類比法在大氣探測學課程教學中的應用案例

李 浩，趙現(xiàn)斌，李克凡，王曉蕾，李書磊，關吉平

（1.國防科技大學 氣象海洋學院，長沙 410003；2.云南農業(yè)大學 機電工程學院，昆明 650500）

大氣探測學課程是大氣科學和應用氣象學等專業(yè)的基礎課程[1]，國防科技大學氣象海洋學院開設該課程已有三十多年的歷史，面對課程學時的不斷精簡、探測技術的快速發(fā)展、課程思政的時代要求、復合創(chuàng)新的人才培養(yǎng)等新趨勢，教學團隊秉承大氣探測學“理工結合，落實到工”的基本理念[2]，持續(xù)開展課程教學研究。類比法教學[3-4]按同類或相似事物規(guī)律相一致的特點，通過對未知或不確定對象與已知對象進行歸類比較，進而提出合理的猜測或預判。合理地運用類比法，有助于理解抽象復雜的概念、性質和原理等，有助于培養(yǎng)興趣、激發(fā)聯(lián)想、舉一反三。

大氣探測學課程具有“氣電一體，以氣為本”特點[2]，內容多、跨度大，特別需要和適合采用類比法。以大氣探測體系二維圖示[2]作為類比線索，本文簡明扼要地分析了個別性、特殊性和普遍性等典型類比法應用示范案例，突破形式邏輯的限制，注重提高類比的內涵和外延。以類比一覽表為主要形式，分析類比的共同屬性和平行類推，旨在探討類比法在大氣探測學課程中的應用。

一、記憶效應與熱滯效應的類比

熱滯效應是指氣溫表與被測大氣相接觸，由于溫度差異產生熱量交換，最終達到熱平衡需要一定時間的現(xiàn)象，又稱之為熱慣性[1，5]。大氣探測接觸式測量普遍存在滯后效應，滯后效應對于氣象儀器的響應特性、采樣間隔和數(shù)據(jù)處理具有重要影響。人的記憶效應和其他心理活動密切聯(lián)系，是一種基本的心理過程，可以直觀描述人對事物記憶和遺忘的循序漸進過程。每次信息重復輸入的維持記憶的時間各不相同，該效應對人類記憶認知研究產生了重大影響，加以利用可提升記憶能力。為了理解和掌握氣溫探測的熱滯效應，可以將其與人的記憶效應進行類比，見表1。

從表1 中的類比對象的內容可以看出，人的記憶效應與氣溫探測的熱滯效應適合進行類比的基礎和前提是具有相似的內容和共同屬性：記憶能力因人而異，不同的人對同一個內容的記憶效果是不一樣的，且需要記憶的文字信息也是多樣的；熱滯大小因儀器而異，不同的氣象儀器對同一地點氣溫測量的原始結果也不一致，且需要探測的氣溫分布是多樣的。

基于兩者相似的內容和共同屬性，可以開展形式邏輯類比，表1 中的平行類推條目：①人的當前記憶結果不是瞬時效應，而是前一段時期文字內容的積累；當前氣溫探測結果是前一段時期空氣熱量的積累，也就是說某時刻測溫元件的示值是讀數(shù)之前一段時間段內氣溫的積分結果。②在人的當前記憶中，越早的文字信息占比越少；當前氣溫探測結果中距讀數(shù)時間越早的氣溫貢獻越少，也就是說某時刻測溫元件的示值受該時刻實際氣溫的影響最大。③對不同韻律類型文字信息，人的記憶衰減快慢不一樣；測溫元件對不同變化規(guī)律的氣溫平均效果不一樣，也就是說測溫值與氣溫頻率特征有關。④重復閱讀周期越短，獲取的記憶就越準確；觀測采樣周期越短氣溫測量就越不失真，也就是說測溫采樣周期越小測值越準確，符合香農采樣定理的一般規(guī)律。

表1 記憶效應與熱滯效應類比一覽表

二、氣球測風與飛機測風的類比

氣球測風是把氣球看作隨氣流水平移動的質點，用儀器測量氣球相對于觀測點的空間坐標位置，確定氣球的運動軌跡。根據(jù)氣球在某時段內位置的變化，計算出它的水平速度，從而得到相應大氣層的平均風向和風速。氣象無人機基于探測任務的航跡規(guī)劃，可在危險的空中環(huán)境作業(yè)，可以重復探測且續(xù)航時間長，可實現(xiàn)大范圍目標區(qū)域連續(xù)探空，是高空氣象探測的新技術，其測風原理和方法比氣球測風復雜。在課程教學中，氣球測風一般先于無人機測風。為了理解和掌握氣象無人機測風技術[6]，可以將其與氣球測風進行類比，見表2。

表2 氣球測風與飛機測風類比一覽表

從表2 中的類比對象的內容可以看出，氣球測風與飛機測風適合進行類比的基礎和前提是具有相似的內容和共同屬性：氣球測風與飛機測風都屬于直接探測和示蹤物測風，都需要確定各自的運行軌跡和空間坐標；速度矢量合成的平行四邊形法則是普遍原理，即氣球與飛機均滿足速度的矢量合成，即風速等于地速減空速。

基于兩者相似的內容和共同屬性，可以開展形式邏輯類比，表2 中的平行類推條目：①氣球測風方法中示蹤物是氣球，氣球自身無動力且其空速為零；飛機測風法示蹤物是飛機，飛機是有動力的，因此其空速一般不為零，這與氣球的情況正好相反。②氣球的質量和體積較小，能夠完全響應風場，所以其地速等于風；飛機的飛行基于空氣流體力學原理，所以其地速的大小和方向均不等于風，地速值大于風速。③氣球受凈舉力和水平氣流作用自由漂移，其運動軌跡不可控；飛機具有動力部件和飛控系統(tǒng)，可以規(guī)劃航線實現(xiàn)機動飛行，并且可以加載更多的環(huán)境和姿態(tài)傳感器。④氣球在垂直方向上近似勻速上升，從而實現(xiàn)不同高度的空中風探測；飛機可以按水平歸零、S 彎曲線、爬升等多種方式飛行，實現(xiàn)空中多傳感器信息采集和空中風解算。

三、蝙蝠與氣象雷達遙感的類比

主動大氣遙感是指遙感器向大氣發(fā)射電磁波或聲波信號，并接收與大氣相互作用后的信號，從中提取氣象要素的方法和技術。氣象雷達遙感采用主動大氣遙感方法，探測云雨等氣象目標，反演大范圍氣象要素的時空分布，是最重要的大氣探測和危險天氣監(jiān)測手段之一[1]。蝙蝠具有回聲定位能力，蝙蝠的喉產生超聲波通過口腔發(fā)射出來，當超聲波遇到昆蟲或障礙物反射回來時，能夠用耳朵接受并判斷探測目標是昆蟲還是障礙物及其距離有多遠。歷史上，早期的雷達就是基于蝙蝠仿生學原理研制出來的。為了理解和掌握氣象雷達遙感技術，可以將其與蝙蝠回聲定位進行類比，見表3。

從表3 中的類比對象的內容可以看出蝙蝠回聲定位與氣象雷達遙感適合進行類比的基礎和前提是具有相似的內容和共同屬性：蝙蝠和氣象雷達都能持續(xù)不斷地主動發(fā)射波，并接收目標的后向反射回波，同屬于主動遙感技術；蝙蝠和氣象雷達都基于不接觸的方式，根據(jù)波所攜帶的目標信息，遠距離感知一個空間區(qū)域內目標的位置和性質。

基于兩者相似的內容和共同屬性，可以開展形式邏輯類比，表3 中的平行類推條目：①蝙蝠基于特定波長的超聲波進行主動遙感，但超聲波傳播距離較小，抗干擾性能較差；氣象雷達采用電子技術收發(fā)微波波段電磁波進行遙感，微波傳播距離較遠，抗干擾性能強。②蝙蝠的口能周期性地發(fā)出脈沖式超聲波，作為可測距的信號源，實現(xiàn)對目標的連續(xù)定位；氣象雷達的發(fā)射系統(tǒng)能周期性地發(fā)出脈沖電磁波，作為連續(xù)探測云雨位置和性質的信號源。③蝙蝠的耳朵和口腔聯(lián)動，轉動腦袋接收周圍不同目標反射的超聲波；氣象雷達的接收天線和發(fā)射天線公用，伺服系統(tǒng)完成掃描，接收區(qū)域范圍內云雨的后向散射波。④蝙蝠的大腦根據(jù)目標反射的超聲波信息，解算目標的位置和性質；氣象雷達的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)基于大氣電磁波傳輸和散射理論，反演云雨的位置和氣象要素。

表3 蝙蝠與氣象雷達遙感類比一覽表

四、稱重與氣象衛(wèi)星遙感的類比

氣象衛(wèi)星遙感屬于被動式大氣遙感，遙感器接收大氣自身發(fā)射的電磁輻射或反射自然源的電磁輻射，進而獲取大氣信息的方法和技術，已成為全球大氣探測極其重要的技術[1]。氣象衛(wèi)星和氣象雷達雖然都屬于大氣遙感，兩者區(qū)別在于氣象衛(wèi)星遙感器沒有發(fā)射部分，從而可以節(jié)省能源、縮小體積和減輕重量。由此帶來的難點是如何理解氣象衛(wèi)星遙感測量目標距離的基本原理，這是比較抽象的問題。不同于此前先修的氣象雷達，基于主動發(fā)射脈沖電磁波然后根據(jù)后向散射回波的延時完成測距。為了理解和掌握氣象衛(wèi)星遙感技術，可以將其與物體稱重問題進行抽象的原理類比，見表4。

從表4 中的類比對象的內容可以看出物體稱重問題與氣象衛(wèi)星遙感適合進行類比的基礎和前提是具有相似的內容和共同屬性：本文構建了力矩平衡稱重案例，任務是得到每個物體的重量，但稱重時只能同時測量多個物體而不允許單獨測量一個物體；氣象衛(wèi)星遙感任務是確定不同高度的氣溫，但衛(wèi)星只能同時測量整個大氣層向上的總輻射，而無法直接測量某一個特定高度處大氣的輻射。

基于兩者相似的內容和共同屬性，可以開展形式邏輯類比，表4 中的平行類推條目：①每次稱重允許調整每個物體在稱上的位置，但砝碼位置始終不變，當然砝碼配重有變化；遙感器的濾光輪可以調整從而改變接收通道，但輻射傳感器不變，當然接收輻射有變化。②改變物體在稱上的位置，砝碼配重有變化，但并不改變物體的重量；改變接收輻射的通道，雖然接收到的輻射有變化，但并不改變實際氣溫值。③每次均需要恰當?shù)卣{整物體在稱上的位置，以便使所關注的物體對砝碼配重影響最大；衛(wèi)星遙感需要設計遙感通道及其權重函數(shù)，以便使相應高度的氣溫對輻射測值影響最大。④將多次稱重的力矩平衡方程聯(lián)立，由于每次每個物體的力臂是已知的，從而可以求解每個物體的重量；將多通道衛(wèi)星測值聯(lián)立方程組，由于權重函數(shù)是已知的，可以反演氣溫垂直分布。

表4 稱重與氣象衛(wèi)星遙感類比一覽表

五、結束語

在大氣探測學教學改革建設中，根據(jù)課程的知識點體系及之間的邏輯關系，結合類比法教學一般方法，切實提高類比的可比性、啟發(fā)性、條理性[7-8]。需要注意，類比法屬于形式邏輯中的平行思維，中間隱含了歸納和演繹程序[4]。類比對象之間的共同屬性是類比的前提，兩者共性越多則類推結論越可靠，但類推結果的真實性仍然需要實踐檢驗。實踐表明，合理運用類比法教學可以培養(yǎng)興趣、激發(fā)聯(lián)想、舉一反三，是一種事半功倍的教學方法。