自主合作探究式方法在大學(xué)生科技競(jìng)賽的應(yīng)用

何陽(yáng)++盛崢++展恩澤++陳鑫濤++彭明旭++張博宇++劉玨

【摘要】為綜合分析評(píng)估在株洲橡膠所施放的新型臨近空間氣象氣球探測(cè)資料精度，分別利用經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)模式資料和衛(wèi)星遙感資料進(jìn)行對(duì)比。參加項(xiàng)目的本科生對(duì)這一全新課題采用自主合作探究式研究方法，明確研究目標(biāo)，合理確定分工，對(duì)新型臨近空間氣象氣球探測(cè)資料精度進(jìn)行綜合分析，研究表明，相比于經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)模式資料和衛(wèi)星遙感資料，探空氣球的資料精度更高，數(shù)據(jù)更具有連續(xù)性，可靠性更強(qiáng)，它也可以作為其他探測(cè)結(jié)果的標(biāo)定值。

【關(guān)鍵詞】自主合作 探究式方法 臨近空間 探空氣球 誤差分析

【中圖分類號(hào)】G642 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2017）09-0231-01

在以往的大學(xué)生科技競(jìng)賽（小論文，小軟件，小創(chuàng)作）中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)老師為主完成科技競(jìng)賽項(xiàng)目，全程包辦的情況，反而學(xué)生不能得到較好的鍛煉和提高，針對(duì)此問(wèn)題，指導(dǎo)老師在“臨近空間氣象大球探測(cè)數(shù)據(jù)分析”這一全新研究課題中，全過(guò)程中讓學(xué)生動(dòng)手，完成資料的收集、數(shù)據(jù)的分析比對(duì)和論文的編寫過(guò)程。實(shí)踐表明大學(xué)生自主探究式教學(xué)是促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)方式轉(zhuǎn)變的有效手段。新世紀(jì)課程改革提出，“積極倡導(dǎo)自主、合作、探究的學(xué)習(xí)方式”，“改變課程過(guò)于注重知識(shí)傳授的傾向，強(qiáng)調(diào)形成積極主動(dòng)的學(xué)習(xí)態(tài)度，使獲得基礎(chǔ)知識(shí)與技能的過(guò)程同時(shí)成為學(xué)生學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)和形成正確價(jià)值觀的過(guò)程”，“引導(dǎo)學(xué)生質(zhì)疑、調(diào)查、探究，在實(shí)踐中學(xué)習(xí)，促進(jìn)學(xué)生在教師指導(dǎo)下主動(dòng)地、富有個(gè)性地學(xué)習(xí)”。

臨近空間是指距地面20～100公里的空域。隨著新型航空器、航天器和浮空器等的不斷研發(fā)與升級(jí)，該區(qū)域已成為用來(lái)開展高科技應(yīng)用和國(guó)防安全活動(dòng)的新領(lǐng)域，被越來(lái)越多的國(guó)家所重視。為了在該區(qū)域順利開展各項(xiàng)任務(wù)，臨近空間的氣象保障就顯得尤為重要。在以往的高空探測(cè)中，由于我國(guó)氣球能達(dá)到的最大高度不能滿足臨近空間的數(shù)據(jù)探測(cè)需要，所以一般是用氣象火箭對(duì)該高度區(qū)間的大氣環(huán)境進(jìn)行原位直接精準(zhǔn)測(cè)量。但是株洲橡膠所研發(fā)的新型探空氣球卻為探測(cè)該區(qū)間提供了新的參考。正常探空氣球750g能探測(cè)的最大高度約為30km、1500g能探測(cè)的最大高度約為35km，而3000g新型探空氣球的有效探測(cè)高度能達(dá)到40km，能包括平流層中下部，對(duì)相關(guān)高度的臨近空間能進(jìn)行更有效的探測(cè)。

本文利用我國(guó)新型氣象探空氣球升空的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（能達(dá)到40km高度），運(yùn)用綜合分析評(píng)估，將其與衛(wèi)星數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)模式進(jìn)行對(duì)比，對(duì)獲取資料進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過(guò)誤差分析并編程繪圖來(lái)說(shuō)明高空探測(cè)大球數(shù)據(jù)的優(yōu)越性，并指明外國(guó)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ皆谖覈?guó)并不適用。我國(guó)要基于自己的氣象火箭和氣象氣球的綜合數(shù)據(jù)來(lái)建立切實(shí)可靠高效的“本土經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ健薄?/p>

一、氣球探測(cè)資料與NRLMSISE-00經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ劫Y料的對(duì)比分析

我們通過(guò)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)高空氣球探測(cè)資料的溫度隨高度曲線與NRLSISE-00經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ诫m然大體趨勢(shì)一致，但在平流層底層及中層部分高度區(qū)域偏差較大。高空氣球探測(cè)資料曲線與經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ降钠罨旧弦恢贝嬖冢掖蟛糠指叨壬掀钶^明顯，偏差普遍超過(guò)2℃。相比之下，大氣密度的偏差并不明顯。通過(guò)具體計(jì)算，求出氣球探測(cè)資料與NRLSISE-00經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ綔囟鹊淖畲笃顬?4.13℃，平均誤差率為3.8%；空氣密度的最大偏差為2.13g/m3，平均誤差率為7.9%?？紤]到NRLSISE-00經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ接蓢?guó)外開發(fā)，對(duì)于中國(guó)地區(qū)的探測(cè)數(shù)據(jù)不是很完善、準(zhǔn)確，特別是平流層中上部以上的探測(cè)數(shù)據(jù)，更為缺乏，所以對(duì)于中國(guó)區(qū)域平流層中上部的大氣參數(shù)的變化特征，并不能準(zhǔn)確描述。下面我們通過(guò)一張表格來(lái)具體對(duì)比氣球資料與經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ劫Y料。

二、氣球探測(cè)資料與SABER衛(wèi)星資料的對(duì)比

利用4次氣象氣球的探測(cè)資料，分別與相對(duì)應(yīng)的SABER衛(wèi)星資料進(jìn)行對(duì)比分析，可知?dú)馇蛱綔y(cè)資料與標(biāo)準(zhǔn)值之間均存在一定的偏差。其中，溫度的偏差最大，最大偏差達(dá)到9.66℃，平均誤差率最大能為6.1%，均方根誤差最大為2.95℃；而氣壓及密度偏差較小，均方根誤差最大僅為2.21hpa、1.95g/m3。下面在表2列出4次探空氣球探測(cè)資料與SABER衛(wèi)星資料的詳細(xì)對(duì)比結(jié)果，其中Tem是指溫度，單位為℃；Pre是指氣壓，單位為hpa；Den是指大氣密度，單位為g/m3。

三、結(jié)論

新型臨近空間氣象氣球最大上升高度能達(dá)到40km，能夠作為獲取臨近空間大氣參數(shù)的重要儀器，為探測(cè)臨近空間提供了新的切實(shí)有效的方式。它能夠獲取15km-40km空間內(nèi)的大氣參數(shù)——溫度、氣壓和濕度。通過(guò)進(jìn)一步的數(shù)值處理，可以得到密度和高度等值。通過(guò)對(duì)比我們發(fā)現(xiàn)，用氣球進(jìn)行臨近空間的大氣探測(cè)是切實(shí)有效的，數(shù)據(jù)也是準(zhǔn)確可靠的，可以采用氣球探測(cè)結(jié)果作為預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)。目前氣球能到達(dá)到的有效探測(cè)高度為40km左右，但對(duì)于之上的平流層空間，還無(wú)法探測(cè)，這將是下一步努力的方向。

本課題以我國(guó)首次試驗(yàn)的氣象大球探測(cè)數(shù)據(jù)分析為目的，其研究重視學(xué)生的氣象背景，發(fā)展學(xué)生的創(chuàng)造性思維，培養(yǎng)自學(xué)能力，力圖通過(guò)自我探究引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)和掌握科學(xué)方法，為自主學(xué)習(xí)和研究工作開展奠定基礎(chǔ)。指導(dǎo)教師作為自主探究式課堂教學(xué)的導(dǎo)師，其任務(wù)是調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，促使他們自己去獲取知識(shí)、發(fā)展能力，做到自己能發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題，促進(jìn)探究的開展，把握探究的深度，以評(píng)價(jià)學(xué)生探究過(guò)程的效果。