《邊界層氣象學(xué)》課程改革舉措述略

王成剛 姜海梅 曹樂(lè) 嚴(yán)家德

摘要：為了提高《邊界層氣象學(xué)》的教學(xué)質(zhì)量，利用多年教學(xué)經(jīng)驗(yàn)針對(duì)當(dāng)代學(xué)生的特點(diǎn)，形成了一套“夯實(shí)基礎(chǔ)，重視應(yīng)用，分流培養(yǎng)的模式”。在教學(xué)過(guò)程中注重方式、方法的不斷創(chuàng)新，讓學(xué)生的學(xué)習(xí)從被動(dòng)轉(zhuǎn)為主動(dòng)。加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，在學(xué)生“動(dòng)腦、動(dòng)手”的過(guò)程中，去培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。在師資建設(shè)方面，一方面大力引進(jìn)優(yōu)秀人才，擴(kuò)充師資隊(duì)伍的力量；另一方面努力培養(yǎng)教學(xué)精英，提高教學(xué)團(tuán)隊(duì)的水平。在多項(xiàng)改革措施同時(shí)推進(jìn)下，該課程的教學(xué)效果有了顯著提升。

關(guān)鍵詞：邊界層氣象學(xué)；課程改革；學(xué)生素質(zhì)；師資建設(shè)

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2016）24-0124-03

2013年教育部大氣科學(xué)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)明確指出：“當(dāng)代大氣科學(xué)人才的知識(shí)結(jié)構(gòu)與綜合素質(zhì)的培養(yǎng)要與時(shí)代的發(fā)展相適應(yīng)，要大力培養(yǎng)理論基礎(chǔ)扎實(shí)，知識(shí)面廣，動(dòng)手實(shí)踐能力強(qiáng)，適應(yīng)能力強(qiáng)和創(chuàng)新能力強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)人才?！边@為新時(shí)期大氣科學(xué)人才培養(yǎng)目標(biāo)指明了方向，也對(duì)教育工作者的培養(yǎng)思路進(jìn)行了啟迪。

一、課程改革的迫切性與必要性

《邊界層氣象學(xué)》作為大氣科學(xué)的一個(gè)重要分支，主要關(guān)注距離地面1～2公里直接與下墊面發(fā)生相互作用的大氣層及其內(nèi)部各種物理過(guò)程，是一門(mén)理論性強(qiáng)、實(shí)際應(yīng)用廣的課程。近年來(lái)由于我國(guó)大范圍霧霾的爆發(fā)，極端天氣、氣候事件的頻繁發(fā)生以及風(fēng)能、太陽(yáng)能的廣泛利用，使得邊界層氣象學(xué)的研究和實(shí)際應(yīng)用被業(yè)內(nèi)外人士廣泛關(guān)注。與此同時(shí)，國(guó)家和社會(huì)對(duì)本專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)出的人才提出了更高要求。不可否認(rèn)的是，先前的培養(yǎng)模式的確培養(yǎng)出了一大批優(yōu)秀人才，但是隨著學(xué)科發(fā)展的進(jìn)一步深入，現(xiàn)行的人才培養(yǎng)模式已很難滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求，很難與新時(shí)期的人才培養(yǎng)目標(biāo)相匹配，其體系自身也日益暴露出專(zhuān)業(yè)劃分過(guò)細(xì)，教學(xué)理念、教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容相對(duì)落后等一系列問(wèn)題[1，2]。因此，如何相應(yīng)的調(diào)整和改革現(xiàn)有教學(xué)模式，如何提高學(xué)生的專(zhuān)業(yè)素養(yǎng)和綜合素質(zhì)，如何提高課程的教學(xué)質(zhì)量，成為每一名專(zhuān)業(yè)課教師必須認(rèn)真思考、積極探索的首要任務(wù)。

作為南京信息工程大學(xué)《邊界層氣象學(xué)》課程小組的教學(xué)成員，通過(guò)近10年來(lái)的實(shí)踐教學(xué)摸索和邊界層領(lǐng)域的科學(xué)研究，我們認(rèn)為，無(wú)論從時(shí)代發(fā)展、背景變化，還是從體系完善、實(shí)踐教學(xué)改善等方面，《邊界層氣象學(xué)》的教學(xué)改革工作均應(yīng)提上日程，亟需著手實(shí)施。

二、課程改革的具體實(shí)施舉措

結(jié)合多年的教學(xué)科研經(jīng)驗(yàn)，我們認(rèn)為，《邊界層氣象學(xué)》的教學(xué)改革應(yīng)當(dāng)主要從以下幾個(gè)方面著手開(kāi)展，以期提高課程的實(shí)際教學(xué)質(zhì)量。

（一）人才培養(yǎng)模式改革

當(dāng)下“90后”大學(xué)生是高等教育重點(diǎn)培養(yǎng)的對(duì)象，由于其成長(zhǎng)環(huán)境的特殊性，使得當(dāng)代大學(xué)生的世界觀、價(jià)值觀和人生觀具有鮮明的時(shí)代特征，主要表現(xiàn)為思維活躍、知識(shí)面廣、學(xué)習(xí)渠道多、創(chuàng)新能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)也存在貪玩、動(dòng)手能力差、抗壓能力弱、缺乏團(tuán)隊(duì)合作精神和吃苦耐勞精神等問(wèn)題[3]。因此，我們必須適當(dāng)改變傳統(tǒng)的人才培養(yǎng)模式，因材施教，充分利用現(xiàn)有學(xué)生的自身優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)其不足之處。

經(jīng)過(guò)多年的教學(xué)摸索，我們對(duì)人才的培養(yǎng)逐漸形成了一套“夯實(shí)基礎(chǔ)，重視應(yīng)用，分流培養(yǎng)”的模式。（1）在課堂教學(xué)中，注重基本概念、基本物理現(xiàn)象和物理過(guò)程的講解。（2）在實(shí)踐教學(xué)中，結(jié)合一些實(shí)際個(gè)例，將應(yīng)用性較強(qiáng)的知識(shí)點(diǎn)讓學(xué)生熟練掌握，這樣既可以使學(xué)生獲取更多的感性認(rèn)識(shí)，同時(shí)也提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。（3）在課外時(shí)間，對(duì)于學(xué)有余力的學(xué)生，則通過(guò)氣象探測(cè)資料處理、典型天氣過(guò)程數(shù)值模擬等來(lái)完善學(xué)生的知識(shí)體系，以提高學(xué)生的動(dòng)手能力，激發(fā)學(xué)生的求知欲，培養(yǎng)他們的科學(xué)探索精神。

（二）教材、教學(xué)內(nèi)容改革

隨著大氣探測(cè)技術(shù)、數(shù)值模擬技術(shù)的不斷更新，大氣邊界層領(lǐng)域的研究有了很大的進(jìn)展，新理論、新方法、新成果不斷涌現(xiàn)，許多傳統(tǒng)的知識(shí)概念都有了新的發(fā)展，因此沿用陳舊的教科書(shū)已經(jīng)不能跟上當(dāng)前發(fā)展的形勢(shì)。目前《邊界層氣象學(xué)》課程的教材主要有《邊界層氣象學(xué)導(dǎo)論》（1991，氣象出版社）、《邊界層氣象學(xué)教程》（1991，氣象出版社）、《The Atmospheric Boundary Layer》（1992，劍橋出版社）、《大氣邊界層動(dòng)力學(xué)》（2006，高等教育出版社）。其中《邊界層氣象學(xué)導(dǎo)論》較為系統(tǒng)全面地闡述了早期大氣邊界層基本理論、觀測(cè)手段、數(shù)值模擬等內(nèi)容，概念清晰、推導(dǎo)嚴(yán)謹(jǐn)、由淺入深，并且包括相當(dāng)數(shù)量的習(xí)題，是大氣邊界層入門(mén)學(xué)習(xí)的最佳教材，但該書(shū)已絕版。其余幾本教材也同樣存在這樣的問(wèn)題。因此，為了讓學(xué)生盡可能地了解到大氣科學(xué)的最新進(jìn)展，我們必須對(duì)教材進(jìn)行更新。課程小組在南京信息工程大學(xué)教改項(xiàng)目的支持下正在編著《邊界層氣象學(xué)》、《大氣邊界層實(shí)習(xí)教程》兩本書(shū)，新版教材在秉承前人基本知識(shí)理論體系的同時(shí)，刪減了已過(guò)時(shí)或應(yīng)用較少的內(nèi)容，增補(bǔ)了應(yīng)用性和前沿性較強(qiáng)的內(nèi)容，包括湍流理論、邊界層理論、邊界層探測(cè)及其應(yīng)用等方面的最新研究成果。該教程出版后，可在很大程度上滿足邊界層氣象學(xué)理論教學(xué)過(guò)程中對(duì)教材的需求。

《邊界層氣象學(xué)》的教學(xué)內(nèi)容主要有邊界層氣象學(xué)導(dǎo)論、大氣湍流基礎(chǔ)、湍流控制方程組和湍流能量方程、近地層相似理論以及中性邊界層、對(duì)流邊界層、穩(wěn)定邊界層、大氣擴(kuò)散基礎(chǔ)、大氣邊界層探測(cè)基礎(chǔ)等，內(nèi)容涵蓋廣泛，理論性強(qiáng)，普遍存在學(xué)時(shí)緊張的現(xiàn)象。因此，在教學(xué)過(guò)程中把教學(xué)內(nèi)容分為基本內(nèi)容、選講內(nèi)容和自學(xué)內(nèi)容。其中，基本內(nèi)容主要包含一些基本理論與基本方法，如大氣湍流基礎(chǔ)、湍流運(yùn)動(dòng)控制方程組和近地層相似理論等；選講內(nèi)容和自學(xué)內(nèi)容根據(jù)專(zhuān)業(yè)應(yīng)用特點(diǎn)、學(xué)生接受能力和下一步學(xué)習(xí)需要來(lái)加以確定，如對(duì)氣象學(xué)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生則更多的講述大氣邊界層動(dòng)力、熱力機(jī)制對(duì)天氣系統(tǒng)的影響；對(duì)氣候?qū)W的學(xué)生則更多的講述陸面過(guò)程對(duì)氣候變化的影響等[4，5]。

（三）教學(xué)方式、方法改革

教學(xué)方式、方法的改革是加強(qiáng)課程建設(shè)，提高教學(xué)質(zhì)量的重要途徑。傳統(tǒng)的課堂教學(xué)基本上是教師的“獨(dú)角戲”，學(xué)生多處于一個(gè)被動(dòng)接收知識(shí)的狀態(tài)，師生間的互動(dòng)性不強(qiáng)。為了有效提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，我們采用了分層次教學(xué)的方式，即首先對(duì)繁雜的教學(xué)內(nèi)容和有限的教學(xué)時(shí)數(shù)進(jìn)行深入分析，列出哪些內(nèi)容是要在課堂上詳細(xì)講解的，哪些內(nèi)容可以通過(guò)學(xué)生自學(xué)完成，哪些內(nèi)容通過(guò)學(xué)生查閱參考文獻(xiàn)獲得知識(shí)，再采用課堂答疑的方式講解，讓學(xué)生自己進(jìn)行綜合歸納，這樣就摒棄了過(guò)去所有的章節(jié)都在課堂上詳細(xì)講解的方法，在有限的教學(xué)時(shí)間內(nèi)極大地豐富了教學(xué)內(nèi)容，將十分復(fù)雜的教學(xué)內(nèi)容分出了層次。我們?cè)谡n堂教學(xué)過(guò)程中采用啟發(fā)式、誘導(dǎo)式的教學(xué)，讓學(xué)生有更多思考、領(lǐng)悟的空間。此外，我們還通過(guò)設(shè)疑、課堂討論、專(zhuān)題辯論、階段小測(cè)驗(yàn)等方法活躍課堂氣氛[6]。學(xué)生聽(tīng)課也不再是處在一個(gè)被動(dòng)的位置，而是在教師的啟發(fā)下，主動(dòng)地學(xué)習(xí)知識(shí)。再者，我們加強(qiáng)重視對(duì)課后習(xí)題的設(shè)置和學(xué)生作業(yè)的完成情況?！哆吔鐚託庀髮W(xué)》是整個(gè)學(xué)科中教學(xué)難度相對(duì)較大的一門(mén)課程，學(xué)生在完成作業(yè)的過(guò)程中，通過(guò)相關(guān)文獻(xiàn)的查閱，相關(guān)資料的整理，一方面會(huì)對(duì)知識(shí)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步梳理，另一方面培養(yǎng)和增強(qiáng)了學(xué)生分析解決問(wèn)題的能力，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)習(xí)從被動(dòng)轉(zhuǎn)向主動(dòng)。

隨著時(shí)代的不斷進(jìn)步，傳統(tǒng)的教學(xué)方法已無(wú)法滿足現(xiàn)代教學(xué)要求，因此教學(xué)方法的改革也勢(shì)在必行。大氣邊界層的研究?jī)?nèi)容和研究對(duì)象比較抽象，如湍流結(jié)構(gòu)、湍流的運(yùn)動(dòng)方式等，學(xué)生很難建立空間三維結(jié)構(gòu)。因此，我們有必要借助多媒體手段，把教學(xué)中難以表達(dá)的、學(xué)生難以理解的抽象內(nèi)容，直觀、生動(dòng)地展示在學(xué)生面前。這樣既可增加課堂教學(xué)的生動(dòng)感又可利于知識(shí)的獲取，從而突破教學(xué)的重點(diǎn)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣[7]。

近年來(lái)，在多媒體課件廣泛使用的過(guò)程中我們發(fā)現(xiàn)學(xué)生的動(dòng)手能力、推導(dǎo)計(jì)算能力有明顯的下滑。利用多媒體課件講述一些繁雜的計(jì)算和推導(dǎo)過(guò)程的確是節(jié)省了一些時(shí)間，學(xué)生在課堂上也貌似都聽(tīng)懂了，但一拿到作業(yè)和試題就無(wú)所適從、無(wú)從下手，究其原因還是沒(méi)有真正理解所學(xué)習(xí)的內(nèi)容[8，9]。因此，我們堅(jiān)持一定量的板書(shū)推導(dǎo)過(guò)程，尤其是一些物理定律和物理方程的講解，比如在講解湍流應(yīng)力的作用時(shí)，我們就會(huì)利用板書(shū)從Navier-Stokes公式出發(fā)推導(dǎo)出雷諾方程，并在推導(dǎo)過(guò)程中逐一講述公式中每項(xiàng)的物理意義，使同學(xué)們?nèi)菀紫驼莆罩R(shí)內(nèi)涵。

（四）考核方式改革

追求“分?jǐn)?shù)至上”，忽視知識(shí)體系的構(gòu)建，忽視知識(shí)內(nèi)容的融會(huì)貫通，是當(dāng)代大學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中普遍存在的一種現(xiàn)象。本門(mén)課程傳統(tǒng)的考核方法，通常是將期末考試成績(jī)作為學(xué)生課程總評(píng)成績(jī)。這種考核方式很容易在學(xué)生中間滋生“臨時(shí)抱佛腳”的思想。為了避免這種現(xiàn)象的出現(xiàn)，為了促進(jìn)學(xué)生踏踏實(shí)實(shí)的學(xué)習(xí)，克服部分學(xué)生平時(shí)學(xué)習(xí)不認(rèn)真的壞毛病，我們對(duì)課程考核方式進(jìn)行了改良，即學(xué)生的最終考核成績(jī)由平時(shí)成績(jī)和期末測(cè)評(píng)成績(jī)共同組成。其中平時(shí)成績(jī)占總成績(jī)的40%，主要包括學(xué)生作業(yè)完成情況，課堂教與學(xué)互動(dòng)表現(xiàn)和實(shí)習(xí)完成情況。期末考試成績(jī)占總成績(jī)的60%，為了最大限度地調(diào)動(dòng)教師授課和學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，我們開(kāi)展“邊界層氣象學(xué)”試題庫(kù)建設(shè)的工作，在期末考試和補(bǔ)考中實(shí)行“教考分離，統(tǒng)一閱卷”的模式。近3年的實(shí)踐應(yīng)用表明，現(xiàn)行的考核方式能夠更加有效的提高課程教學(xué)質(zhì)量。

（五）教學(xué)團(tuán)隊(duì)建設(shè)

一支穩(wěn)定又有活力的師資隊(duì)伍是課程教學(xué)的核心保障。因此，建設(shè)一支學(xué)歷、職稱(chēng)、年齡和學(xué)科結(jié)構(gòu)合理的高水平的師資團(tuán)隊(duì)對(duì)課程發(fā)展至關(guān)重要。自2004年開(kāi)始，南京信息工程大學(xué)大力引進(jìn)高層次人才，我們的教學(xué)團(tuán)隊(duì)也得到了壯大，現(xiàn)有的5名教師都具有博士學(xué)位，而且都有海外留學(xué)或進(jìn)修經(jīng)歷。經(jīng)過(guò)近10年的培養(yǎng)我們逐漸構(gòu)建了一支師德師風(fēng)好、學(xué)術(shù)造詣高、教學(xué)能力強(qiáng)、教學(xué)經(jīng)驗(yàn)豐富、具有發(fā)展?jié)摿Φ慕虒W(xué)團(tuán)隊(duì)。團(tuán)隊(duì)成員每個(gè)學(xué)期定期召開(kāi)4～5次教學(xué)討論會(huì)，由老教師分享經(jīng)驗(yàn)，也為新教師答疑解惑。在同事間的互相學(xué)習(xí)過(guò)程中，團(tuán)隊(duì)成員的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)、教學(xué)技巧、教學(xué)水平都有了明顯提高，有多位教師屢獲學(xué)校教學(xué)成果獎(jiǎng)。

（六）實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)改革

《邊界層氣象學(xué)》中的很多理論都是建立在實(shí)踐基礎(chǔ)上，而且課程具有很強(qiáng)的應(yīng)用性。因此，針對(duì)上述課程特點(diǎn)，我們?cè)诮虒W(xué)工作安排上堅(jiān)持和完善“課堂教學(xué)—實(shí)習(xí)實(shí)踐”相結(jié)合的教學(xué)模式，不斷完善實(shí)驗(yàn)課程體系和實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件的建設(shè)?！笆の濉逼陂g，在校方和中國(guó)氣象局的大力支持下，我們建成了4個(gè)實(shí)習(xí)基地（其中校外3個(gè)，校內(nèi)1個(gè)），并且購(gòu)置了大量先進(jìn)的儀器設(shè)備，如云雷達(dá)、激光雷達(dá)、風(fēng)廓線雷達(dá)、GPS探空系統(tǒng)、系留氣艇探空系統(tǒng)、渦動(dòng)相關(guān)系統(tǒng)等，為培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力創(chuàng)造了良好的硬件支撐條件。

為了配合理論課的教學(xué)，我們?cè)黾恿艘婚T(mén)《大氣邊界層探測(cè)實(shí)習(xí)》作為學(xué)生的選修課。課程通過(guò)外場(chǎng)觀測(cè)實(shí)習(xí)、觀測(cè)儀器的使用、觀測(cè)資料的處理、資料分析等過(guò)程，增強(qiáng)了學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，同時(shí)也有助于提高學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。在安排實(shí)驗(yàn)課教學(xué)時(shí)，我們還根據(jù)學(xué)生所學(xué)專(zhuān)業(yè)的差異，分別對(duì)待。如大氣物理與大氣環(huán)境類(lèi)學(xué)生的實(shí)踐課就多偏重小尺度、微尺度的湍流觀測(cè)，資料處理，設(shè)備性能熟悉，等等；對(duì)于氣象學(xué)和氣候?qū)W專(zhuān)業(yè)的學(xué)生則偏重邊界層垂直結(jié)構(gòu)的觀測(cè)。

此外，為了進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)，在校方的大力支持下，我們還增加了暑期野外實(shí)習(xí)內(nèi)容。如2015年8月我們?cè)谔K州東山太湖邊開(kāi)展了為期1周的“太湖湖陸風(fēng)”野外實(shí)踐。該項(xiàng)目采用“研究性實(shí)習(xí)教學(xué)”的方法，針對(duì)一些學(xué)習(xí)成績(jī)優(yōu)秀，對(duì)邊界層研究感興趣的本科生進(jìn)行科學(xué)素養(yǎng)訓(xùn)練。此次野外實(shí)習(xí)過(guò)程，利用本團(tuán)隊(duì)自助研發(fā)的GPS—BL探空系統(tǒng)對(duì)太湖地區(qū)邊界層垂直結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了每天5次的垂直觀測(cè)。觀測(cè)過(guò)程中學(xué)生熟悉和理解了氣球的充氣、配重原理，儀器的性能結(jié)構(gòu)，熟悉了Matlab、Origin等數(shù)據(jù)圖形處理軟件的使用。實(shí)踐結(jié)束后，學(xué)生還以項(xiàng)目小組為單位進(jìn)行研究課題的答辯。通過(guò)上述實(shí)踐活動(dòng)培養(yǎng)了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，激發(fā)了他們對(duì)大氣邊界層研究的興趣和熱情，提高了他們開(kāi)展野外實(shí)踐的能力，同時(shí)還鍛煉了體力與意志。

三、結(jié)語(yǔ)

隨著時(shí)代的進(jìn)步，學(xué)科的發(fā)展，學(xué)生的特點(diǎn)也發(fā)生了改變，如何有效的提高教學(xué)質(zhì)量，是每一位高校教師必須認(rèn)真思考的問(wèn)題。

上述是我們經(jīng)過(guò)思考后提出的針對(duì)《邊界層氣象學(xué)》教學(xué)改革的系列舉措，這六項(xiàng)系列舉措在具體實(shí)施過(guò)程中并不是人為割裂的，而應(yīng)呈現(xiàn)出環(huán)環(huán)相扣、同期進(jìn)行、多管齊下的施教局面，這樣才能切實(shí)保障起課程教學(xué)的實(shí)際效果。同時(shí)，我們也認(rèn)為，針對(duì)《邊界層氣象學(xué)》教學(xué)改革還應(yīng)著重考慮以下這些問(wèn)題：教材的更新速度，教材質(zhì)量的提高；根據(jù)不同學(xué)科背景、不同專(zhuān)業(yè)方向的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)好教學(xué)內(nèi)容；在教學(xué)方式、方法上不斷創(chuàng)新，不斷提高教學(xué)效果；加強(qiáng)“理論聯(lián)系實(shí)際”，提升實(shí)踐課的教學(xué)質(zhì)量；加強(qiáng)師資隊(duì)伍的建設(shè)，不斷提高自身教學(xué)水平；等等。經(jīng)過(guò)上述一系列的教學(xué)實(shí)踐改革，在師生的共同努力下，我校學(xué)生學(xué)習(xí)該門(mén)課程的主動(dòng)性有了明顯增長(zhǎng)，對(duì)課程知識(shí)的掌握程度也有了顯著提高，并且有效地鍛煉了學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力，基本上取得了預(yù)期的教學(xué)目的和效果。教學(xué)改革是一項(xiàng)長(zhǎng)遠(yuǎn)任務(wù)，我們只有在改革過(guò)程中不斷思考，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題才能為國(guó)家和社會(huì)培養(yǎng)更多的有用人才。

參考文獻(xiàn)：

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