基于“做中學(xué)”理念的云降水物理學(xué)實(shí)踐教學(xué)改革研究

王 靜，朱 彬，華興夏，銀 燕，楊 軍，陳愛軍

(南京信息工程大學(xué) 大氣科學(xué)與環(huán)境氣象實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，江蘇 南京 210044)

云降水物理學(xué)是大氣科學(xué)中最為重要的分支學(xué)科之一，具有很強(qiáng)的實(shí)踐性。該門課程是南京信息工程大學(xué)大氣科學(xué)本科專業(yè)的核心課程，特色在于理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)并重，實(shí)踐教學(xué)在課程教學(xué)中具有不可替代的作用。2007年“云降水物理學(xué)”被列入中國氣象局與南京信息工程大學(xué)局校共建精品課程項(xiàng)目；2008年“云降水物理學(xué)”獲江蘇省精品課程；2011年正式出版普通高等教育“十一五”國家級(jí)規(guī)劃教材——云降水物理學(xué)。在2012年國務(wù)院學(xué)位辦學(xué)科評(píng)估中，南京信息工程大學(xué)大氣科學(xué)專業(yè)排名全國第一。

1 人才培養(yǎng)目標(biāo)

利用優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)與改革，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性的思維方式、理論聯(lián)系實(shí)際的作風(fēng)、嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度和獨(dú)立動(dòng)手的工作能力都具有重要的作用[1]。傳統(tǒng)的本科教學(xué)課程的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)相對(duì)薄弱，單一化、灌輸性的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式很難調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性和發(fā)揮創(chuàng)造性。因此，亟需研究和探討該課程實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的改革，培養(yǎng)學(xué)生掌握和利用新技術(shù)處理實(shí)際問題的能力，以適應(yīng)21世紀(jì)氣象科學(xué)發(fā)展和人才培養(yǎng)的要求[2]。基于以上原因，我們以學(xué)科為依托，以改革創(chuàng)新為核心，推進(jìn)了學(xué)科建設(shè)與人才培養(yǎng)相結(jié)合、教學(xué)與科研相結(jié)合，提出了以杜威(John Dewey)的“做中學(xué)”(learning by doing)理念[3]為指導(dǎo)的新的教學(xué)方法和模式，改革了現(xiàn)有的教學(xué)內(nèi)容和方法，在2008—2012級(jí)本科生教學(xué)中進(jìn)行試點(diǎn)，取得了顯著的課堂教學(xué)成效。

2 “做中學(xué)”理念的內(nèi)涵

“做中學(xué)”是美國著名哲學(xué)家、教育學(xué)家和心理學(xué)家杜威提出的一種學(xué)習(xí)方法，同時(shí)也是聯(lián)合國教科文組織產(chǎn)學(xué)合作教席提出的實(shí)踐教育改革的三大戰(zhàn)略之一[4]。杜威以“教育即生活”、“教育即生長(zhǎng)”、“教育即經(jīng)驗(yàn)的改造”為依據(jù)，對(duì)知與行的關(guān)系進(jìn)行了論述，提出了“做中學(xué)”理論，其實(shí)質(zhì)就是要加強(qiáng)學(xué)生實(shí)際操作能力、探究和解決問題能力、從事和適應(yīng)實(shí)際工作能力的培養(yǎng)。他主張學(xué)生親歷探究過程，建立與真實(shí)世界的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)學(xué)生從一個(gè)被動(dòng)的觀察者到一個(gè)積極的實(shí)踐者的轉(zhuǎn)化，學(xué)生通過自己的活動(dòng)逐步形成對(duì)世界的認(rèn)識(shí)，充分體現(xiàn)學(xué)與做的結(jié)合。

杜威認(rèn)為人類獲得解決問題的探究能力才是最重要的，而這種能力的培養(yǎng)應(yīng)該通過科學(xué)方法的訓(xùn)練來獲得。同時(shí)他認(rèn)為教學(xué)活動(dòng)的要素與科學(xué)思維的要素應(yīng)當(dāng)相同。并由此提出了相應(yīng)的“思維五步”或“問題五步”教學(xué)[5]方法(見圖1)：第一，學(xué)生要有一個(gè)真實(shí)的實(shí)驗(yàn)情境，要有一個(gè)對(duì)活動(dòng)本身感興趣的連續(xù)的活動(dòng)，即要有一個(gè)能實(shí)現(xiàn)“做”的情境；第二，在這個(gè)情境內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)真實(shí)的問題，并作為思維的刺激物，即要有一個(gè)可“做”的內(nèi)容；第三，學(xué)生要占有知識(shí)資料，從事必要的觀察以對(duì)付這個(gè)問題，即要有一個(gè)實(shí)現(xiàn)“做”的必要支撐；第四，學(xué)生必須一步一步地展開他所想出的解決問題的方法，即要有一個(gè)完整的“做”的過程；第五，他要有機(jī)會(huì)通過實(shí)踐來檢驗(yàn)他的想法，使這些想法意義明確，并且自己去發(fā)現(xiàn)它們是否有效，即有一個(gè)針對(duì)“做”的結(jié)果的檢驗(yàn)(見圖1)。這里的“五步”教學(xué)法表面上看完全是一個(gè)學(xué)生“做”的過程，但在“做”的過程中卻是對(duì)“學(xué)”的積累。

圖1 “思維五步”教學(xué)法示意圖

3 教學(xué)模式改革

研究云降水物理從認(rèn)識(shí)論的角度可劃分為3個(gè)層次、5類方法：(1)感性認(rèn)識(shí)，即觀測(cè)或探測(cè)方法；(2)理性認(rèn)識(shí)，即理化實(shí)驗(yàn)方法、理化模擬方法和數(shù)值模擬方法；(3)自然過程人為干擾，即人工影響天氣方法[6]。按照我?！昂窕A(chǔ)、強(qiáng)實(shí)踐、重創(chuàng)新”人才培養(yǎng)的要求[7]，從人才培養(yǎng)體系出發(fā)，以培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力為核心，初步建立了以“做中學(xué)”為理念的探究式學(xué)習(xí)模式，教學(xué)模式的改革遵循學(xué)生實(shí)踐知識(shí)和能力提升的培養(yǎng)規(guī)律，將課程實(shí)踐教學(xué)分為認(rèn)知、求證、應(yīng)用、探究4個(gè)層次，培養(yǎng)了相應(yīng)的實(shí)踐知識(shí)和能力。“認(rèn)知”主要加強(qiáng)學(xué)生基本實(shí)踐理論知識(shí)和技能的掌握；“求證”強(qiáng)化學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)的綜合理解和操作；“應(yīng)用”著重鍛煉學(xué)生實(shí)際的業(yè)務(wù)技能；“探究”激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)新技術(shù)和新手段的興趣，拓展學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力。

針對(duì)云降水物理與人工影響天氣業(yè)務(wù)的發(fā)展需要和學(xué)生知識(shí)能力素質(zhì)的培養(yǎng)過程，在借鑒案例教學(xué)、漸進(jìn)式教學(xué)、互動(dòng)式教學(xué)、啟發(fā)式教學(xué)等方法的基礎(chǔ)上，創(chuàng)立了特色的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，即實(shí)訓(xùn)教學(xué)法和科研教學(xué)雙向融合法。

3.1 實(shí)訓(xùn)教學(xué)法

依托南京信息工程大學(xué)國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心——大氣科學(xué)與環(huán)境氣象實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心和中國氣象局氣溶膠與云降水重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，以及校外實(shí)踐基地，從云降水物理室內(nèi)實(shí)驗(yàn)、外場(chǎng)試驗(yàn)、分析處理、模擬研究、科研應(yīng)用等一整套的實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，讓學(xué)生在外場(chǎng)自然環(huán)境和室內(nèi)模擬環(huán)境中感受到了云降水微觀物理過程的變化，做到緊密結(jié)合理論課程教學(xué)開展了實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

3.2 科研與教學(xué)雙向融合法

科研可以驅(qū)動(dòng)實(shí)踐教學(xué)，促進(jìn)教學(xué)水平的提升，同時(shí)，實(shí)踐教學(xué)中發(fā)現(xiàn)的新問題、收集的新資料也可以反哺科研，促進(jìn)科研水平的提升[8]。在實(shí)踐教學(xué)中高度重視科研與教學(xué)雙向融合，設(shè)立了專門的開放實(shí)驗(yàn)室和開放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，鼓勵(lì)教師和部分學(xué)生開展開放性實(shí)驗(yàn)，促進(jìn)了科研與教學(xué)的雙向融合。

4 教學(xué)環(huán)節(jié)改革與創(chuàng)新

在實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中結(jié)合云降水物理學(xué)課程中講述的內(nèi)容[9]，通過安排對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，加深對(duì)云與降水形成宏觀、微觀物理過程的理解。實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容的更新使沿襲多年的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法、儀器以及單一陳舊的教材得到改進(jìn)、補(bǔ)充。堅(jiān)持“厚基礎(chǔ)、強(qiáng)實(shí)踐、重創(chuàng)新”原則，實(shí)現(xiàn)了新的實(shí)驗(yàn)方法與傳統(tǒng)的、經(jīng)典的方法有機(jī)的結(jié)合。

4.1 理論性與應(yīng)用性的統(tǒng)一

在多年的實(shí)踐教學(xué)過程中，實(shí)驗(yàn)和實(shí)習(xí)重在強(qiáng)化理論、鞏固基礎(chǔ)[10]。根據(jù)“做中學(xué)”理念，首先要有一個(gè)可“做”的內(nèi)容，設(shè)置具有層次性、漸進(jìn)性、可操作性的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，即與理論教學(xué)緊密聯(lián)系的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目[11]。我們考慮設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目將云降水物理學(xué)中抽象的理論原理轉(zhuǎn)化為學(xué)生通過動(dòng)手可以實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在完整的“做”的過程中，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣以及對(duì)理論課程內(nèi)容的理解。從人才培養(yǎng)體系的整體出發(fā)，以培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力為核心，將教學(xué)實(shí)驗(yàn)分為基礎(chǔ)訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)、專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)、業(yè)務(wù)培訓(xùn)實(shí)驗(yàn)和研究創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)4個(gè)層次，將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容整合成基礎(chǔ)型、專業(yè)型、業(yè)務(wù)型、創(chuàng)新型4個(gè)模塊，構(gòu)建起“四層次、四模塊”實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。

4.2 認(rèn)知性與探索性的統(tǒng)一

在認(rèn)知、求證、應(yīng)用、探究4個(gè)層次的基礎(chǔ)之上，將實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容分為基礎(chǔ)訓(xùn)練、專業(yè)綜合、業(yè)務(wù)應(yīng)用、創(chuàng)新探究4個(gè)模塊。(1)基礎(chǔ)訓(xùn)練在于讓學(xué)生了解、熟悉專業(yè)領(lǐng)域基本的實(shí)驗(yàn)儀器的使用、基本的實(shí)驗(yàn)方法和過程以及基本技能的訓(xùn)練，正確掌握獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和把握操作實(shí)驗(yàn)的能力；(2)專業(yè)綜合在于讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室中綜合應(yīng)用所學(xué)專業(yè)知識(shí)驗(yàn)證基本認(rèn)知得到的知識(shí)，啟發(fā)學(xué)生的專業(yè)思維，培養(yǎng)專業(yè)素養(yǎng)、提高專業(yè)能力；(3)業(yè)務(wù)應(yīng)用在于利用實(shí)際的業(yè)務(wù)平臺(tái)使學(xué)生切身感受實(shí)際的業(yè)務(wù)流程，在初步的業(yè)務(wù)實(shí)踐中進(jìn)一步檢驗(yàn)課堂知識(shí)，培養(yǎng)實(shí)踐動(dòng)手能力；(4)創(chuàng)新探究指在教師指導(dǎo)下，依據(jù)學(xué)生自身的興趣申報(bào)大學(xué)生科技立項(xiàng)課題或直接參與教師的研究項(xiàng)目，獨(dú)立完成“實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)→探索研究→成果總結(jié)”的全過程，培養(yǎng)他們的科研創(chuàng)新能力。

4.3 創(chuàng)新性與可操作性的統(tǒng)一

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中以操作、使用和應(yīng)用為主，采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)的實(shí)踐教學(xué)形式，重點(diǎn)解決技術(shù)難點(diǎn)，激發(fā)學(xué)生主動(dòng)參與創(chuàng)新設(shè)計(jì)[12]的興趣。教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)的開展以南京信息工程大學(xué)國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心——大氣科學(xué)與環(huán)境氣象實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心和中國氣象局 氣溶膠與云降水重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室為依托，為學(xué)生的教學(xué)實(shí)踐提供國內(nèi)一流的科學(xué)實(shí)驗(yàn)和教學(xué)實(shí)習(xí)條件。氣溶膠與云降水是本實(shí)驗(yàn)室的優(yōu)勢(shì)研究方向之一，一直處于國內(nèi)先進(jìn)行列，擁有云降水粒子探測(cè)系統(tǒng)、FM-100光學(xué)霧粒譜儀、云凝結(jié)核計(jì)數(shù)器CCN、碳黑氣溶膠濃度計(jì)PASS-1、光學(xué)雨滴譜儀MPS、光學(xué)雨滴譜儀PARSIVEL、單顆粒氣溶膠飛行時(shí)間質(zhì)譜儀、地基型氣壓空腔氣溶膠譜儀、濕控串聯(lián)差分電遷移率分析儀、毫米波測(cè)云雷達(dá)系統(tǒng)等國際先進(jìn)的云霧降水設(shè)備，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，使學(xué)生能夠掌握國際上最先進(jìn)的技術(shù)方法。

同時(shí)強(qiáng)化科教融合，將學(xué)科優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)為實(shí)踐教學(xué)資源，科研成果反哺實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，開設(shè)緊跟科學(xué)前沿和貼近業(yè)務(wù)的實(shí)踐項(xiàng)目，不斷用當(dāng)前最新科研成果充實(shí)教學(xué)內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生參與科學(xué)研究，自制儀器設(shè)備反哺實(shí)踐教學(xué)，發(fā)揮科研對(duì)實(shí)踐教學(xué)的支撐作用。實(shí)驗(yàn)室在科教項(xiàng)目支持下，自主開發(fā)實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備的比例不斷提高，近3年自制研發(fā)了X波段小型測(cè)雨雷達(dá)、云室、巨鹽核凝結(jié)增長(zhǎng)觀測(cè)系統(tǒng)、激光云自動(dòng)化測(cè)量?jī)x、霧水采集器等幾十種用于實(shí)踐教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備，部分儀器設(shè)備已經(jīng)達(dá)到國內(nèi)一流水平(見表1)。在研發(fā)儀器的動(dòng)手過程中，使學(xué)生的科學(xué)探索精神和創(chuàng)新能力有不同程度的提高，從而切實(shí)提高實(shí)踐教學(xué)的效果。

表1 云降水物理實(shí)驗(yàn)設(shè)置實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目一覽表

5 實(shí)驗(yàn)教材建設(shè)

隨著實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式的改革，原有的實(shí)驗(yàn)講義已不能滿足教學(xué)要求，在開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的同時(shí)，我們陸續(xù)編寫了新的實(shí)驗(yàn)講義。國外的經(jīng)典云降水物理學(xué)教材中，有部分關(guān)于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的介紹，如1983年Rogers出版的《云物理簡(jiǎn)明教程》、1979年Mason所著《云物理學(xué)》等，國內(nèi)的實(shí)踐教學(xué)可選的參考書有1995年南京氣象學(xué)院(南京信息工程大學(xué)前身)大氣物理系陳金榮等自編教材《云、降水物理實(shí)驗(yàn)》。由于出版年代較早，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目配套儀器大都缺失或嚴(yán)重老化，實(shí)驗(yàn)教材及課程設(shè)計(jì)內(nèi)容亟待更新。我們?cè)凇白鲋袑W(xué)”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，把握住實(shí)驗(yàn)改革和發(fā)展的脈搏和方向,注意汲取各優(yōu)秀教材的長(zhǎng)處,配合理論教學(xué)不斷采用當(dāng)前最新科研成果充實(shí)教學(xué)內(nèi)容，根據(jù)實(shí)踐教學(xué)需要完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱，改進(jìn)了實(shí)驗(yàn)教材及指導(dǎo)實(shí)踐教學(xué)的內(nèi)容。

通過更新改進(jìn)實(shí)驗(yàn)課題教學(xué)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目配套儀器，對(duì)現(xiàn)有的《云、降水物理實(shí)驗(yàn)》自編教材內(nèi)容進(jìn)行重新修改和整理，拓展實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，增加了有啟發(fā)性并能激發(fā)學(xué)生創(chuàng)造性思維的綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生能夠了解本學(xué)科實(shí)驗(yàn)方法及儀器的國際最新前沿動(dòng)態(tài)。新教材將增加一些新開設(shè)的科學(xué)研究型實(shí)驗(yàn)，目的在于充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力，讓學(xué)生體會(huì)實(shí)驗(yàn)自身的研究方法和規(guī)律，形成了從易到難、從簡(jiǎn)單到綜合、從注重傳授知識(shí)到注重創(chuàng)新能力培養(yǎng)、循序漸進(jìn)、逐級(jí)提高的云降水物理實(shí)驗(yàn)課程體系的思路。

6 結(jié)束語

實(shí)踐教學(xué)是鞏固學(xué)生專業(yè)基本理論、加強(qiáng)理論聯(lián)系實(shí)際、培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問題能力、提高學(xué)生的綜合素質(zhì)的重要環(huán)節(jié)。在云降水物理學(xué)的課程教學(xué)中，以“做中學(xué)”為指導(dǎo)理念，加大了對(duì)實(shí)踐教學(xué)研究與改革力度，切實(shí)加強(qiáng)了學(xué)生基本實(shí)踐技能的訓(xùn)練，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)能力，實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

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