大氣科學(xué)實(shí)踐教學(xué)改革的探索思考＊

王麗娟，唐衛(wèi)亞，江燕如，陳旭紅，王 妍，朱素行，譚桂容，杜寧珠

（1.南京信息工程大學(xué)大氣與環(huán)境實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，江蘇 南京210044；2.南京信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京210044）

實(shí)踐教學(xué)是大學(xué)教學(xué)中與理論教學(xué)相對應(yīng)的重要教學(xué)方式，是培養(yǎng)應(yīng)用型人才的核心教學(xué)環(huán)節(jié)。和理論教學(xué)的主要側(cè)重點(diǎn)不同，實(shí)踐教學(xué)注重以學(xué)生為主體，教師引導(dǎo)學(xué)生將所學(xué)的理論知識(shí)應(yīng)用到解決實(shí)際問題上，從而提高學(xué)生動(dòng)手能力和解決問題的能力。如果實(shí)踐教學(xué)效果理想，則有利于學(xué)生畢業(yè)進(jìn)入工作崗位后能更快地適應(yīng)用人單位的需求。因此，加強(qiáng)實(shí)踐課程的教學(xué)是保證人才培養(yǎng)質(zhì)量的有效手段。

近年來，隨著中國氣象業(yè)務(wù)現(xiàn)代化進(jìn)程加速發(fā)展，中國各級(jí)氣象臺(tái)站廣泛使用了多種國內(nèi)外數(shù)值天氣預(yù)報(bào)產(chǎn)品和客觀定量化的預(yù)報(bào)方法，與此同時(shí)，中國氣象局進(jìn)一步意識(shí)到必須高度重視預(yù)報(bào)員的主觀分析和預(yù)報(bào)技能，在全國新任預(yù)報(bào)員上崗培訓(xùn)中明確要求需熟練掌握天氣分析技術(shù)。這就要求大氣科學(xué)類專業(yè)學(xué)生不僅要有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，還需具備較強(qiáng)的實(shí)踐應(yīng)用能力。為提高實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量，不斷致力于實(shí)踐教學(xué)環(huán)境的升級(jí)[1]、實(shí)踐教學(xué)與方法的研究和創(chuàng)新[2-3]，以大氣科學(xué)類專業(yè)學(xué)生必修的“天氣預(yù)報(bào)綜合實(shí)習(xí)”課程為試點(diǎn)，根據(jù)課程特點(diǎn)，針對實(shí)踐教學(xué)改革進(jìn)行了大膽的嘗試，以期為其他大氣科學(xué)實(shí)踐類課程的改革提供參考。

1 課程現(xiàn)狀及存在的問題

“天氣預(yù)報(bào)綜合實(shí)習(xí)”是大氣科學(xué)類專業(yè)學(xué)生必修的專業(yè)實(shí)踐課之一，學(xué)生通過實(shí)踐學(xué)習(xí)進(jìn)一步理解和鞏固“天氣學(xué)原理”和“中國天氣”等課程的理論知識(shí)，更加熟練掌握天氣分析方法和各項(xiàng)技術(shù)要求，進(jìn)一步理解各類重要天氣分析的著眼點(diǎn)，初步建立單站未來24 h的晴雨天空狀況，最高、最低溫度和風(fēng)向風(fēng)速的短期天氣預(yù)報(bào)思路，為后續(xù)“臨近和短時(shí)天氣預(yù)報(bào)”課程[4]的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。

經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，“天氣預(yù)報(bào)綜合實(shí)習(xí)”課程的教學(xué)過程存在以下幾個(gè)方面的問題。

1.1 學(xué)生對實(shí)踐課的認(rèn)識(shí)不夠

很多學(xué)生對實(shí)踐課的重要性缺乏認(rèn)識(shí)，一直重理論輕實(shí)踐，認(rèn)為實(shí)踐課是理論課的附屬品，沒有真正認(rèn)識(shí)到實(shí)踐課的重要性。很多學(xué)生認(rèn)為該課程可學(xué)可不學(xué)，經(jīng)常應(yīng)付了事，長期以來的觀念誤區(qū)導(dǎo)致學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力與用人單位的要求有一定的差距。因此，調(diào)整思想觀念，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極主動(dòng)性，增強(qiáng)對實(shí)踐課重要性的認(rèn)識(shí)迫在眉睫。

1.2 課程內(nèi)容的拓展性需進(jìn)一步加強(qiáng)

在授課的過程中，經(jīng)常用實(shí)時(shí)的多源氣象資料講解當(dāng)日、當(dāng)?shù)氐奶鞖鈱?shí)況及未來24 h的公眾要素預(yù)報(bào)，此舉是為了讓學(xué)生切身感受到天氣與各類氣象要素的配置關(guān)系，存在一定的局限性，使得一旦遇到其他天氣或者預(yù)報(bào)其他站點(diǎn)的天氣時(shí)，學(xué)生會(huì)覺得無從下手。

2 改革措施探索

針對“天氣預(yù)報(bào)綜合實(shí)習(xí)”課程目前存在的問題，結(jié)合課程的專業(yè)特色，從教學(xué)理念、教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容等方面作出相應(yīng)的改革探索。

2.1 強(qiáng)化教學(xué)理念

部分學(xué)生對整個(gè)專業(yè)課程設(shè)置的脈絡(luò)不清楚，只為順利拿到學(xué)分，不知道這門課程的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，在學(xué)習(xí)中漫不經(jīng)心，對所學(xué)知識(shí)不能融會(huì)貫通，重知識(shí)記憶而忽略學(xué)習(xí)方法的掌握和學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)。因此，授課之初向?qū)W生傳遞該課程的開設(shè)理念尤為重要，強(qiáng)調(diào)該課程不是一個(gè)單獨(dú)的環(huán)節(jié)，而是一個(gè)承上啟下的重要環(huán)節(jié)，既是對所學(xué)理論知識(shí)的梳理、應(yīng)用，又是為后期課程的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。此外，需要跟學(xué)生強(qiáng)調(diào)的是，通過將理論應(yīng)用到實(shí)際問題解決過程中，可將理論與實(shí)際融為一體，更好地加深對理論知識(shí)的理解。在教學(xué)中，結(jié)合各類天氣可能帶來的災(zāi)害以及由于天氣預(yù)報(bào)重大失誤造成嚴(yán)重?fù)p失的案例，讓學(xué)生樹立起“防災(zāi)減災(zāi)，氣象先行”的理念，培養(yǎng)擔(dān)當(dāng)精神，將立德樹人融入教育教學(xué)全過程，將氣象人的社會(huì)責(zé)任、職業(yè)道德等要素植入課程教學(xué)。

2.2 改革教學(xué)方法

教學(xué)活動(dòng)因教師、學(xué)生和教材的存在成為了可能，因教學(xué)方法的選擇和應(yīng)用成為了現(xiàn)實(shí)，教學(xué)方法直接影響到教學(xué)質(zhì)量。傳統(tǒng)教學(xué)[4]僅注重教學(xué)過程中教師的單向傳授，改革著眼于將教師單向傳遞的信息有效被學(xué)生吸收、內(nèi)化，從而使課堂成為師生互動(dòng)、同學(xué)協(xié)作和交流的課堂。

2.2.1 虛擬仿真將“無形”化為“有形”

虛擬仿真技術(shù)（Virtual Reality）是在20世紀(jì)80年代新崛起的一種綜合集成技術(shù)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)至少需具備兩個(gè)特征：沉浸性和交互性[6]。大氣科學(xué)以大氣運(yùn)動(dòng)規(guī)律、天氣氣候事件成因、預(yù)報(bào)預(yù)測與評(píng)估、服務(wù)技術(shù)為研究對象的一門學(xué)科。其研究對象主要是覆蓋地球的大氣圈以及太陽大氣層系其他行星的大氣。大氣環(huán)流的演變及分析過程在實(shí)驗(yàn)室不可真實(shí)實(shí)現(xiàn)，依靠真實(shí)實(shí)驗(yàn)無法達(dá)成系統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)目的，基于計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，化“無形”為“有形”，增加了過去無法展現(xiàn)的教學(xué)內(nèi)容。實(shí)現(xiàn)了基本原理形象再現(xiàn)、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)可操作，使基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚋鶕?jù)課程需要設(shè)置，使真實(shí)實(shí)驗(yàn)與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)相互補(bǔ)充，形成了“基礎(chǔ)—技能—?jiǎng)?chuàng)新”三層次完整的實(shí)踐教學(xué)體系，適應(yīng)現(xiàn)代氣象業(yè)務(wù)需求的高素質(zhì)創(chuàng)新人才培養(yǎng)的需要。通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生對于各類天氣有了更直觀感性的認(rèn)識(shí)，基于信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)獲取、分析和處理氣象數(shù)據(jù)的能力得到了大幅提升。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)化抽象為具體，有效地激發(fā)了學(xué)生的想象力，促進(jìn)了實(shí)踐創(chuàng)新，提升了學(xué)生的信息化應(yīng)用能力。

2.2.2 會(huì)商式教學(xué)激發(fā)學(xué)生主觀能動(dòng)性

學(xué)生開展天氣會(huì)商討論如圖1所示。

圖1 學(xué)生在課堂上圍繞當(dāng)日的主題開展天氣會(huì)商討論

天氣現(xiàn)象的產(chǎn)生是一個(gè)復(fù)雜的過程，每一次天氣過程都有其特殊性，不重復(fù)出現(xiàn)。它既受大尺度環(huán)流形勢的控制，又可能有中小尺度天氣系統(tǒng)的影響；既有日變化的影響，也有可能受地形條件的制約；有時(shí)會(huì)各種因素相互關(guān)聯(lián)，盤根錯(cuò)節(jié)。但具體某一次天氣過程究竟受哪幾種因子影響、何種因子起主導(dǎo)作用，有時(shí)是很難把握的。由于每個(gè)學(xué)生的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)、掌握到的方法存在差異，因而天氣過程分析中主觀性、隨意性、經(jīng)驗(yàn)性占很大成分，其結(jié)果必然與分析的質(zhì)量密切相關(guān)。從多年的教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，如果把天氣會(huì)商這一環(huán)節(jié)重視起來，則可以把每個(gè)學(xué)生的分析觀點(diǎn)綜合起來，使對天氣過程的演變規(guī)律的認(rèn)識(shí)更全面、深入，起到集思廣益的作用，作出更準(zhǔn)確、更符合實(shí)際情況的天氣過程分析。會(huì)商式教學(xué)法既有利于培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力，又有利于培養(yǎng)學(xué)生的語言表達(dá)能力，在會(huì)商的過程中取長補(bǔ)短，提高對天氣過程演變的認(rèn)識(shí)。

2.3 拓展教學(xué)內(nèi)容

各類天氣過程都有其共性，但具體到某一次天氣過程又有其特性，課堂教學(xué)中，由于課時(shí)有限，學(xué)生接觸的實(shí)例較少，當(dāng)面對一個(gè)新的天氣個(gè)例時(shí)，無法將所學(xué)知識(shí)與當(dāng)前個(gè)例聯(lián)系起來。針對這一問題，可采用歷史氣象資料建立各類天氣過程中公眾氣象要素預(yù)報(bào)分析的實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，學(xué)生利用課余時(shí)間在平臺(tái)上進(jìn)行個(gè)例拓展學(xué)習(xí)[7]，增加自己的專業(yè)見識(shí)，提高常規(guī)氣象資料和非常規(guī)氣象資料的應(yīng)用能力，鍛煉分析問題、解決問題的實(shí)踐能力。

實(shí)踐平臺(tái)以“學(xué)—練—測—評(píng)”為主線，功能設(shè)計(jì)主要包括三大模塊，分別為用戶管理模塊、基礎(chǔ)知識(shí)功能模塊和模擬實(shí)踐功能模塊，具體如圖2所示。

圖2 天氣預(yù)報(bào)綜合實(shí)習(xí)實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)功能設(shè)計(jì)

2.3.1 用戶管理模塊

此平臺(tái)的用戶包括管理者、教師和學(xué)生三類，用戶在平臺(tái)上填寫真實(shí)信息注冊后，管理者針對用戶的級(jí)別設(shè)置相應(yīng)的權(quán)限、分配相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。管理者對各類信息資料進(jìn)行管理和匹配后，教師和學(xué)生 在登錄后會(huì)看到各自的任務(wù)提示，學(xué)生看到的是本課程需要學(xué)習(xí)、掌握的內(nèi)容，在學(xué)生提交實(shí)習(xí)成果后，教師登錄系統(tǒng)后就有相應(yīng)的提示，提醒老師批閱學(xué)生的實(shí)習(xí)成果，有助于老師了解學(xué)生掌握課程知識(shí)的程度，以便于更好地對學(xué)生進(jìn)行指導(dǎo)。

2.3.2 基礎(chǔ)知識(shí)功能模塊

這個(gè)模塊主要是模擬在線教學(xué)模塊，包括常見各類天氣的預(yù)報(bào)著眼點(diǎn)、各氣象要素預(yù)報(bào)的重點(diǎn)難點(diǎn)及課外知識(shí)拓展和課堂練習(xí)，學(xué)生在線學(xué)習(xí)完理論知識(shí)后，進(jìn)入課堂練習(xí)模塊，可以考查學(xué)生是否已掌握相關(guān)的理論知識(shí)。

其中，基礎(chǔ)理論知識(shí)部分主要功能是“學(xué)”，教師在平臺(tái)上提供教學(xué)的PPT、文檔、圖片、動(dòng)畫、視頻等輔助教學(xué)資源，學(xué)生在課前學(xué)習(xí)了平臺(tái)上的相關(guān)資源后，可以利用課堂時(shí)間，教師集中解決學(xué)生在平臺(tái)上學(xué)習(xí)時(shí)所產(chǎn)生的困惑和疑問。需要注意的是，平臺(tái)會(huì)記錄學(xué)生在平臺(tái)上學(xué)習(xí)各模塊用到的時(shí)間及瀏覽記錄，防止學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)出現(xiàn)走過場、應(yīng)付式的學(xué)習(xí)等情況，切實(shí)提高學(xué)生課前預(yù)習(xí)的質(zhì)量。

在重點(diǎn)、難點(diǎn)部分主要是采用虛擬仿真的方式，模擬各類天氣演變的整個(gè)過程，以啟發(fā)式教學(xué)法讓學(xué)生通過實(shí)際調(diào)節(jié)各參數(shù)指標(biāo)，觀察天氣過程的演變，有利于學(xué)生對相應(yīng)天氣發(fā)生發(fā)展的條件有更直觀的感受，方便學(xué)生更好地理解基礎(chǔ)理論中涉及的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。

課外知識(shí)拓展部分是對基礎(chǔ)理論知識(shí)內(nèi)容的補(bǔ)充，學(xué)生根據(jù)自身能力進(jìn)行相應(yīng)的學(xué)習(xí)，課堂上，教師采用的是“會(huì)商式”教學(xué)方法。教師課前根據(jù)平臺(tái)上學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度，將學(xué)生合理分組，安排適合各組學(xué)生難度的討論主題，引導(dǎo)學(xué)生圍繞主題組織會(huì)商討論，并要求學(xué)生在課堂結(jié)束時(shí)進(jìn)行會(huì)商發(fā)言，既能促進(jìn)學(xué)生之間的團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)又能避免出現(xiàn)浮于表面的討論，提高課堂效率。

課堂練習(xí)部分主要是采用互動(dòng)教學(xué)方法，將基礎(chǔ)理論知識(shí)點(diǎn)作為主要考查內(nèi)容，通過學(xué)生在平臺(tái)上的答題情況，引導(dǎo)學(xué)生自己檢驗(yàn)學(xué)習(xí)成效，便于后期查漏補(bǔ)缺，有利于提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，培養(yǎng)和提升學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。

2.3.3 模擬實(shí)踐功能模塊

雖然我們一直在不斷地強(qiáng)調(diào)學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)，但以往的實(shí)踐能力是以“知識(shí)”的形式加以傳授，從而導(dǎo)致學(xué)生缺乏應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力。在基礎(chǔ)知識(shí)功能模塊部分，展示的是比較重要的天氣預(yù)報(bào)過程的分析，有利于學(xué)生將理論知識(shí)與實(shí)踐聯(lián)系起來。在模擬實(shí)踐功能模塊部分，主要著重“練”和“測”，每種天氣都提供多個(gè)實(shí)例的常規(guī)及非常規(guī)氣象資料，以學(xué)生為主體，讓學(xué)生獨(dú)立分析每類天氣的演變。只有通過解決實(shí)際問題，學(xué)生才能清楚地認(rèn)識(shí)到自己沒有學(xué)透的具體的知識(shí)點(diǎn)，從而可以以在線交流或者在論壇提問的方式，主動(dòng)與教師進(jìn)行互動(dòng)，確保能夠及時(shí)、有針對性地解決問題。教師根據(jù)學(xué)生提交的分析結(jié)果及在線交流和論壇中的提問，掌握學(xué)生的薄弱環(huán)節(jié)，并可通過平臺(tái)有的放矢替學(xué)生答疑解惑，實(shí)現(xiàn)“評(píng)”的功能。這樣的教學(xué)方式，既發(fā)揮了學(xué)生的主觀能動(dòng)性，培養(yǎng)和提升了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新思維能力，又有助于教師幫助學(xué)生完成知識(shí)的內(nèi)化，提高教學(xué)效果。

3 改革特色

3.1 充分發(fā)揮開放式智慧教室作用

傳統(tǒng)的教學(xué)活動(dòng)中教學(xué)方法是根據(jù)計(jì)劃學(xué)時(shí)數(shù)，依據(jù)教學(xué)計(jì)劃按照教學(xué)進(jìn)度在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行規(guī)定內(nèi)容的講解，這種教學(xué)模式?jīng)]有充分激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，不利于培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力。為充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，打破“天氣預(yù)報(bào)綜合實(shí)習(xí)”課程教學(xué)受學(xué)時(shí)的限制，在多年的傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)方法的基礎(chǔ)上，通過智慧教室為線上線下混合教學(xué)提供的開放實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，支持學(xué)生探索不同層次的、多樣化的綜合開放教育模式。學(xué)生可以根據(jù)自身實(shí)際情況，事先向開放實(shí)驗(yàn)室提出實(shí)習(xí)申請，實(shí)驗(yàn)室根據(jù)學(xué)生人數(shù)及申請時(shí)間，安排教師對其進(jìn)行針對性的指導(dǎo)，如圖3所示，可以使學(xué)生加深和鞏固所學(xué)知識(shí)，引導(dǎo)學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中積極思考，提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力。

圖3 智慧教室

3.2 教學(xué)方式方法多樣化

根據(jù)教學(xué)大綱構(gòu)建一個(gè)實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)平臺(tái)作為課堂教學(xué)的輔助，并且根據(jù)不同的模塊功能，采用案例法、虛擬仿真和會(huì)商式教學(xué)法，充分開展“以學(xué)生為主體”的實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)，進(jìn)一步強(qiáng)化學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神培養(yǎng)，達(dá)到了良好效果。

4 結(jié)論

通過課堂教學(xué)與“天氣預(yù)報(bào)綜合實(shí)習(xí)實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)”相結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)模式的探索，初步可解決目前“天氣預(yù)報(bào)綜合實(shí)習(xí)”課程面臨的困境，針對不同教師、不同學(xué)生、不同教學(xué)內(nèi)容采用靈活多樣的教學(xué)方法，使學(xué)生從理論知識(shí)的學(xué)習(xí)、不同案例的分析練習(xí)、各類氣象要素預(yù)報(bào)的測試到教師答疑解惑、對學(xué)生學(xué)習(xí)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)這一全部過程得到完整的培訓(xùn)，既培養(yǎng)了教師因材施教能力，又培養(yǎng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的意識(shí)和分析問題、解決問題的能力以及團(tuán)隊(duì)合作精神，激發(fā)了學(xué)生主動(dòng)性、探究性和創(chuàng)新性的潛能。目前，初步打算挑選20個(gè)左右大氣科學(xué)專業(yè)的學(xué)生進(jìn)行試驗(yàn)學(xué)習(xí)，根據(jù)后期課程“臨近和短時(shí)天氣預(yù)報(bào)”的反饋，調(diào)整這種實(shí)踐教學(xué)方式實(shí)施中遇到的各種問題。預(yù)期接受過這種創(chuàng)新性教學(xué)方式的學(xué)生在對大氣環(huán)流特征的分析和影響系統(tǒng)的分析明顯強(qiáng)于未接受的，在撰寫實(shí)習(xí)報(bào)告方面，文檔結(jié)構(gòu)、專業(yè)術(shù)語的應(yīng)用更合理，會(huì)商發(fā)言時(shí)思路更清晰、表達(dá)更流暢，預(yù)報(bào)思路的建立更快、更好，但實(shí)際教學(xué)效果還有待進(jìn)一步調(diào)研評(píng)估。