科教融合背景下空氣污染氣象學教學方案完善研究

王穎，陳 強

（蘭州大學 大氣科學學院，蘭州 730000）

教學和科研是高等教育的兩項基本任務(wù)。教學是大學的根與本，科研是教學的應用與實踐，兩者是相輔相成、互為補充、相互促進的辯證統(tǒng)一關(guān)系。教學和科研在高等教育的地位和作用一直是大學教育爭論的焦點，受學校排名、職稱評審等多方面因素影響，大部分高校存在“重科研、輕教學”的情況，導致教學質(zhì)量不斷下降[1]。為了平衡發(fā)展高水平研究支撐高水平教學的教育理念、創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式、深化課程體系改革，并為提高本科教育質(zhì)量提供強力支撐，國內(nèi)大學進行了大量探索性工作[2]，逐步形成了多種教學科研融合的方式，包括：在辦學理念上突出本科教學的重要性，培養(yǎng)體系中不斷加強本科生科研訓練，教學方法上逐步推廣研究性教學，在教學隊伍上推動科研高水平教師承擔本科教學工作，職稱晉升及獎勵體系中突出教學指標的比重等[3]。很多高校教師結(jié)合多年教學經(jīng)驗，不斷將科技創(chuàng)新成果融入課堂、動態(tài)更新教學內(nèi)容，積極探索并提升教學質(zhì)量[4]，充分發(fā)揮大學在培養(yǎng)全方面人才中的作用。

國內(nèi)、外高水平大學的實踐表明，將科研實踐融入課堂教學，實施教學與科研融合引領(lǐng)高等教育人才培養(yǎng)模式的變革，既是高校辦學實踐的產(chǎn)物[5]，也是高校培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的重要手段和主要途徑[6]。教育部在《關(guān)于深化本科教育教學改革全面提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的意見》（教高〔2019〕6 號）中提出并要求在本科教育中要立足經(jīng)濟社會發(fā)展需求和人才培養(yǎng)目標；加強課程體系整體設(shè)計；提高課程建設(shè)規(guī)劃性、系統(tǒng)性；推動科研反哺教學，強化科研育人功能；推動高校及時把最新科研成果轉(zhuǎn)化為教學內(nèi)容，激發(fā)學生專業(yè)學習興趣；加強對學生科研活動的指導，以高水平科學研究提高學生創(chuàng)新和實踐能力?？茖W研究與教育教學相互融合已經(jīng)成為我國各高等院校培育高層次、高能力和高素質(zhì)人才的重要手段和主要路徑之一，對培養(yǎng)高水平的創(chuàng)新型、應用型人才具有十分重要的意義[7]。

大氣環(huán)境問題的嚴重性和大氣環(huán)境保護工作的重要性，迫切需要高校通過科研與教學融合，培養(yǎng)創(chuàng)新型、應用型和復合型人才。隨著我國經(jīng)濟社會發(fā)展規(guī)模不斷擴大，經(jīng)濟環(huán)境矛盾日益突出，能源和資源的需求不斷增長，導致大氣污染問題日益突出，呈現(xiàn)出以PM2.5和O3為特征污染物的區(qū)域大氣復合污染特征。大氣污染不僅危害人群健康，影響正常生產(chǎn)生活活動，其對天氣和氣候的影響也不容忽視。因此，大氣環(huán)境保護事關(guān)人民群眾根本利益，事關(guān)經(jīng)濟可持續(xù)健康高質(zhì)量發(fā)展，事關(guān)全面建成小康社會和美麗中國建設(shè)。

大氣污染成因的復雜性和大氣環(huán)境治理的艱巨性，決定了大氣污染防治工作的科學性。精準施策、靶向治理，迫切需要科教融合模式培養(yǎng)的專業(yè)人才。大氣環(huán)境質(zhì)量由污染源排放和氣象條件決定，污染源排放是造成大氣污染的根本原因，氣象條件是誘因。大氣污染來源復雜，受人為源排放和自然源排放雙重影響[8-9]，污染物種類繁多，在各種尺度大氣過程作用下，呈現(xiàn)不同的時空變化特點，大氣污染成因復雜，迫切需要高校培養(yǎng)專業(yè)型人才，服務(wù)于國家大氣環(huán)境保護戰(zhàn)略，服務(wù)于區(qū)域和城市大氣污染防治。

污染氣象學是近代大氣科學研究的一個新的分支學科，也是大氣環(huán)境問題研究與應用的重要領(lǐng)域，其應用型學科性質(zhì)決定了教學環(huán)節(jié)實施科教融合具有重要意義。污染氣象學的主要教學內(nèi)容是研究大氣環(huán)境中污染物擴散、輸送和沉降等物理過程和化學轉(zhuǎn)化過程的基本特征及變化規(guī)律，并通過模擬的方法預測空氣污染物的濃度分布及其對環(huán)境空氣質(zhì)量的影響。污染氣象學研究的目的是指導學生運用氣象學原理和方法，處理以大氣擴散和轉(zhuǎn)化為核心的空氣污染問題，更好地服務(wù)于經(jīng)濟與社會可持續(xù)發(fā)展。

一、空氣污染氣象學教學現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)高校普遍使用的空氣污染氣象學教材是南京大學蔣維楣等編著、氣象出版社出版的《空氣污染氣象學教程》[10]，該教材于1993 年第一次出版，2004 年3 月發(fā)行了第二版，刪減了污染氣象學在廠址選擇和煙囪高度設(shè)計等方面的應用，并在復雜地形污染擴散模擬方面增加了一些新的研究方法，但教程的核心內(nèi)容仍然是描述高斯擴散體系的污染擴散模擬。這種方法可以較好地解決以燃煤型污染為特征的空氣污染問題，是我國大氣污染防治早期階段的主要技術(shù)方法。但隨著社會經(jīng)濟的進步及大氣科學的發(fā)展，污染物濃度監(jiān)測和大氣污染問題研究方法推陳出新，現(xiàn)有的教材已無法滿足復雜大氣污染問題應用型研究人才培養(yǎng)的需要。在課程講授中結(jié)合學科前沿和應用研究進展，將科研成果融入教學中，踐行理論知識與科研實踐結(jié)合，全面提升理論基礎(chǔ)教學水平。

二、空氣污染氣象學教學內(nèi)容

空氣污染氣象學的主要目的是培養(yǎng)解決實際大氣環(huán)境問題的應用型專業(yè)人才。因此，緊密結(jié)合國家環(huán)境保護政策和地方大氣污染防治需求，增加區(qū)域污染擴散模擬、污染過程分析等應用技術(shù)內(nèi)容，突出教學理論的實際應用性，使學生更為全面、具體和深入地理解課程的基礎(chǔ)理論、應用方向和研究意義，為未來從事環(huán)境科學研究和污染防治工作打下堅實的理論基礎(chǔ)。

空氣污染氣象學的基本理論體系包括空氣污染氣象學基本概念、污染擴散的基本理論、污染擴散模擬的基本方法及污染氣象學的應用等四部分內(nèi)容，主要教學內(nèi)容如圖1 所示。

圖1 空氣污染氣象學教學內(nèi)容體系圖（下劃線為與科研結(jié)合的教學內(nèi)容）

（一）空氣污染氣象學基本概念

空氣污染問題的基本概念包括空氣污染的定義、污染物來源、污染物濃度表示方法、影響污染物散布的主要因子，以及污染氣象學的研究內(nèi)容、意義及研究進展。教學目的是讓學生掌握污染氣象學的基本概念，形成對污染氣象學的整體認識。該部分知識點應增加環(huán)境空氣質(zhì)量和環(huán)境管理體系的背景知識，使學生全面了解我國的環(huán)境空氣質(zhì)量管理體系。在教學中結(jié)合國家大氣污染防治法、環(huán)境污染控制方法、環(huán)境空氣質(zhì)量標準和環(huán)境質(zhì)量指數(shù)等基本知識，讓學生深層次理解污染氣象的基本概念、研究方法和防治目標，了解大氣污染治理的方向和需求，逐步形成對大氣環(huán)境保護研究和大氣污染防治體系的認識。

（二）污染擴散的基本理論

描述污染物在大氣中的擴散的方法主要有拉格朗日方法和歐拉方法，以及三種基礎(chǔ)理論——梯度輸送理論、統(tǒng)計理論和相似理論，教學的目的是讓學生掌握污染擴散體系的基本原理和物理機制，要求學生具備流體力學、大氣環(huán)境化學和邊界層氣象學等基礎(chǔ)。課程講授中應緊密結(jié)合我國目前PM2.5和O3的復合型污染的特征，增設(shè)二次顆粒物生成和O3形成的大氣環(huán)境化學機理的介紹，讓學生了解污染物在大氣中的化學過程，為后期數(shù)值模式學習及污染氣象成因分析奠定基礎(chǔ)。

（三）污染擴散模擬的基本方法

污染擴散模擬是這門課程的重點與核心，主要講授理想條件下高斯點源、面源和線源擴散公式及擴散公式兩個重要參數(shù)（擴散參數(shù)和抬升高度）的計算方法?？諝馕廴練庀髮W教材的高斯擴散體系是我國第一代空氣質(zhì)量模型[11]，是污染擴散相關(guān)理論知識體系中最基礎(chǔ)的內(nèi)容。高斯擴散模型（GAUSS 模式）通過簡化質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程和熱通量守恒方程等控制方程，獲得物理概念清晰的擴散公式。該模式是目前廣泛應用的AERMOD 模式、CALPUFF 模式的基礎(chǔ)模型。為了培養(yǎng)學生具備污染擴散模擬的能力，講授中應增加大氣環(huán)境影響評價技術(shù)導則推薦的空氣質(zhì)量模型，如AREMOD 模型、CALPUFF 模型以及美國多尺度空氣質(zhì)量模型系統(tǒng)CMAQ（Community Multiscale Air Quality）模式、WRF-Chem 模式等模式的物理框架與模擬，緊跟學科研究進展和研究熱點，為學生畢業(yè)后從事相關(guān)研究工作打下堅實的基礎(chǔ)，培養(yǎng)學生實踐能力，提升就業(yè)能力，擴展就業(yè)范圍。

（四）污染氣象學的應用

充分結(jié)合科研項目與科研成果豐富污染氣象學教學內(nèi)容，深入踐行科教融合。一是增加與實際應用密切相關(guān)的大氣環(huán)境影響評價內(nèi)容。環(huán)境影響評價制度是我國的環(huán)境保護的一項基本制度，大氣環(huán)境影響評價和環(huán)境風險評價是環(huán)境評價的重要內(nèi)容之一，這兩部分評價內(nèi)容均與大氣擴散模擬預測密切相關(guān)，教學中應補充大氣環(huán)境影響評價的相關(guān)內(nèi)容和方法，既可以提升學生的學習興趣，同時也拓展了知識面，利于本科畢業(yè)后從事環(huán)境咨詢工作。二是增加地方污染防治研究案例，通過研究地方大氣污染問題和污染特征，分析污染物排放、氣象條件與空氣質(zhì)量的關(guān)系，對城市監(jiān)測站監(jiān)測的各主要污染物時刻變化特征和污染特征進行綜合研判，分析大氣污染問題成因，鍛煉學生分析問題和解決問題的能力，培養(yǎng)學生科研思維，達到學以致用的目的。

三、踐行科教融合完善課程教學體系

（一）增加計算機模擬學時，深入踐行科研與教學融合

污染氣象學的培養(yǎng)目的之一是培養(yǎng)學生運用模擬的方法，對各種大氣污染物濃度進行預測。空氣質(zhì)量數(shù)值模式是運用氣象學原理及數(shù)學方法，描述污染物在大氣中的輸送、擴散、遷移和轉(zhuǎn)化規(guī)律，從水平和垂直方向在大尺度范圍內(nèi)對空氣質(zhì)量進行模擬，預測各種氣象條件下的污染物濃度和環(huán)境空氣質(zhì)量的方法，已逐漸成為研究區(qū)域和城市尺度的污染擴散問題的主要方法。在分析大氣污染的時空演變規(guī)律、內(nèi)在機理和成因來源，建立“污染減排”與“質(zhì)量改善”間定量關(guān)系等方面有廣泛的應用，將空氣質(zhì)量數(shù)值模擬內(nèi)容融入到空氣污染氣象學教學中，是培養(yǎng)大氣污染防治方面應用型人才的關(guān)鍵。

無論是基本的GAUSS 擴散模式，還是大氣環(huán)境影響評價技術(shù)導則推薦的AERMOD 模式、CALPUFF 模式等，都是計算機模擬的方法，通過模擬教學能夠讓學生熟練運行各種大氣擴散模式，掌握大氣擴散模型物理框架和模式性能參數(shù)，把生硬、枯燥的擴散公式與科研實踐聯(lián)系起來，利于學生深入理解污染擴散原理和機理，起到融會貫通的作用。以AERMOD 模式軟件運行為例，通過輸入污染源參數(shù)（圖2（a），包括排放速率、煙囪高度、出口內(nèi)徑、煙氣溫度與環(huán)境溫度）和地形特征，并導入氣象數(shù)據(jù)（圖2（b），地面和高空氣象資料），輸出模式的運行結(jié)果（圖2（c）），一系列模擬運行過程有助于學生掌握影響污染擴散的氣象過程和排放源參數(shù)，直觀地了解污染擴散特征，加深學生對污染氣象學基本知識體系的認識。

圖2 大氣污染擴散模式應用軟件示例

（二）將科研實踐和科研成果融入教學內(nèi)容

科研與教學融合是學生系統(tǒng)、全面掌握綜合性知識和發(fā)展高水平、專業(yè)性技能的有效方法[12]?？諝馕廴練庀髮W的主要目的是培養(yǎng)解決實際大氣環(huán)境問題的應用型人才，通過地方污染防治科研項目經(jīng)驗，將最新的研究成果應用于教學。緊跟國家大氣環(huán)境保護政策和污染防治需求，增加應用于地方環(huán)境保護和污染防治工作的污染擴散模擬、污染過程分析等案例，豐富教學內(nèi)容，有助于開拓學生視野，使學生更為全面、深入地理解這門課的應用方向和研究意義，培養(yǎng)學生科研思維，為未來從事環(huán)境科學研究和污染防治工作打下基礎(chǔ)，達到培養(yǎng)大氣科學應用型人才的目的。

將科研成果融入教學課堂，讓學生系統(tǒng)地掌握從污染氣象分析到空氣質(zhì)量模擬的學科理論體系，指導學生利用污染氣象學的知識解決局地污染問題，充分體現(xiàn)理論與實踐結(jié)合的特點。如在教學中，以天水市大氣污染防治項目為例[13-14]，通過當?shù)丨h(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)，繪制污染物濃度時空變化的箱形圖，分析污染物的超標因子及污染時段，掌握污染物時空分布及變化規(guī)律；利用大氣擴模式對區(qū)域空氣質(zhì)量進行數(shù)值模擬，識別空氣質(zhì)量可能超標的區(qū)域和范圍；最后利用后向軌跡模擬分析外來源輸送對當?shù)乜諝赓|(zhì)量的影響，判斷可能影響的該地區(qū)空氣質(zhì)量的污染源，為區(qū)域大氣污染防治提供科學依據(jù)。

（三）組織多元化的授課方式，完善科研與教學融合方法

大氣科學屬于理學大類，要求學生具有堅實的數(shù)學、物理和計算機基礎(chǔ)理論知識，對部分學生來講學習內(nèi)容比較枯燥，通過組織多元化的授課方式提升教學效果。

1.堅持講授為主的教學方式保障學生掌握基礎(chǔ)知識理論體系

按照教學計劃，逐步推進教學內(nèi)容和教學進度，根據(jù)學生上課反饋情況，適當調(diào)整教學方案。將大部分學生沒有掌握的、理解難度較大的知識點，通過科研案例舉一反三，讓學生透徹地掌握污染氣象學的基礎(chǔ)理論、基本原理和擴散模型，系統(tǒng)地形成學科知識體系。

2.通過演示法加深學生對基礎(chǔ)理論知識的理解

組織學生觀察不同氣象條件的煙氣抬升過程，從煙氣提升高度和形狀判斷大氣穩(wěn)定度狀況，突出實用性，激發(fā)學生的學習興趣，形成對污染氣象過程的直觀認識。通過演示擴散模式應用軟件運行過程，幫助學生生動地理解影響污染擴散的污染源參數(shù)和氣象過程。

3.組織課堂小組討論鍛煉學生主動思考的能力

以地方污染物濃度變化特征和空氣污染問題為題，分小組討論影響地區(qū)空氣質(zhì)量的因素，探討大氣污染成因及污染防治方向。從不同角度了解學生對學科知識點的掌握情況，鍛煉學生獨立思考、發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力，形成空氣污染防治的基本思路。

四、結(jié)束語

強化教學實踐，將科教融合的理念貫穿到空氣污染氣象學專業(yè)課教學培養(yǎng)方案的教學內(nèi)容、授課形式等各個環(huán)節(jié)，實現(xiàn)理論與實踐應用相結(jié)合，不僅可以豐富教學內(nèi)容、激發(fā)學生學習興趣，有利于學生掌握有效的學習方法、系統(tǒng)知識和專業(yè)性技能；同時也可以培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的科研思維。以科教融合為原則構(gòu)建專業(yè)課程教學內(nèi)容與教學模式，是提升高校教學質(zhì)量，培養(yǎng)創(chuàng)新型應用型人才的重要途徑。在課程教學中，逐步探索科研訓練與基礎(chǔ)理論在教學中的比例，在取得最佳的教學效果的同時也將達成培養(yǎng)應用型人才的教學目標。