理論和實(shí)踐一體化的雷達(dá)氣象學(xué)課程教學(xué)探索

高士博，殷紅，喬延艷

（沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，遼寧沈陽 110866）

氣象雷達(dá)自投入使用氣象業(yè)務(wù)以來，在中尺度天氣系統(tǒng)的探測和預(yù)報(bào)方面起到了重要的作用，因而成為中尺度降水系統(tǒng)監(jiān)測和預(yù)報(bào)的有效工具。雷達(dá)氣象學(xué)是隨著氣象雷達(dá)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用而形成的一門氣象學(xué)分支[1]。早在20世紀(jì)40年代，雷達(dá)就被用于探測和研究氣象目標(biāo)，雷達(dá)氣象學(xué)課程應(yīng)運(yùn)而生[2-3]。作為大氣科學(xué)類專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，該課程的主要內(nèi)容包括氣象雷達(dá)基本原理、探測方法以及資料的分析應(yīng)用，目的是培養(yǎng)學(xué)生從事雷達(dá)氣象等相關(guān)研究和實(shí)際天氣預(yù)報(bào)工作的基本能力。對(duì)于未來從事雷達(dá)氣象相關(guān)科學(xué)研究或者實(shí)際天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)工作的學(xué)生而言，雷達(dá)氣象學(xué)是一門非常重要的課程。然而，根據(jù)該課程在沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)大氣科學(xué)和應(yīng)用氣象專業(yè)的教學(xué)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，很多學(xué)生反映該課程理論知識(shí)學(xué)習(xí)難度大，內(nèi)容復(fù)雜枯燥，很難在實(shí)踐中有效運(yùn)用理論知識(shí)，教學(xué)效果欠佳。因此，為滿足沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)培養(yǎng)復(fù)合型人才的需求，非常有必要對(duì)該課程教學(xué)模式進(jìn)行改革，以適應(yīng)當(dāng)前高校推進(jìn)素質(zhì)教育的要求。

1 理論和實(shí)踐一體化教學(xué)模式

理論和實(shí)踐一體化教學(xué)模式是將理論知識(shí)和實(shí)踐有機(jī)結(jié)合為一體的教學(xué)模式，是從德國的“雙元制”職業(yè)教育模式轉(zhuǎn)化而來，通過設(shè)定某個(gè)教學(xué)目標(biāo)或教學(xué)任務(wù)，由教師通過講解理論知識(shí)和指導(dǎo)實(shí)踐操作，強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心，學(xué)生邊實(shí)踐邊學(xué)習(xí)[4-6]。該教學(xué)模式突出學(xué)生在教學(xué)活動(dòng)中的主體地位，以提升學(xué)生解決問題的能力[7-9]，并且將教師講授、示范和學(xué)生實(shí)踐融為一體，更加直觀生動(dòng)地向?qū)W生展示教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生在實(shí)踐中進(jìn)一步理解、消化和吸收專業(yè)理論知識(shí)。目前，該教學(xué)模式已經(jīng)逐步在高校和科研機(jī)構(gòu)中應(yīng)用[10-13]。因此，深入探索一體化教學(xué)模式在雷達(dá)氣象學(xué)課程中的應(yīng)用，對(duì)提高課程教學(xué)質(zhì)量和培養(yǎng)行業(yè)需要的人才具有重要意義。

2 雷達(dá)氣象學(xué)課程傳統(tǒng)教學(xué)模式存在的問題

從課程內(nèi)容來看，雷達(dá)氣象學(xué)具有理論與實(shí)踐并重的特征，除了要求學(xué)生掌握氣象雷達(dá)工作原理、超短波在大氣中折射和雷達(dá)氣象方程等理論知識(shí)外，還要求學(xué)生能夠使用雷達(dá)回波和徑向風(fēng)資料分析各種天氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及發(fā)生、發(fā)展和演變機(jī)制。在該課程的實(shí)際教學(xué)中，學(xué)生普遍反映存在如下問題。

（1）課程理論性強(qiáng)，內(nèi)容抽象難懂。不同于氣象類其他專業(yè)類課程，雷達(dá)氣象學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容的很多理論知識(shí)涉及公式推導(dǎo)，且融合了大氣探測學(xué)、大氣物理學(xué)和天氣學(xué)原理等交叉的內(nèi)容，這對(duì)于專業(yè)基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生來說具有一定的學(xué)習(xí)難度。特別是課程第二章至第五章，內(nèi)容知識(shí)點(diǎn)多，涉及的知識(shí)抽象難懂，學(xué)生普遍反映學(xué)習(xí)難度較大。部分學(xué)生為了通過考試著重記知識(shí)點(diǎn)，對(duì)教師講授的內(nèi)容缺乏深入理解，不注重思考和質(zhì)疑，導(dǎo)致對(duì)理論知識(shí)一知半解。

（2）理論課和實(shí)踐課未有效銜接。傳統(tǒng)教學(xué)模式多以理論教學(xué)為主，實(shí)踐課程較少，并且理論課和實(shí)踐課是分開進(jìn)行授課的，實(shí)踐與理論教學(xué)未有效結(jié)合，課后缺乏實(shí)踐機(jī)會(huì)，忽略了學(xué)生主動(dòng)性和探究性能力的培養(yǎng)。例如，課程第八章第二節(jié)“雷達(dá)探測冰雹”，學(xué)生已經(jīng)學(xué)完了冰雹天氣預(yù)報(bào)知識(shí)、冰雹和冰雹云的基本特征、冰雹云和冰雹形成機(jī)理等基本理論知識(shí)，但是在實(shí)踐過程中還是難以用理論知識(shí)解釋雷達(dá)回波圖中所呈現(xiàn)的現(xiàn)象。

（3）教學(xué)內(nèi)容更新慢。隨著我國新一代多普勒天氣雷達(dá)網(wǎng)的逐漸建立，如激光雷達(dá)、雙線偏振雷達(dá)、毫米波雷達(dá)和相控陣?yán)走_(dá)等，新一代雷達(dá)效應(yīng)日益凸顯。但是，目前沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)雷達(dá)氣象學(xué)課程的教學(xué)還沒有跟上現(xiàn)代化雷達(dá)氣象發(fā)展的步伐。此外，教材中使用的典型天氣的案例老舊，沒有結(jié)合最新發(fā)生的災(zāi)害性天氣過程進(jìn)行分析，難以提高學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的興趣，難以激發(fā)學(xué)生的求知欲，導(dǎo)致學(xué)生就業(yè)時(shí)發(fā)現(xiàn)自己的知識(shí)儲(chǔ)備不足，難以對(duì)各種天氣類型的雷達(dá)回波進(jìn)行分析。

（4）課程考核體系單一。傳統(tǒng)雷達(dá)氣象學(xué)課程的考核方式主要是期末閉卷考試。這種方式雖然能夠考查學(xué)生的基礎(chǔ)理論知識(shí)，但強(qiáng)調(diào)記憶性學(xué)習(xí)，考查時(shí)間過于集中，忽略了過程性學(xué)習(xí)，難以考查學(xué)生的實(shí)踐和操作能力。單一化的考核方式以考試結(jié)果為最終目的，忽略了過程性考核。

3 雷達(dá)氣象學(xué)課程一體化教學(xué)模式的改革措施

3.1 優(yōu)化一體化教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

參考國內(nèi)外教學(xué)教材，根據(jù)課程內(nèi)容的重點(diǎn)和難點(diǎn)，課程組認(rèn)真研究了雷達(dá)氣象學(xué)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，對(duì)核心教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。課程組收集各高校的教學(xué)成果并整合到教學(xué)內(nèi)容中，使學(xué)生能夠了解雷達(dá)氣象學(xué)最新的研究進(jìn)展。理論部分增加了目前較為先進(jìn)的雙線偏振雷達(dá)、相控陣?yán)走_(dá)、云雷達(dá)和風(fēng)廓線雷達(dá)等新型雷達(dá)的基本工作原理、相應(yīng)的技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用等知識(shí)。實(shí)踐部分建立了近5年典型災(zāi)害性天氣個(gè)例數(shù)據(jù)集。此外，課程組還鼓勵(lì)學(xué)生收集整理典型的強(qiáng)對(duì)流天氣過程案例，組織相關(guān)競賽活動(dòng)，評(píng)選出優(yōu)質(zhì)案例以豐富數(shù)據(jù)庫，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

此外，針對(duì)理論和實(shí)踐相脫節(jié)的問題，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容的重難點(diǎn)增加了實(shí)踐教學(xué)模塊，主要為雷達(dá)探測系統(tǒng)模塊、衰減模塊、折射模塊和預(yù)報(bào)模塊等。例如，在雷達(dá)探測系統(tǒng)模塊中設(shè)計(jì)雷達(dá)功能、硬件和工作原理等主要參數(shù)；雷達(dá)衰減模塊設(shè)計(jì)了雷達(dá)衰減訂正技術(shù)；雷達(dá)預(yù)報(bào)模塊中增加了業(yè)務(wù)中常用的雷達(dá)質(zhì)量控制技術(shù)、雷達(dá)回波的識(shí)別、冰雹云的雷達(dá)探測、暴雨的探測、臺(tái)風(fēng)的探測、颮線的探測等實(shí)踐內(nèi)容。

3.2 豐富一體化教學(xué)實(shí)施方式

通過多種渠道與氣象預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)和科研單位積極溝通，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容匹配一體化教學(xué)實(shí)施方式，主要包括參觀氣象局、軟件模擬和天氣會(huì)商三種方式。

（1）參觀氣象局。雷達(dá)探測分析、典型天氣系統(tǒng)的回波和徑向速度分析等內(nèi)容屬于這一類。例如，在對(duì)雷達(dá)工作原理進(jìn)行講授時(shí)，教師可組織學(xué)生去氣象臺(tái)雷達(dá)站參觀雷達(dá)機(jī)房，近距離了解雷達(dá)站的建設(shè)歷史、天氣雷達(dá)定期維護(hù)和定標(biāo)的方法，以及值班員的日常工作等，進(jìn)而掌握雷達(dá)的工作原理和操作規(guī)范等。此外，在對(duì)典型天氣的雷達(dá)回波和徑向速度分析、重要降水天氣系統(tǒng)的雷達(dá)探測分析等內(nèi)容進(jìn)行講授時(shí)，可以通過參觀氣象局使學(xué)生了解氣象雷達(dá)在天氣預(yù)報(bào)預(yù)警中的實(shí)際應(yīng)用以及如何識(shí)別雷達(dá)圖等知識(shí)。

（2）軟件模擬。對(duì)于大氣衰減和折射理論，教師可利用虛擬仿真軟件模擬進(jìn)行講授。例如，對(duì)于降水粒子對(duì)雷達(dá)電磁波的散射、電磁波的衰減、大氣折射等理論知識(shí)，單一板書和語言講解比較晦澀難懂，利用軟件模擬可以將抽象難懂的大氣過程直觀表現(xiàn)出來。此外，由于雷達(dá)觀測的變量有限，而徑向風(fēng)變量無法完全體現(xiàn)三維大氣的運(yùn)動(dòng)，很難利用天氣學(xué)理論解釋回波特征，可以通過數(shù)值模擬氣象要素場，使學(xué)生加深對(duì)雷達(dá)回波形成機(jī)制的理解。

（3）天氣會(huì)商。雷達(dá)氣象學(xué)課程的最終目的是服務(wù)天氣預(yù)報(bào)，利用沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)天氣會(huì)商室，定期組織學(xué)生聽取天氣會(huì)商。會(huì)商過程中，各地氣象臺(tái)工作人員根據(jù)各類氣象數(shù)據(jù)對(duì)未來天氣狀況進(jìn)行分析和預(yù)報(bào)。組織學(xué)生聆聽氣象預(yù)報(bào)員對(duì)雷達(dá)圖、天氣圖和降水量實(shí)況圖等各類氣象資料的分析對(duì)比，有助于學(xué)生將教材中的理論知識(shí)和未來實(shí)際業(yè)務(wù)有機(jī)結(jié)合，進(jìn)一步了解氣象雷達(dá)在天氣預(yù)報(bào)預(yù)警中的實(shí)際應(yīng)用。

3.3 構(gòu)建一體化教學(xué)體系

將信息技術(shù)與課程教學(xué)深度融合，構(gòu)建理論和實(shí)踐一體化教學(xué)體系。依托學(xué)校的“易爾思”教學(xué)平臺(tái)建立線上教學(xué)資源，教師可在課前將每章的教學(xué)課件、微課、慕課等各類教學(xué)資源發(fā)布到教學(xué)平臺(tái)上。在線下課堂中，教師利用啟發(fā)式、探究式、互動(dòng)式和討論式等多種教學(xué)方法活躍課堂氛圍，開闊學(xué)生思路，激發(fā)學(xué)生潛能；選取典型天氣過程的雷達(dá)回波，并使用中央氣象臺(tái)實(shí)時(shí)雷達(dá)圖進(jìn)行案例式教學(xué)，使學(xué)生加深對(duì)教材知識(shí)內(nèi)容的理解。課后教師通過平臺(tái)給學(xué)生發(fā)送習(xí)題和復(fù)習(xí)任務(wù)，要求學(xué)生在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成作業(yè)，教師可以實(shí)時(shí)查看學(xué)生的作業(yè)完成情況，學(xué)生還可以利用碎片化時(shí)間通過復(fù)習(xí)來鞏固所學(xué)知識(shí)。

3.4 改革一體化教學(xué)考核方法

傳統(tǒng)的雷達(dá)氣象學(xué)課程一般采用期末考試和作業(yè)相結(jié)合的考核方法，隨著一體化教學(xué)模式的深入實(shí)施，教師應(yīng)著重考查和培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力?？己四Ｊ綉?yīng)綜合考慮理論和實(shí)踐兩方面，總成績由平時(shí)考核成績、實(shí)驗(yàn)成績和期末考試成績?nèi)糠謽?gòu)成，在總成績中的占比分別為20%、20%和60%。平時(shí)考核成績由課堂表現(xiàn)和課堂測試兩部分組成，其中課堂表現(xiàn)包括課堂考勤率、課堂參與度、學(xué)習(xí)態(tài)度和學(xué)習(xí)討論等方面，課堂測試是由教師根據(jù)主要知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行隨堂測試，要求學(xué)生當(dāng)堂完成提交。期末考核成績?yōu)槠谀┰嚲沓煽?，采取閉卷考試形式。實(shí)踐成績是指學(xué)生的實(shí)踐參與度、正確率和實(shí)踐報(bào)告完成情況等。一體化考核方式的考核項(xiàng)目明顯增多，不僅涵蓋了對(duì)學(xué)生理論知識(shí)掌握程度的考核，而且納入了對(duì)學(xué)生實(shí)際應(yīng)用能力的評(píng)價(jià)。教師對(duì)上述各項(xiàng)評(píng)分細(xì)化至不同等級(jí)，根據(jù)各項(xiàng)等級(jí)再進(jìn)行總體評(píng)價(jià)，給出最后得分。該評(píng)價(jià)方式綜合考慮了學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的掌握程度和實(shí)踐操作能力，全方位評(píng)定學(xué)生的綜合素質(zhì)。

經(jīng)過教學(xué)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)：相比于傳統(tǒng)的教學(xué)模式，一體化的教學(xué)模式能夠顯著提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，增強(qiáng)教師與學(xué)生之間的互動(dòng)，營造良好的學(xué)習(xí)氛圍，教學(xué)質(zhì)量有較大提高。