《大氣氣溶膠》課程設置與實踐教學探索

邱玉珺　楊軍

摘要：《大氣氣溶膠》課程是針對大氣物理學與大氣環(huán)境相關專業(yè)本科生和研究生開設的特色專業(yè)課程之一。本文首先從課程設置闡述了該課程的主要教學內(nèi)容，指出不同章節(jié)教學內(nèi)容重點和難點的安排。其次，本文提出了各章節(jié)理論教學過程中可開展的實踐教學內(nèi)容，為加強該課程教學效果提供了參考。

關鍵詞：課程設置；實踐；能動性；學習興趣

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）15-0109-03

一、前言

大氣氣溶膠是指大氣與大氣中的各種固態(tài)和液態(tài)粒子組成的混合體系，狹義上特指各種固態(tài)（干）和液態(tài)（濕）粒子。自上個世紀第二次世界大戰(zhàn)以來，氣溶膠因?qū)Νh(huán)境以及氣候變化產(chǎn)生了深刻的影響而廣受關注。氣溶膠嚴重污染人類賴以生存的大氣環(huán)境，影響大氣物理與大氣化學過程，對大氣輻射、大氣光學現(xiàn)象和電學過程都有較大影響，因此，大氣科學和環(huán)境相關專業(yè)的學生有必要學習和普及大氣氣溶膠相關知識。

然而，各大高校大氣科學以及環(huán)境相關專業(yè)很少專門針對大氣氣溶膠科學設置相關課程。實際上，自18世紀工業(yè)革命以來，氣溶膠相關研究已成為基礎和應用科學中的一項特殊課題，吸引了物理學、化學和氣象學等多學科專家的關注，進而推動了該學科的發(fā)展[1]。1955年，前蘇聯(lián)學者[2]出版了《氣溶膠力學》，為氣溶膠科學奠定了理論基礎。20世紀中后期，各國高速發(fā)展的經(jīng)濟造成了環(huán)境的嚴重污染，世界性環(huán)境問題日益嚴重，學科發(fā)展對氣溶膠測量技術提出了新的要求，伴隨著各種微電子、激光以及計算機技術、現(xiàn)代分析化學和分析電鏡技術的介入，氣溶膠科學得以快速發(fā)展。

南京信息工程大學針對大氣科學與大氣環(huán)境相關專業(yè)本科生和研究生開設了《大氣氣溶膠》特色專業(yè)課，課程內(nèi)容與當前全球面臨的氣候變化與環(huán)境問題密切相關，課程涉及到的氣溶膠基礎知識、研究方法以及基本理論為深入研究氣候效應和環(huán)境問題奠定了基礎，相關知識還廣泛應用在軍事、衛(wèi)生、工業(yè)和農(nóng)業(yè)等領域。該課程側(cè)重氣溶膠動力學、光學理論知識學習，同時還要求學生能理解和掌握氣溶膠相應測量技術。在講授過程中，通過結(jié)合實際問題，設置與理論知識相關的研究課題，引導學生動手實踐，提高學習樂趣，從而做到實踐與理論學習相結(jié)合，提高教學質(zhì)量，培養(yǎng)學生研究素質(zhì)[3，4]。

二、課程設置

《大氣氣溶膠》課程要求學生能全面掌握氣溶膠基本概念、分類、尺度譜、主要形成機制等基礎知識，并且能夠從動力學理論出發(fā)，理解Brown運動、Stokes定律、Brown運動碰并、切變、重力沉降等內(nèi)容，熟悉氣溶膠粒子的一般動力學方程，理解干沉降和濕沉降過程，并在大氣氣溶膠消光原理基礎上，理解氣溶膠對輻射傳輸過程的影響，進而在輻射強迫和氣候效應概念基礎上，熟悉氣溶膠輻射強迫特征，最后從測量分析方法上，要求學生掌握氣溶膠濃度、光學特性以及化學成分測量分析的基本方法。

該課程分別從大氣氣溶膠基礎知識、大氣氣溶膠的來源與化學特征、氣溶膠粒子動力學、對流層氣溶膠、平流層氣溶膠、大氣氣溶膠光學特性、氣溶膠氣候效應以及氣溶膠測量與分析8個章節(jié)開展研究性學習的實踐模式教學。

前3章內(nèi)容主要介紹氣溶膠相關基礎知識。其中，緒論內(nèi)容要求學生掌握大氣氣溶膠概念，理解大氣氣溶膠研究意義，了解大氣氣溶膠的研究歷史和研究方法。大氣氣溶膠基礎知識內(nèi)容要求學生掌握大氣氣溶膠的尺度、分類和濃度的表示方法，利用氣溶膠譜觀測資料畫圖，熟悉三模態(tài)氣溶膠數(shù)濃度分布特征、常用的幾類譜分布函數(shù)，理解氣溶膠粒子譜分布特征參量，了解譜分布函數(shù)應用現(xiàn)狀。大氣氣溶膠的來源與化學特征內(nèi)容中，需掌握大氣氣溶膠粒子的主要形成機制、幾種常用的源解析方法，熟悉大氣氣溶膠的主要化學組成特征，理解不同來源的氣溶膠尺度分布特征，了解全球氣溶膠產(chǎn)生率。

氣溶膠粒子動力學是本課程的重要基礎理論，包括單個氣溶膠粒子動力學和粒子群動力學。單個粒子動力學內(nèi)容中，要求學生掌握平均自由程、Stokes定律和重力沉降等概念，理解Brown運動和相關概念（擴散、遷移），了解外力場單粒子運動。氣溶膠粒子群動力學內(nèi)容要求學生掌握Brown運動碰并、層流切變和湍流中的聚合、重力沉降聚合，熟悉氣溶膠粒子一般動力學方程，了解外力場對粒子聚合的作用。

對流層氣溶膠內(nèi)容要求學生掌握干濕沉降過程、氣溶膠標高、沉降速度概念，熟悉典型氣溶膠類型垂直分布特征、干沉降速度測量方法、濕沉降清除系數(shù)，理解干沉降阻力模型、云內(nèi)清除和云下清除過程，了解大氣氣溶膠分布的時間變化特征、滯留時間。

平流層氣溶膠內(nèi)容需要學生掌握平流層氣溶膠基本特征，熟悉火山氣溶膠主要成分、極地平流層云形成過程，理解平流層氣溶膠與對流層氣溶膠特征差異，了解全球平流層氣溶膠研究進展。

大氣氣溶膠的光學特性相關內(nèi)容中，要求學生掌握大氣氣溶膠的消光原理和相關表征參量（消光系數(shù)、單次散射反照率、相函數(shù)等），熟悉大、小尺度粒子的散射特征，大氣能見度與消光系數(shù)的關系，理解氣溶膠對輻射傳輸過程的影響及其參數(shù)化，了解全球和區(qū)域氣溶膠光學特征。大氣氣溶膠的氣候效應內(nèi)容中，掌握大氣氣溶膠輻射強迫基本概念及分類，熟悉氣溶膠直接輻射強迫過程，理解對流層和平流層輻射強迫效應，了解云的輻射強迫。

大氣氣溶膠的測量和分析教學內(nèi)容中，需要學生掌握氣溶膠濃度、光學特性以及化學成分測量分析的常用方法，熟悉氣溶膠空氣動力學和光學測量原理，理解氣溶膠遙感探測技術，了解全球大氣氣溶膠遙感探測資料及相關產(chǎn)品。

三、實踐教學內(nèi)容

理論課程教學過程中，需要同時結(jié)合實踐教學才能達到較好的教學效果[5-7]?！洞髿鈿馊苣z》基礎知識的授課內(nèi)容中，講授氣溶膠粒子尺度、分類及其譜相關知識時，可結(jié)合不同類型氣溶膠粒子譜儀觀測資料，對各種等效直徑、氣溶膠粒子譜相關知識開展實踐教學，增強學生對氣溶膠基本概念的理解。如，可利用氣溶膠寬范圍粒子譜儀（WPS）的電遷移率和光學計數(shù)測量對不同粒徑數(shù)濃度進行對比分析，指出空氣動力學等效直徑與光學等效直徑的差別；還可利用該儀器觀測資料，作出尺度在0.01～10μm范圍的粒子譜分布，增強學生對不同模態(tài)氣溶膠譜分布特征的形象認識，從而調(diào)動學生學習的積極性。

“大氣氣溶膠來源”相關內(nèi)容可結(jié)合氣溶膠單一類型源數(shù)值模式開展。如，通過編寫沙塵和海鹽等單一類型源數(shù)值模式估算沙塵和海鹽產(chǎn)生通量，實踐過程中可增強學生的動手能力，同時調(diào)動學生對氣溶膠相關科研的認識和興趣。此外，在對“大氣氣溶膠化學組分及其來源解析”的教學中，利用離子色譜監(jiān)測儀氣溶膠觀測資料，教師課堂演示結(jié)合學生課后練習，加深學生對授課內(nèi)容的理解，同時通過自身實踐的成就感提高學生專業(yè)學習的興趣[8，9]。

“氣溶膠粒子動力學”相關章節(jié)理論性較強，涉及Strokes粒子層流運動、Brown擴散、聚合方程等內(nèi)容，內(nèi)容中的理論公式及其推導過程占了很大篇幅，在此情況下，要盡可能結(jié)合圖形講授相關公式內(nèi)涵。如，不同尺度氣溶膠粒子對應的聚合系數(shù)有較大差別，結(jié)合圖形能更好地展現(xiàn)粒徑尺度與聚合系數(shù)之間的關系。在介紹布朗擴散規(guī)律時，可對比學生比較熟悉的布朗運動，結(jié)合動畫課件演示，加深學生對概念的理解。

課程對對流層和平流層氣溶膠分布特征展開較詳細介紹，結(jié)合目前地面和衛(wèi)星遙感探測資料，全面介紹大氣氣溶膠垂直分布和全球及其區(qū)域分布特征。此外，還可以讓學生參與編寫和運行干沉降模式，量化評價氣溶膠滯留時間和沉降通量特征。在平流層氣溶膠中，結(jié)合典型的火山氣溶膠事例講授其特征，加深學生對理論知識內(nèi)涵的把握，從而強化學生的學習效果。

此外，該課程還可對氣溶膠光學特性講授內(nèi)容開展實踐教學。如，可根據(jù)濁度儀、太陽光度計等探測資料，講授單次散射反照率、后向散射系數(shù)、氣溶膠波長指數(shù)等光學參量，使學生通過感性認識能很快掌握相關理論知識。還可以通過簡單的一維輻射模式介紹，提高學生對氣溶膠光散射與吸收過程的理解。

該課程可結(jié)合目前國際上的研究前沿，對大氣氣溶膠的氣候效應開展實踐教學。授課內(nèi)容結(jié)合五次聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）評估報告相關內(nèi)容進行講授，講授內(nèi)容從課堂學習到動手實踐，都可與相關研究課題聯(lián)系起來，使學生在科學研究實踐過程中培養(yǎng)專業(yè)綜合素質(zhì)，達到高校實踐教學目標。研究過程中，各小組成員互相配合，團結(jié)合作，既能節(jié)省時間，又能高效地解決問題，還能體現(xiàn)每個成員的重要性，從而提升學生團隊合作意識，培養(yǎng)學生團隊合作精神。

該課程最后章節(jié)中，設置了“大氣氣溶膠的測量和分析技術”教學內(nèi)容，章節(jié)內(nèi)容全面開展實踐教學，從氣溶膠樣品采集技術、氣溶膠濃度測量技術、氣溶膠化學組成測量分析方法以及氣溶膠光學和遙感探測技術全面開展理論和實踐相結(jié)合的教學模式，在氣溶膠相關測量和分析技術理論知識指導下，開展氣溶膠碰撞采樣器、氣溶膠粒子譜儀器操作、氣溶膠光學參量觀測等實踐環(huán)節(jié)，使學生形成理性和感性認識，通過自己的親身實踐，增強學習的能動性，從而達到較好的學習效果。

四、小結(jié)與展望

本文全面介紹了《大氣氣溶膠》課程設置和各章節(jié)實踐教學相關內(nèi)容，通過氣溶膠基礎知識、氣溶膠動力學、氣溶膠光學等理論知識與實踐教學相結(jié)合，對研究性學習的實踐模式進行探索，以加強學生實踐能力和理論知識應用能力為目標，培養(yǎng)學生學習興趣的同時，提高教學質(zhì)量。

在實踐教學過程中，需要注意協(xié)調(diào)學生課堂和課后練習時間，實際參與的時間不宜過長，要保證學生既能動手實踐，又能在有效的時間內(nèi)完成。此外，還要及時對學生的實踐效果進行評價，實踐內(nèi)容較多時，需要學生組成團隊合作完成實踐課程內(nèi)容。此時要保證每個成員都能發(fā)揮自己的能力，做到各成員間的合作，建立合理的評價標準，讓每個學生都感覺到公平合理，從而提高他們的學習積極性。

總之，本課程各章節(jié)教學內(nèi)容都能與大氣氣溶膠相關科研資源配合開展實踐性教學，使學生能更好地理解相關理論知識，增強學生對該學科的研究興趣，為學生進一步開展氣溶膠相關研究和工作奠定基礎，達到高校專業(yè)課程的教學目標。

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