地方應(yīng)用型高校大氣物理學(xué)課程教學(xué)改革研究

刁一偉 楊 孟 錢 博

無錫學(xué)院大氣與遙感學(xué)院 江蘇無錫 214105

中國(guó)氣象局在《全國(guó)氣象現(xiàn)代化發(fā)展綱要(2015—2030年)》[1]中指出建設(shè)具有世界先進(jìn)水平的氣象現(xiàn)代化體系，明確提出要全面提升氣象人才素質(zhì)，強(qiáng)化綜合氣象服務(wù)能力，建立高度集約共享的氣象信息化體系，發(fā)展高分辨率精細(xì)化氣象與環(huán)境服務(wù)技術(shù)，加強(qiáng)氣象防災(zāi)減災(zāi)，提高應(yīng)對(duì)氣候變化和履行國(guó)際公約的能力。同時(shí)，現(xiàn)代氣象業(yè)務(wù)高度自動(dòng)化，預(yù)報(bào)工具復(fù)雜化，氣象服務(wù)多元化，服務(wù)產(chǎn)品精細(xì)化，對(duì)現(xiàn)代氣象人才的培養(yǎng)提出了新的要求。

無錫學(xué)院大氣科學(xué)專業(yè)依托國(guó)家“雙一流”建設(shè)高校南京信息工程大學(xué)大氣科學(xué)專業(yè)而建，2021年已建設(shè)成為江蘇省一流本科專業(yè)，為我國(guó)氣象與大氣環(huán)境建設(shè)事業(yè)輸送了大量專業(yè)人才。結(jié)合地方建設(shè)和行業(yè)需求，大氣科學(xué)在天氣預(yù)報(bào)、氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)與預(yù)警、交通物流氣象保障、機(jī)動(dòng)車無人駕駛氣象安全保障、飛行器飛行安全保障、大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)與治理、風(fēng)力與光伏新能源發(fā)電等諸多領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。大氣科學(xué)的發(fā)展是無錫學(xué)院建成高水平應(yīng)用型本科高校的內(nèi)在需求，同時(shí)也是適應(yīng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展和未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重大需求。

大氣物理學(xué)是教育部大氣科學(xué)類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)認(rèn)定的大氣科學(xué)本科專業(yè)核心基礎(chǔ)課程[2]。大氣物理學(xué)是大氣科學(xué)專業(yè)本科生第一門核心基礎(chǔ)課程，擔(dān)負(fù)著專業(yè)興趣啟迪、基礎(chǔ)知識(shí)建立和專業(yè)價(jià)值觀引領(lǐng)的重要作用，對(duì)了解大氣過程和規(guī)律，深入理解氣象行業(yè)內(nèi)涵和行業(yè)發(fā)展具有重要意義[3-4]。該課程的學(xué)習(xí)有利于學(xué)生具備大氣物理現(xiàn)象分析的基本能力，能夠建立簡(jiǎn)單大氣模型及計(jì)算，掌握氣象資料分析的基本技能，能夠?qū)⒒A(chǔ)理論應(yīng)用于創(chuàng)新實(shí)踐，具有綜合運(yùn)用知識(shí)、獨(dú)立分析和解決問題能力。

一、課程存在的問題及教學(xué)難點(diǎn)

(一)課程特點(diǎn)

大氣物理學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容包含了各種大氣熱力學(xué)過程(如垂直升降過程、絕熱混合過程)、大氣輻射過程(如大氣吸收、大氣散射)和輻射傳輸過程。作為大氣科學(xué)專業(yè)的第一門理論課，大氣物理學(xué)課程有些概念比較抽象、控制方程多、各種原理也相對(duì)復(fù)雜，對(duì)數(shù)理基礎(chǔ)不夠扎實(shí)的學(xué)生來講，會(huì)感到學(xué)習(xí)上困難重重。因此要特別注意學(xué)習(xí)方法的建立，尤其注重?cái)?shù)學(xué)和物理的有機(jī)結(jié)合，要將抽象概念與其所在的大氣實(shí)際過程相聯(lián)系，將數(shù)學(xué)方程的每一項(xiàng)都與其物理意義對(duì)應(yīng)起來。其次，學(xué)習(xí)過程中必須建立一套由“系統(tǒng)(或?qū)ο?—過程(或條件)—控制方程—物理意義”形成的閉環(huán)模型，例如一旦確定目標(biāo)系統(tǒng)為飽和濕空氣系統(tǒng)，讓它做絕熱抬升，則其必然為一等熵過程，通過對(duì)系統(tǒng)各部分熵值的計(jì)算，結(jié)合絕熱條件，即可得到濕絕熱方程，最后理解濕絕熱方程中各項(xiàng)的物理意義，即顯熱、潛熱和膨脹功在絕熱抬升過程中的相互轉(zhuǎn)化。

(二)教學(xué)難點(diǎn)

大氣物理學(xué)課程理論抽象、公式繁雜，學(xué)生理解困難并缺乏學(xué)習(xí)興趣；概念和知識(shí)點(diǎn)較多，知識(shí)體系有廣度和一定深度，但仍缺乏知識(shí)轉(zhuǎn)化吸收的辦法；傳統(tǒng)教學(xué)方式無法提升學(xué)生解決問題技能和探索創(chuàng)新的能力。

教學(xué)過程中大量數(shù)學(xué)推導(dǎo)可能會(huì)導(dǎo)致與物理概念脫節(jié)，大氣過程內(nèi)在機(jī)理抽象，數(shù)學(xué)表達(dá)式(如空間輻射場(chǎng))高度復(fù)雜，無法通過文字描述說清楚其外在具體表現(xiàn)形式，使得課程理論強(qiáng)、概念抽象、數(shù)理基礎(chǔ)要求高。因此，想辦法實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)方程與物理意義的融合互通是課程教學(xué)改革的關(guān)鍵問題。

而且，大氣物理學(xué)偏理論，在實(shí)踐應(yīng)用方面相對(duì)薄弱，教學(xué)中大量方程推導(dǎo)往往使學(xué)生重方程本身而忽略方程所表達(dá)的物理意義。例如，由方程參數(shù)變化引起氣象要素變化，這種變化又是通過哪些實(shí)際大氣現(xiàn)象來證實(shí)。以上問題急需理論教學(xué)與應(yīng)用實(shí)踐緊密結(jié)合，也指明了本課程的改革方向，即理論與實(shí)踐結(jié)合、虛擬(氣象過程模擬)與實(shí)際(真實(shí)大氣)結(jié)合、產(chǎn)教融合，將枯燥的問題放到課外實(shí)踐任務(wù)中，利用任務(wù)來強(qiáng)化對(duì)概念和原理的理解和吸收，借助氣象業(yè)務(wù)部門的具體工作將理論轉(zhuǎn)化為現(xiàn)時(shí)應(yīng)用。

二、教學(xué)設(shè)計(jì)與方法改革

(一)教學(xué)目標(biāo)與教學(xué)內(nèi)容

課程教學(xué)目標(biāo)分為知識(shí)目標(biāo)、能力目標(biāo)和素質(zhì)目標(biāo)等三個(gè)部分。知識(shí)目標(biāo)：系統(tǒng)掌握大氣物理學(xué)的基礎(chǔ)理論，熟悉大氣結(jié)構(gòu)和成分特征，能運(yùn)用相關(guān)理論深入分析大氣狀態(tài)、基本熱力學(xué)和輻射傳輸，熟悉典型大氣物理現(xiàn)象并能解釋其成因，理解云霧降水物理的宏微觀特征，了解大氣物理學(xué)理論前沿和發(fā)展動(dòng)態(tài)。能力目標(biāo)：具備大氣物理現(xiàn)象分析的基本能力，能夠建立簡(jiǎn)單大氣模型及計(jì)算，掌握氣象資料分析的基本技能，能夠?qū)⒒A(chǔ)理論應(yīng)用于創(chuàng)新實(shí)踐，具有綜合運(yùn)用知識(shí)、獨(dú)立分析和解決問題能力。素質(zhì)目標(biāo)：具有良好的政治品格與社會(huì)責(zé)任感，具備進(jìn)一步發(fā)展中國(guó)氣象事業(yè)的使命感，勇于堅(jiān)持真理，堅(jiān)持實(shí)事求是的科學(xué)道德，熱愛科學(xué)事業(yè)，弘揚(yáng)謙虛、合作精神，具有較強(qiáng)的學(xué)習(xí)能力，樹立終身學(xué)習(xí)觀，具有不斷學(xué)習(xí)和發(fā)展的能力。

課程教學(xué)內(nèi)容主要包括大氣的物理現(xiàn)象、物理過程及其演變規(guī)律，具體為地球大氣演化和結(jié)構(gòu)、基本氣象要素、大氣熱力學(xué)過程、大氣輻射及其能量傳輸、大氣聲光電現(xiàn)象以及云霧降水物理等。同時(shí)本課程根據(jù)大氣科學(xué)專業(yè)人才培養(yǎng)方案，結(jié)合高年級(jí)后續(xù)諸多專業(yè)課程如天氣學(xué)原理、動(dòng)力氣象學(xué)、云降水物理學(xué)等相關(guān)知識(shí)，進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?nèi)容拓展，使教學(xué)內(nèi)容能夠與后續(xù)課程有機(jī)銜接，為高級(jí)專業(yè)知識(shí)學(xué)習(xí)打下扎實(shí)的理論基礎(chǔ)。

通過分層梳理大氣科學(xué)類專業(yè)知識(shí)體系，教學(xué)內(nèi)容上采取“有所取舍而又側(cè)重加強(qiáng)”的安排，不講“大而全”，提出針對(duì)大氣科學(xué)專業(yè)學(xué)生所必須掌握的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)建立深入淺出、理論完整的教學(xué)內(nèi)容框架。根據(jù)知識(shí)點(diǎn)重要性和難易程度，教學(xué)過程中設(shè)置對(duì)應(yīng)難度的習(xí)題，對(duì)難點(diǎn)問題，結(jié)合教材所述概念，通過實(shí)際大氣現(xiàn)象和現(xiàn)實(shí)業(yè)務(wù)應(yīng)用案例來闡明解決問題的過程。圍繞核心知識(shí)點(diǎn)，建立豐富的概念圖、原理模型和大氣過程圖解，為學(xué)生深入理解和實(shí)際應(yīng)用提供幫助。教學(xué)內(nèi)容的革新也促成了課程自編教材《大氣物理學(xué)》的出版[5]。

(二)教學(xué)模式改革

1.四路閉環(huán)式教學(xué)模式

為達(dá)成“知識(shí)體系—思維模式—應(yīng)用創(chuàng)新”三位一體的教學(xué)目標(biāo)，圍繞教學(xué)思路、科研教學(xué)、實(shí)踐應(yīng)用和效果評(píng)價(jià)等四個(gè)方面，形成教學(xué)質(zhì)量閉環(huán)模式。

強(qiáng)化師生在教學(xué)中的共同主體地位，通過師生溝通，準(zhǔn)確設(shè)計(jì)課程總體教學(xué)方案。教學(xué)開展過程中，基于教學(xué)目標(biāo)、內(nèi)容和學(xué)情等要素測(cè)算課堂教學(xué)具體設(shè)計(jì)。將學(xué)生能勝任的極少量任務(wù)作為課前導(dǎo)學(xué)，課內(nèi)教學(xué)的主要重心放到重點(diǎn)、難點(diǎn)問題的剖析和理解，課內(nèi)教學(xué)突出師生互動(dòng)與案例示范，課后答疑和師生討論是對(duì)知識(shí)點(diǎn)的鞏固，達(dá)成課前、課內(nèi)和課后的循環(huán)結(jié)合?；谠摻虒W(xué)循環(huán)模式，實(shí)現(xiàn)學(xué)生和教師的雙主體地位和雙向激勵(lì)，提升知識(shí)學(xué)習(xí)和思維模式的高階融合。

課程知識(shí)點(diǎn)與教學(xué)體系相融合。遵循先易后難、由局部到整體的邏輯進(jìn)行授課，例如不同章節(jié)是從不同角度對(duì)大氣物理過程的總結(jié)分析，不同知識(shí)內(nèi)容之間又相互關(guān)聯(lián)，最終組成一個(gè)完整的大氣熱力學(xué)、大氣輻射等知識(shí)圖譜。因概念和原理復(fù)雜，所以采用思維導(dǎo)圖方式，引導(dǎo)學(xué)生理解知識(shí)點(diǎn)之間的相互關(guān)系，建立自己的學(xué)習(xí)方法，實(shí)現(xiàn)課程內(nèi)容的系統(tǒng)化認(rèn)識(shí)，進(jìn)而融會(huì)貫通。

利用科學(xué)思維反哺教學(xué)，教學(xué)中體現(xiàn)科學(xué)思維的培養(yǎng)。大氣是一個(gè)復(fù)雜的混沌系統(tǒng)，且時(shí)空尺度變化多樣。在進(jìn)行知識(shí)傳授的過程中，更加要注重學(xué)習(xí)前輩大師們對(duì)方程大膽合理簡(jiǎn)化的科學(xué)思維，提煉出大氣物理學(xué)研究的普遍方法。例如，空氣分子在尺度上遠(yuǎn)小于大氣熱輻射波長(zhǎng)，當(dāng)研究地氣系統(tǒng)長(zhǎng)波輻射傳輸時(shí)，只有抓住決定長(zhǎng)波輻射的主要因子(大氣吸收)，忽略那些次要因子(散射作用)，牢牢把握大氣中長(zhǎng)波輻射的基本性質(zhì)，則可通過對(duì)一般輻射傳輸方程的簡(jiǎn)化，建立符合物理意義的數(shù)學(xué)方程。基于這種科學(xué)思維，大氣物理學(xué)經(jīng)典理論才得以建立，所以課程教學(xué)有必要對(duì)科學(xué)思維進(jìn)行引導(dǎo)學(xué)習(xí)。

多種教學(xué)方式體現(xiàn)因材施教，將課堂教學(xué)、線上線下混合和現(xiàn)代數(shù)字教學(xué)平臺(tái)有機(jī)融合，實(shí)現(xiàn)信息化教學(xué)手段常態(tài)化?；诔菍W(xué)習(xí)通或中國(guó)大學(xué)慕課等線上平臺(tái)作輔助教學(xué)，與常規(guī)線下課堂教學(xué)有機(jī)融合，使用這些“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)統(tǒng)計(jì)課程考勤、整理課堂參與度和提問、作業(yè)和練習(xí)題完成度等反饋數(shù)據(jù)，達(dá)成教學(xué)全過程數(shù)據(jù)采集，實(shí)時(shí)了解學(xué)生表現(xiàn)和心理狀態(tài)，適時(shí)調(diào)整教學(xué)進(jìn)度、優(yōu)化教學(xué)方法，提升課程改革目的性和科學(xué)性。

基本概念和原理通過線上傳授，線上分配主題任務(wù)，課堂以任務(wù)導(dǎo)向進(jìn)行思維訓(xùn)練和應(yīng)用能力培養(yǎng)，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，實(shí)現(xiàn)多元化教學(xué)目標(biāo)。線上保證課程完整性，課堂通過任務(wù)導(dǎo)向、案例教學(xué)和過程考核等方式實(shí)現(xiàn)“學(xué)習(xí)深度”挖掘，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的深層次理解。充分利用互聯(lián)網(wǎng)資源，結(jié)合教學(xué)內(nèi)容安排拓展任務(wù)，例如使用中國(guó)氣象局、歐洲氣象中心等站點(diǎn)了解氣象要素觀測(cè)數(shù)據(jù)、全球地面輻射資料，建立從概念到實(shí)際數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系，利用MICAPS系統(tǒng)中大氣層結(jié)分析產(chǎn)品，理解有效勢(shì)能、條件不穩(wěn)定等基本概念，掌握大氣靜力穩(wěn)定度分析方法的業(yè)務(wù)實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)感性和理性認(rèn)識(shí)的結(jié)合。根據(jù)知識(shí)點(diǎn)教學(xué)需要，適時(shí)引入前沿學(xué)術(shù)成果和國(guó)內(nèi)外科學(xué)實(shí)驗(yàn)開展情況，學(xué)生通過校園電子圖書館查閱文獻(xiàn)和撰寫課程報(bào)告，將大氣物理學(xué)發(fā)展前沿引入課堂，實(shí)現(xiàn)經(jīng)典內(nèi)容與前沿的統(tǒng)一和課程的延伸。

依托于中國(guó)氣象局共建實(shí)踐教學(xué)基地與平臺(tái)，通過課外實(shí)踐任務(wù)，豐富和延伸大氣科學(xué)理論和實(shí)踐教學(xué)功能與能力，將課程教學(xué)內(nèi)容做進(jìn)一步拓展和應(yīng)用。作為應(yīng)用型本科高校，學(xué)生的應(yīng)用實(shí)踐能力培養(yǎng)是關(guān)鍵，通過局校共建、校企合作的形式，組成學(xué)校專任教師和校外專家教學(xué)團(tuán)隊(duì)，由教學(xué)內(nèi)容孵化大學(xué)生學(xué)科競(jìng)賽主題，提升學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力，再由課程內(nèi)容的實(shí)踐擴(kuò)展來反向鞏固理論知識(shí)，形成理論與實(shí)踐的雙向促進(jìn)。

2.教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)方法

培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用型人才必須對(duì)傳統(tǒng)單一的教學(xué)評(píng)價(jià)方式與考核機(jī)制進(jìn)行改革。重視對(duì)教學(xué)過程的考核、考試形式的改革，采取多元化的教學(xué)評(píng)價(jià)方式對(duì)教師進(jìn)行考核，例如教學(xué)資源建設(shè)、教材內(nèi)容的更新、信息化教學(xué)手段的應(yīng)用等。對(duì)應(yīng)用型高校學(xué)生學(xué)習(xí)成果的考查應(yīng)該綜合考慮平時(shí)成績(jī)、考試成績(jī)、課外實(shí)踐成果等多個(gè)方面，例如形式性考核與考試成績(jī)相結(jié)合，即以平時(shí)成績(jī)(包括課程考勤、文獻(xiàn)閱讀與課程報(bào)告)占20%、課程實(shí)踐(包括課程互動(dòng)討論與任務(wù)達(dá)成)占30%和期末考試占50%的比例得到最終成績(jī)?？茖W(xué)合理的考核方式能夠真實(shí)地反映學(xué)生過程性學(xué)習(xí)狀況。

三、課程改革特色和實(shí)施成效

(一)改革特色

依托氣象行業(yè)優(yōu)勢(shì)和國(guó)內(nèi)外開源氣象資料，局校專家共同參與大綱指定、課程內(nèi)容優(yōu)化、課程設(shè)計(jì)等，通過線上任務(wù)分發(fā)、線下導(dǎo)師制下小組研討、氣象虛擬實(shí)驗(yàn)和業(yè)務(wù)體驗(yàn)等形式，打造獨(dú)具行業(yè)特色的實(shí)踐教學(xué)模式。

課程團(tuán)隊(duì)采取了“四四二”教學(xué)理念，即“四策略”：從易到難策略、結(jié)合實(shí)際策略、團(tuán)隊(duì)學(xué)習(xí)策略、因?qū)W施教策略；“四方法”：理論講授、課堂討論、現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)、業(yè)務(wù)實(shí)踐等多種課堂教學(xué)方法；“二融合”：行業(yè)專家與本校教師的校企融合教學(xué)、科學(xué)研究反哺教學(xué)的研學(xué)融合。在學(xué)生、校內(nèi)教師和行業(yè)專家的共同努力下，不斷強(qiáng)化教學(xué)本領(lǐng)、豐富課程教學(xué)內(nèi)涵、提升課程的教學(xué)質(zhì)量。

(二)實(shí)施成效

課程教學(xué)體系進(jìn)一步完善，課程靈活度和拓展性大幅提高，課堂氣氛明顯改善，學(xué)生積極性與主動(dòng)性顯著提高，線上線下互動(dòng)活躍。局校雙教師改革，結(jié)合多種實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，全方位提升了學(xué)生的應(yīng)用創(chuàng)新能力，體現(xiàn)了地方應(yīng)用型高校人才培養(yǎng)的定位。

課程模式改革受到同行專家的好評(píng)，在全國(guó)同類專業(yè)中起到了示范作用。通過多年的發(fā)展和積累，形成了獨(dú)具特色和完備的知識(shí)體系和教學(xué)內(nèi)容，出版的教材和制作的多媒體教學(xué)課件認(rèn)可度高，被氣象培訓(xùn)中心、國(guó)內(nèi)大氣科學(xué)專業(yè)高校和各級(jí)氣象部門廣泛使用。行業(yè)依托下的“四四二”教學(xué)模式受到業(yè)務(wù)部門高度認(rèn)可，建設(shè)完成了業(yè)務(wù)需求導(dǎo)向的數(shù)字化精品開放課程，極大提高了業(yè)務(wù)培訓(xùn)的工作效率和教學(xué)效果。

結(jié)語(yǔ)

大氣物理學(xué)課程作為地方應(yīng)用型本科高校大氣科學(xué)專業(yè)學(xué)生的首門專業(yè)基礎(chǔ)課程，經(jīng)過多年的建設(shè)，在教學(xué)內(nèi)容更新優(yōu)化、教學(xué)模式改革、產(chǎn)教融合等方面持續(xù)探索和實(shí)踐，取得了初步成效。依托和繼承了南京信息工程大學(xué)課程建設(shè)基礎(chǔ)，本課程在地方應(yīng)用型高校獲得快速發(fā)展，教學(xué)改革模式初見成效，先后獲得校級(jí)多媒體課件獎(jiǎng)、江蘇省在線精品開放課程、國(guó)家在線精品開放課程和國(guó)家一流本科生課程，出版江蘇省重點(diǎn)教材《大氣物理學(xué)》并獲氣象出版社優(yōu)秀科技圖書獎(jiǎng)。