型和格式的資料，Matlab具有強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)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(wèn)題，從教學(xué)目標(biāo)的制定、教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)、教學(xué)方法的選擇對(duì)氣象類Matlab教學(xué)進(jìn)行了探索與思考。使學(xué)生在掌握基本編程能力的同時(shí)，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(shí)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(cè)、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(diǎn)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(shí)也需要通用的分析數(shù)據(jù)和數(shù)值計(jì)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(diǎn)的基礎(chǔ)上，于2011年開(kāi)設(shè)了專門針對(duì)氣象類專業(yè)學(xué)生的Matlab程序設(shè)計(jì)課程《Matlab在氣象中的應(yīng)用》。經(jīng)過(guò)這幾年的教學(xué)實(shí)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(jìn)，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(lái)越多的觀測(cè)手段使得氣象數(shù)據(jù)格式變得更加繁多，如二進(jìn)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(shí)，還需具備處理和應(yīng)用各種氣象資料的實(shí)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(jìn)一步的綜合處理，這對(duì)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(xiě)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(kù)，從而使得讀寫(xiě)和處理各種格式的氣象數(shù)據(jù)變得簡(jiǎn)單。因此在氣象類專業(yè)可以考慮使用具備強(qiáng)大數(shù)值計(jì)算和可視化能力的Matlab軟件實(shí)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(diǎn)和學(xué)生實(shí)踐技能需求，對(duì)氣象類專業(yè)的Matlab程序設(shè)計(jì)課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法進(jìn)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(jì)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(shí)踐課教學(xué)內(nèi)容，在內(nèi)容設(shè)計(jì)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(gè)原則：課程總體要求，學(xué)生實(shí)際以及社會(huì)需要。對(duì)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(cè)、探空、雷達(dá)、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(shí)際需要。另外，隨著氣象業(yè)務(wù)的發(fā)展和氣象部門對(duì)畢業(yè)學(xué)生的社會(huì)需求，教學(xué)目標(biāo)的制定也應(yīng)與時(shí)俱進(jìn)。基于以上三個(gè)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(huì)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(xiě)不同格式的資料、資料的統(tǒng)計(jì)分析以及擬合插值等、氣象圖像的去噪增強(qiáng)等。

（二）教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)

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(shí)現(xiàn)。另外，在內(nèi)容的編排設(shè)計(jì)上還須考慮了Maltab語(yǔ)言自身的基本語(yǔ)法和特點(diǎn)的介紹。以下是教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)的具體方案：（1）理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)的分配。Matlab是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，而相應(yīng)的理論知識(shí)又不能缺少，這樣才能保證學(xué)生既能將學(xué)到的知識(shí)投入應(yīng)用，又能具有一定的深度理解。時(shí)間分配上，理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)可并駕齊驅(qū)。內(nèi)容分配上，理論和實(shí)踐大致對(duì)應(yīng)，但在實(shí)踐教學(xué)的內(nèi)容上，還會(huì)加強(qiáng)理論在專業(yè)資料處理應(yīng)用上的實(shí)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(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化等諸多功能集成在一個(gè)易使用的視窗環(huán)境中，因此其涵蓋內(nèi)容繁多。但對(duì)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(jiǎn)介和語(yǔ)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(diǎn)，主要涵蓋以下四章內(nèi)容：Matlab讀寫(xiě)常規(guī)格式數(shù)據(jù)文件、Matlab讀寫(xiě)通用數(shù)據(jù)格式文件如Netcdf和hdf文件、利用Maltab進(jìn)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(xiě)，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(shí)踐和綜合應(yīng)用實(shí)踐的分配。在實(shí)踐教學(xué)中不僅要考慮基本理論和專業(yè)的實(shí)踐，還要涉及專業(yè)實(shí)踐和綜合應(yīng)用實(shí)踐的分配。例如，一次實(shí)踐課程安排為作圖實(shí)驗(yàn)，即各種作圖練習(xí)和應(yīng)用的專業(yè)實(shí)踐，而在文件處理的實(shí)踐中既要實(shí)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(duì)讀出的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和插值分析，即綜合應(yīng)用實(shí)踐。

（三）教學(xué)方法的選擇

根據(jù)學(xué)生專業(yè)的特點(diǎn)，依據(jù)教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容，對(duì)教學(xué)方法進(jìn)行了探索。（1）理論教學(xué)方法的選擇。理論教學(xué)過(guò)程中除了運(yùn)用常規(guī)課堂的教學(xué)方法如講授法、提問(wèn)法外，還主要考慮了以下三點(diǎn)：理清邏輯關(guān)系、加強(qiáng)實(shí)例的演示、實(shí)例的選擇，結(jié)合專業(yè)的特點(diǎn)。理清邏輯關(guān)系即要建立Matlab理論知識(shí)和氣象類專業(yè)知識(shí)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(shí)點(diǎn)之間的聯(lián)系。將這些聯(lián)系作為經(jīng)緯線，串接起來(lái)講授內(nèi)容，使學(xué)生可以綱舉目張、舉一反三，加深對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解。由于Matlab課程實(shí)踐性很強(qiáng)，因此在Matlab理論教學(xué)中安排了大量的實(shí)例演示，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)展示，讓學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)有了更直觀的了解，并對(duì)實(shí)踐訓(xùn)練有了先驗(yàn)的感性認(rèn)識(shí)。每次課程的每個(gè)知識(shí)點(diǎn)都有2個(gè)左右的實(shí)例，每次課堂教學(xué)都提供了將近20個(gè)實(shí)例，每個(gè)實(shí)例都可以直接拷貝到Matlab軟件中運(yùn)行，從而幫助學(xué)生加強(qiáng)理解和實(shí)踐。除此以外，實(shí)例的選擇還結(jié)合了專業(yè)的特點(diǎn)。例如，在pcolor作圖函數(shù)的講解和演示中利用了天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)，從而通過(guò)代碼的編寫(xiě)和天氣雷達(dá)圖像的顯示，使同學(xué)更好的了解了此函數(shù)的編寫(xiě)以及在專業(yè)知識(shí)中的應(yīng)用。（2）實(shí)踐教學(xué)方法的選擇。實(shí)踐教學(xué)方法主要考慮以下三個(gè)方面：實(shí)踐教案的編寫(xiě)、實(shí)踐習(xí)題的選擇、實(shí)習(xí)報(bào)告的填寫(xiě)。每一次實(shí)踐課程都有一個(gè)完善的實(shí)踐教案，其中包括本次實(shí)驗(yàn)的目的、實(shí)驗(yàn)方案、實(shí)驗(yàn)習(xí)題、實(shí)驗(yàn)結(jié)語(yǔ)。實(shí)驗(yàn)方案將本次實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容進(jìn)行了簡(jiǎn)單的歸納和整理，通過(guò)舉例對(duì)完成本次試驗(yàn)的方法和途徑進(jìn)行了展示，從而方便學(xué)生更好的完成本次實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。對(duì)于實(shí)踐性較強(qiáng)的課程，學(xué)好的主要途徑即是多動(dòng)手。因此，在每一次實(shí)踐課程中都安排大量的相應(yīng)練習(xí)。實(shí)驗(yàn)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(shí)踐教學(xué)中，其中兩道習(xí)題是簡(jiǎn)單的常規(guī)的文本文件讀寫(xiě)，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(huà)出等壓面圖像。每次實(shí)踐課程后都要有一份完整的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，包括實(shí)驗(yàn)習(xí)題的完成情況、本次實(shí)驗(yàn)的感想等。除此以外，教學(xué)過(guò)程中還加強(qiáng)了教學(xué)反饋。首先，在實(shí)驗(yàn)課上，根據(jù)學(xué)生實(shí)踐的實(shí)際情況及時(shí)與其討論和交流，同時(shí)也激勵(lì)學(xué)生主動(dòng)咨詢和提問(wèn)；其次，基于上交的實(shí)習(xí)報(bào)告，把完成情況向?qū)W生反饋，并通過(guò)電話、電子郵件等多種途徑與學(xué)生進(jìn)行討論。

三、 氣象類專業(yè)Matlab課程教學(xué)效果

通過(guò)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(cè)專業(yè)Matlab課程教學(xué)的學(xué)生評(píng)教中，Matlab課程的綜合評(píng)價(jià)為“優(yōu)”，其中評(píng)價(jià)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(cè)專業(yè)大四學(xué)生對(duì)編程語(yǔ)言的掌握程度的調(diào)研中，80%以上的學(xué)生對(duì)Matlab的掌握程度為“掌握”，其他如C語(yǔ)言等編程語(yǔ)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(shí)上的應(yīng)用。通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在2013年大氣探測(cè)專業(yè)的本科畢業(yè)論文設(shè)計(jì)中，有60%以上的學(xué)生均是選擇了把Matlab作為編程工具來(lái)實(shí)現(xiàn)自己的畢業(yè)設(shè)計(jì)。例如，09級(jí)大氣探測(cè)的伍華麗同學(xué)利用Matlab模擬了多普勒天氣雷達(dá)譜參數(shù)的提取以及性能分析，解帥同學(xué)利用Matlab進(jìn)行TRMM衛(wèi)星測(cè)雨雷達(dá)三維降水結(jié)構(gòu)特征的個(gè)例分析。從以上可以看出，基于氣象類專業(yè)的特點(diǎn)，開(kāi)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。

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