高師地理專業(yè)氣象學與氣候學課程中理科思維培養(yǎng)探究*

徐光來 徐曉華

（安徽師范大學 地理與旅游學院，安徽 蕪湖 241002）

地理科學是研究地球表層人類生存環(huán)境的空間差異、時間演化以及人與環(huán)境相互作用的科學，具有區(qū)域性、綜合性和文理工交叉的特征［1］。 其中，“地理”中的“理”是指事理、規(guī)律，或者是事物規(guī)律性的內(nèi)在聯(lián)系。 為了增加對知識點理解和應用的深度和廣度，在地理科學專業(yè)的課程，特別是部門自然地理學課程教學中，應該在講解區(qū)域某一地理要素時空變化特征的基礎上，結合與其他地理要素的相互作用，綜合分析某一地理要素變化的規(guī)律和影響機制。 因此，在教學上教師需要重視地理學的基礎理論和方法的認知，增強相關基礎理論在實際生產(chǎn)中的應用，突出創(chuàng)新實踐能力的培養(yǎng)［2-3］。

氣象學與氣候學是一門強調(diào)物理機制的學科，對課程理解程度，取決于對大氣中基本物理過程的掌握深度以及邏輯思維和綜合分析的能力［4］。 但地理專業(yè)中氣象學與氣候學課程內(nèi)容不同于氣象院校的體系，不必追求內(nèi)容的完整性［5］。 例如維恩位移定律，黑體輻射強度與單色輻射最大值對應的波長呈反比，學生需要了解其原由，但不需要掌握嚴格的公式推導過程。 因此在教學中穿插邏輯性、嚴密性較強的數(shù)理思維訓練有利于學生對知識的掌握。

理科思維包括邏輯、辯證、實證和創(chuàng)新思維等［6］。 與文科思維依靠抽象、直覺思考不同，理科思維善于用數(shù)據(jù)和邏輯推理去看待世界并解決問題，按照步驟解決，最終得到答案。 本文以理科思維為視角，在對氣象學與氣候學課程多年教學工作的經(jīng)驗總結基礎上，從引入基本原理、聯(lián)系生產(chǎn)實踐和了解科學前沿三個方面探尋氣象學與氣候學課程教學中理科思維培養(yǎng)的有效方法。

一、從基本原理深刻認識規(guī)律，培養(yǎng)邏輯思維

教材中有些理論和規(guī)律缺少前置基本原理，易導致學生對需掌握的基本規(guī)律知其然而不知其所以然，為避免此種狀況的發(fā)生，可通過引入知識窗的方式增強學生的理解。 引入的前置內(nèi)容雖然不作為本專業(yè)的考核要求，但是對于學生掌握規(guī)律有較大幫助。 如圖1 所示，引入的前置包括基本理論的提出、發(fā)展歷史和數(shù)學表達。 此外，還應對需掌握的理論或規(guī)律的延展或應用進行適當?shù)拿枋?，以便深入淺出。 引入的應用包括在大氣科學以及相關科學中的應用。 例如，在講解大氣的垂直分層中，大氣熱層溫度達到500k ～2000k 難以理解，可引入熱量與溫度概念并舉例幫助學生理解。

圖1 理論教學的邏輯體系

在講解大氣的熱能和溫度一節(jié)時，斯蒂芬玻爾茲曼定律與維恩位移定律可以通過普朗克定律進行推導，加深理解。 根據(jù)普朗克定律，黑體的輻射強度（ETb） 等于黑體所輻射的各單色波（λ） 的輻射強度之和，

引入頻率v=c／λ，

式中T為黑體的熱力學溫度，h 為普朗克常數(shù)，k 為玻爾茲曼常數(shù)，c 為光速，σ 為斯蒂芬玻爾茲曼常數(shù)。 斯蒂芬玻爾茲曼定律最初是由實驗數(shù)據(jù)歸納得到的，這里引入普朗克定律幫助學生認識定律背后的基礎定律。 同理，在講解維恩位移定律中，根據(jù)普朗克曲線單色輻射最大值對應的波長（λm） 處一階導數(shù)為零的條件， 可推導出λmT =const（常數(shù)）。

在大氣運動的動力學基礎一節(jié)中，地轉風（Vg）、高壓梯度風（Vac） 和低壓梯度風（Vc） 大小比較中，一般根據(jù)受力分析進行講解，講授過程比較抽象。 即同樣的氣壓梯度力，高壓梯度風具有和氣壓梯度力相同方向的慣性離心力，低壓梯度風具有和氣壓梯度力相反方向的慣性離心力，從而影響平衡時的風速。 這里可以利用風力大小的數(shù)學表達式演算進行講解，演算過程比較繁瑣，可在備課中提前進行，課件展示即可，最后結合教材中提供實測的各種風力大小的數(shù)據(jù)表加深理解。表1 給出了教學過程中一些引入的原理，供交流參考。

表1 氣象學與氣候學中部分相關基本原理

二、結合生產(chǎn)生活實例學習抽象理論，培養(yǎng)實證思維

在氣象學與氣候學教學中除了氣象要素觀測等實習或氣候統(tǒng)計等實踐以外，不同尺度的天氣、氣候實踐認知也是必要的。 即理論聯(lián)系實踐，知和行統(tǒng)一，從而促進知識點的深刻理解。 同時，實踐教學也能增強學生對國家或鄉(xiāng)土情懷的感知［8］。

如在水汽凝結條件的教學過程中，為讓學生理解在凝結核充足的條件下，水汽不必達到飽和狀態(tài)也可以凝結，可結合應用研究中，高速公路團霧發(fā)生時，相對濕度在85%～95%之間，水汽并未達到常態(tài)下的飽和［9］，從而加強學生具體的認識。 在霧的形成中，可結合本專業(yè)廬山地理實習中，位于山地迎風坡的錦繡谷區(qū)和如琴湖區(qū)域發(fā)生霧的概率比較大，位于山地背風坡的回龍路和黃龍寺區(qū)域發(fā)生霧的概率比較小的現(xiàn)象，加深學生對上坡絕熱冷卻、下沉絕熱增溫以及區(qū)域小氣候的實踐認知。 表2 列出了一些教學過程中實例，供交流參考。

表2 氣象學與氣候學中部分相關實例

三、了解學科前沿，更新知識內(nèi)容，培養(yǎng)創(chuàng)新思維

當前，大氣科學相關理論的研究逐漸推進，雷達、遙感等技術快速發(fā)展以及全球氣候變暖已成共識，極端天氣事件發(fā)生頻率加快等背景下，氣象學與氣候學涉及的一些理論、方法和技術手段需要進行更新和改進，以適應當前地理科學專業(yè)課教學的需要［10］。 同時，對前沿理論和技術的了解有助于學生進行探索性學習，學會分析當前氣象學與氣候學理論和方法中還存在的問題和不足，進而實現(xiàn)啟發(fā)式創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。

在理論教學中，結合最新的研究成果和發(fā)展概況，加強學生的探索性學習。 例如《熱帶氣旋命名》（GB／T 19202—2017）、《梅雨監(jiān)測指標》（GB／T 33671—2017）、 《 寒 潮 等 級》 （ GB／T 21987—2017）、《厄爾尼諾／拉尼娜事件判別方法》（QX／T 370—2017）和《IPCC 第六次評估報告》等，這些命名、標準或報告內(nèi)容是什么，經(jīng)歷了怎樣的討論過程，這些需要引導學生去思考。對一些尚在研究的領域，引導學生查閱文獻或相關資料，如三圈環(huán)流模型中緯度環(huán)流圈的認識［11］、數(shù)值天氣預報制作過程和準確率、其他行星大氣組成和結構等。

氣候變化以及人類活動對氣候的影響是與當前科學前沿聯(lián)系最多的章節(jié)，在教學過程中注意引導學生思考新技術的原理、實用領域和存在的問題等。 例如當前氣候變化研究中海洋沉積、黃土沉積、冰芯、珊瑚、樹木年輪等主要信息源，粒度、同位素、孢粉、硅藻、有孔蟲等代用指標，以及14C、古地磁、光釋光、ESR 等主要測年技術。 教學過程中結合氣候變化最新研究論文，使學生了解當前人類對氣候變化的認識水平，還有哪些有待進一步研究。 如青藏高原的“亞洲水塔”效應及其對氣候變化的響應等研究［12］。

在氣象要素實習指導中，以往的人工百葉箱檢測已經(jīng)被自動檢測取代，需要學生了解最新檢測技術的原理和精度等。 此外，大尺度的監(jiān)測方面，教學中融入激光云高儀、能見度儀、閃電定位儀、自動氣象站、氣象衛(wèi)星遙感、智能圖像識別等新技術手段的介紹，讓學生了解氣象科學的最新技術手段。 表3 列出了一些較新的知識內(nèi)容，供交流參考。

表3 一些氣象學與氣候學相關新知識

四、小結

氣象學與氣候學是地理科學專業(yè)中對數(shù)理基礎要求較高的課程，在教學中適當引入基礎理論，聯(lián)系生產(chǎn)生活實踐以及緊扣學科前沿等理科思維的培養(yǎng)，有助于深入學習理論規(guī)律和構建知識點間的邏輯體系，從而達到融會貫通、深入淺出的學習效果。 同時，氣象學與氣候學是地理學專業(yè)的專業(yè)基礎課，通過本課程建立嚴謹?shù)臄?shù)理思維習慣，能為今后綜合自然地理和區(qū)域地理的系統(tǒng)綜合性學習打下良好的專業(yè)基礎。 本文以教學實踐為基礎，對氣象學與氣候學中理科思維的培養(yǎng)提出了初步建議，以期和同行交流，取得良好的教學效果。