“大氣探測(cè)學(xué)”本科教學(xué)改革的探索與應(yīng)用

［摘 要］ 理論與實(shí)踐是“大氣探測(cè)學(xué)”課程中的兩個(gè)重要環(huán)節(jié)。以浙江大學(xué)大氣科學(xué)系“大氣探測(cè)學(xué)”課程改革為例，分析了“大氣探測(cè)學(xué)”課程改革的難點(diǎn)與重要性，提出了優(yōu)化課程結(jié)構(gòu)和知識(shí)組織、引入儀器實(shí)物、利用多媒體資源等理論教學(xué)方法，并結(jié)合實(shí)際剖析了實(shí)踐內(nèi)容任務(wù)化、校內(nèi)平臺(tái)建設(shè)規(guī)?；?、校外實(shí)踐基地合作緊密化等實(shí)踐教學(xué)改革方法，以達(dá)到促進(jìn)學(xué)生在實(shí)踐中理解理論知識(shí)、運(yùn)用理論知識(shí)的目的。旨在提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

［關(guān)鍵詞］ 大氣探測(cè)學(xué)；理論與實(shí)踐；科學(xué)素養(yǎng)；教學(xué)改革

［基金項(xiàng)目］ 2022年度浙江省普通本科高?！笆奈濉苯虒W(xué)改革項(xiàng)目“從教走向?qū)W——混合式教學(xué)課程融合思政教育的探索與實(shí)踐”（jg20220013）

［作者簡(jiǎn)介］ 李衛(wèi)軍（1980—），男，山西長(zhǎng)治人，博士，浙江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院“百人計(jì)劃”研究員，主要從事大氣探測(cè)與大氣氣溶膠研究。

［中圖分類號(hào)］ G642.0 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A ［文章編號(hào)］ 1674-9324（2024）32-0014-04 ［收稿日期］ 2023-07-30

引言

大氣探測(cè)指借助各類儀器和裝備對(duì)大氣的物理和化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行直接或間接的探測(cè)，是大氣科學(xué)的核心學(xué)科之一［1］?！按髿馓綔y(cè)學(xué)”是大氣科學(xué)專業(yè)的基礎(chǔ)必修課程，在大氣科學(xué)專業(yè)培養(yǎng)方案中占有重要地位［2］。專業(yè)理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)是“大氣探測(cè)學(xué)”課程的兩個(gè)重要環(huán)節(jié)，即通過教師傳授專業(yè)知識(shí)，學(xué)生能夠掌握大氣探測(cè)的基本理論和探測(cè)儀器的構(gòu)造及原理；實(shí)踐課程能夠幫助學(xué)生熟悉各類大氣探測(cè)儀器的操作和氣象觀測(cè)站的日常工作業(yè)務(wù)［3］。

大氣探測(cè)理論知識(shí)的廣泛覆蓋性和強(qiáng)大實(shí)用性使其成為實(shí)踐的重要基石。大氣探測(cè)的過程需要扎實(shí)的理論知識(shí)做支撐，天氣學(xué)、大氣物理學(xué)、大氣探測(cè)儀器原理與應(yīng)用等理論知識(shí)在這一學(xué)科中交叉融合，共同構(gòu)成了這門學(xué)科的基礎(chǔ)。實(shí)踐是“大氣探測(cè)學(xué)”課程重要的一部分，因?yàn)榇髿馓綔y(cè)的方法、原理、技術(shù)最終都需要落實(shí)到對(duì)真實(shí)大氣的觀測(cè)和實(shí)際操作中。實(shí)踐不僅可以將抽象的理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為具體的實(shí)際應(yīng)用，以驗(yàn)證大氣探測(cè)理論的正確性，而且可以完善、拓展原有理論，發(fā)現(xiàn)新理論。在大氣探測(cè)實(shí)踐過程中，學(xué)生可以對(duì)當(dāng)前學(xué)科發(fā)展階段理論的復(fù)雜性和挑戰(zhàn)性有更深入的理解，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前大氣探測(cè)理論的局限性，這對(duì)不斷完善和改進(jìn)大氣探測(cè)的理論知識(shí)框架和培養(yǎng)大氣探測(cè)專業(yè)人才等方面有著不可忽視的作用。

大氣探測(cè)知識(shí)體系龐大，知識(shí)點(diǎn)分散且復(fù)雜［4］。大氣探測(cè)研究的具體對(duì)象是表征大氣狀態(tài)和成分的溫度、濕度、氣壓、風(fēng)、輻射、降水、垂直探測(cè)、大氣環(huán)境等眾多要素，每一種要素都有多種探測(cè)儀器和方法，且有各自不同的探測(cè)原理。傳統(tǒng)課堂中通常是學(xué)生被動(dòng)接受知識(shí)的教學(xué)模式，課堂效率與成效不高，學(xué)生難以掌握氣象要素錯(cuò)綜復(fù)雜的探測(cè)方法和原理，不能很好地落實(shí)到實(shí)踐。

近年來，我國(guó)的大氣探測(cè)技術(shù)正在向自動(dòng)化、科技化方向快速發(fā)展，傳統(tǒng)的教授人工儀器觀測(cè)和記錄方法的實(shí)踐課程體系已無法滿足氣象觀測(cè)站的現(xiàn)行業(yè)務(wù)［5］，無法滿足學(xué)生了解探測(cè)科技前沿理論、掌握最新氣象觀測(cè)方法的需求，單一的實(shí)踐設(shè)計(jì)也和內(nèi)容較廣的理論知識(shí)有所脫節(jié)，學(xué)生難以深入地理解抽象理論，這對(duì)于激發(fā)學(xué)生科研興趣、培養(yǎng)氣象觀測(cè)人才具有不利影響。因此，如何進(jìn)行“大氣探測(cè)學(xué)”課程的理論與實(shí)踐教學(xué)，處理好理論與實(shí)踐的關(guān)系，是這門課程改革的主要任務(wù)。

一、推進(jìn)教學(xué)手段多樣化，在實(shí)踐中理解理論

改進(jìn)教學(xué)方法和提高教學(xué)質(zhì)量一直是“大氣探測(cè)學(xué)”課程改革的宗旨和核心。近年來，本課程根據(jù)大氣探測(cè)學(xué)的學(xué)科特點(diǎn)和發(fā)展前景積極采取措施，旨在推動(dòng)課程改革，提高教學(xué)效果，使學(xué)生的基礎(chǔ)理論知識(shí)更加扎實(shí)。在理論學(xué)習(xí)方面，教師在傳統(tǒng)的班級(jí)授課中加入了多樣化的教學(xué)手段，讓抽象難懂的理論知識(shí)條理化、可視化，使學(xué)生更容易掌握大氣探測(cè)的理論要點(diǎn)。

為了應(yīng)對(duì)大氣探測(cè)理論知識(shí)面廣、知識(shí)點(diǎn)分散的特點(diǎn)，課程改革通過修訂教學(xué)大綱，使課程系統(tǒng)化、條理化，注重優(yōu)化課程結(jié)構(gòu)和知識(shí)組織。依據(jù)浙江大學(xué)大氣科學(xué)培養(yǎng)方案、新時(shí)代大氣科學(xué)人才培養(yǎng)目標(biāo)及“大氣探測(cè)學(xué)”課程特點(diǎn)，精心梳理設(shè)計(jì)各章節(jié)授課內(nèi)容與學(xué)時(shí)。新的授課內(nèi)容打破了原有的地基觀測(cè)、天基觀測(cè)和空基觀測(cè)這一傳統(tǒng)的分類方法，而是以探測(cè)對(duì)象為主線，按照自然現(xiàn)象、探測(cè)儀器、探測(cè)原理、探測(cè)方法、實(shí)際應(yīng)用、科研拓展等模塊，將散亂的知識(shí)點(diǎn)整合成系統(tǒng)化的框架，同時(shí)在每堂課中引入天氣現(xiàn)象、氣象災(zāi)害、氣候異常等真實(shí)案例分析，通過情景化引入，幫助學(xué)生將理論知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際問題中，提升他們綜合分析和解決問題的能力。

為了幫助學(xué)生更好地理解大氣探測(cè)儀器的使用方法及工作原理，在介紹每個(gè)氣象要素的探測(cè)方法時(shí)都會(huì)在課堂中引入實(shí)物儀器，講解儀器的構(gòu)造與使用方法。同時(shí)，鼓勵(lì)學(xué)生積極參與課堂，親手拆開儀器觀察內(nèi)部構(gòu)造及其組成部分，使學(xué)生能夠更加直觀地了解儀器的功能和結(jié)構(gòu)，讓抽象的理論具象化，讓看不見的理論變?yōu)榭吹靡姷膶?shí)物。比如，在介紹“便攜式太陽輻射儀”的課程中，太陽輻射儀的內(nèi)部構(gòu)造和電路連接原理容易被忽視，在教學(xué)時(shí)拆解輻射儀，觀察其感應(yīng)裝置，并與教師互動(dòng)討論，探討儀器工作的細(xì)節(jié)和技術(shù)要點(diǎn)，有利于學(xué)生構(gòu)建更深入、更全面的知識(shí)體系。

通過引入現(xiàn)代教育技術(shù)和多媒體資源，對(duì)課件內(nèi)容和形式進(jìn)行了優(yōu)化，以提升教學(xué)效果。借助網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)資源和交互式多媒體課件等工具，更生動(dòng)、直觀地展示和講解抽象的概念和原理，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高參與度。在課件中，嵌入了大量的儀器演示視頻和三維動(dòng)畫，讓原本枯燥、抽象的大氣探測(cè)原理變得更加生動(dòng)、直觀和易于理解，從而有效提高教學(xué)效果。例如，在《云的識(shí)別》章節(jié)中，教師在課件中插入了不同種類云的圖像，涵蓋了三族十屬的云圖直觀地展示了不同云的高度和形態(tài)特征的差異，并通過諺語、動(dòng)畫等形式幫助學(xué)生記憶和理解，引導(dǎo)學(xué)生在生活中養(yǎng)成觀察和探索的習(xí)慣，極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

二、提高學(xué)生動(dòng)手能力，在實(shí)踐中運(yùn)用理論

隨著觀測(cè)儀器的更新迭代和氣象業(yè)務(wù)的快速發(fā)展，目前氣象觀測(cè)站已普遍采用自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工手動(dòng)觀測(cè)。這種變化對(duì)大氣探測(cè)實(shí)踐教育帶來了新的挑戰(zhàn)，提出了新的需求，傳統(tǒng)的單一人工觀測(cè)實(shí)踐課程已無法適應(yīng)當(dāng)前日益復(fù)雜的氣象業(yè)務(wù)和技術(shù)要求。為了提高教學(xué)質(zhì)量，適應(yīng)新的氣象觀測(cè)模式和技術(shù)，本課程根據(jù)“立足當(dāng)前、面向未來、兼顧歷史”的原則對(duì)“大氣觀測(cè)實(shí)踐”課程積極進(jìn)行改革［6］。為了使學(xué)生更好地結(jié)合理論知識(shí)與實(shí)踐，在教學(xué)大綱中安排了16學(xué)時(shí)的實(shí)踐課程。由于人工觀測(cè)儀器的構(gòu)造和工作原理是大氣探測(cè)的基礎(chǔ)，這一內(nèi)容仍被保留在實(shí)踐教學(xué)大綱中，在此基礎(chǔ)上，為了更貼近實(shí)際氣象業(yè)務(wù)，在實(shí)踐課程中增加了更多的自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用和數(shù)據(jù)處理。通過實(shí)踐課程，讓學(xué)生在動(dòng)手中領(lǐng)悟、在領(lǐng)悟中動(dòng)手，更好地掌握大氣探測(cè)儀器的基本原理，了解氣象觀測(cè)站現(xiàn)行業(yè)務(wù)［2］。

為了使學(xué)生能夠?qū)⒄n堂上學(xué)到的理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用相聯(lián)系，在實(shí)踐課程中將觀測(cè)內(nèi)容任務(wù)化［7］，引導(dǎo)學(xué)生利用所學(xué)知識(shí)，親自操作大氣探測(cè)儀器并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。如在“氣壓的測(cè)量”實(shí)踐課程中，要求學(xué)生自訂實(shí)驗(yàn)方案，利用空盒氣壓表、動(dòng)槽式水銀氣壓表、定槽式水銀氣壓表等多種儀器測(cè)量氣壓，并進(jìn)行溫度訂正、重力訂正、高度訂正等一系列數(shù)據(jù)分析處理。這要求學(xué)生綜合運(yùn)用儀器操作技巧、氣象知識(shí)和數(shù)據(jù)處理技能，從而加深對(duì)儀器原理和技術(shù)要點(diǎn)的理解。通過這樣的實(shí)踐鍛煉，學(xué)生眼、手、腦并用，培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)踐能力，提高了技術(shù)熟練度。

為了使理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)聯(lián)系更加緊密，加大了校內(nèi)觀測(cè)平臺(tái)、實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)力度，為學(xué)生提供了在學(xué)習(xí)理論知識(shí)時(shí)觀察相應(yīng)大型儀器的機(jī)會(huì)，學(xué)生能夠親眼見到各種先進(jìn)的監(jiān)測(cè)設(shè)備和儀器，了解這些儀器在觀測(cè)中的應(yīng)用，以及它們的原理和操作方法，激發(fā)了學(xué)生對(duì)科研的興趣，為他們未來的學(xué)術(shù)和職業(yè)發(fā)展提供了動(dòng)力。

三、理論與實(shí)踐相結(jié)合，共同提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)

高校加強(qiáng)與氣象觀測(cè)站、實(shí)習(xí)基地和氣象行業(yè)的合作。通過實(shí)地參觀和與工作人員的互動(dòng)，學(xué)生能夠了解觀測(cè)儀器的操作流程和注意事項(xiàng)，以及行業(yè)中的最新技術(shù)和應(yīng)用趨勢(shì)。浙江大學(xué)大氣科學(xué)系與杭州市氣象局達(dá)成實(shí)習(xí)合作，在“大氣探測(cè)學(xué)”實(shí)踐課程中，學(xué)生會(huì)到杭州市環(huán)境氣象中心國(guó)家基準(zhǔn)氣候站與工作人員一同進(jìn)行觀測(cè)活動(dòng)，如實(shí)地觀摩探空氣球垂直探測(cè)，與觀測(cè)站業(yè)務(wù)人員進(jìn)行深入交流，這不僅提高了學(xué)生的動(dòng)手操作能力，還使他們對(duì)觀測(cè)工作的細(xì)節(jié)和挑戰(zhàn)有了更深入的認(rèn)識(shí)。

課程改革的核心目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，使學(xué)生具備自主發(fā)現(xiàn)問題、探索問題和解決問題的能力［8］。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，高校必須不斷促進(jìn)理論與實(shí)踐更好地結(jié)合。缺少理論的實(shí)踐是無源之水，缺少實(shí)踐的理論則是紙上談兵，兩者相輔相成，共同發(fā)揮作用。課程建設(shè)和改革已初見成效，通過理論與實(shí)踐的結(jié)合，學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)明顯提高。

為了更好地培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，部分課程內(nèi)容采用項(xiàng)目化教學(xué)模式［9］，教師引導(dǎo)學(xué)生以小組為單位自行確定研究主題，按照科學(xué)探究的步驟，即提出問題、進(jìn)行猜想和假設(shè)、制訂計(jì)劃和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、獲得事實(shí)與證據(jù)、檢驗(yàn)與評(píng)價(jià)、表達(dá)與交流，展開項(xiàng)目研究。在大氣探測(cè)內(nèi)容中，《云的觀測(cè)》是一個(gè)重點(diǎn)內(nèi)容，在制定本章教學(xué)大綱時(shí)，為了激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，我們轉(zhuǎn)變了教學(xué)策略，引導(dǎo)學(xué)生長(zhǎng)期觀察生活中的云，發(fā)現(xiàn)科學(xué)問題，自主確定研究選題，通過查閱資料、小組討論、利用校內(nèi)平臺(tái)的云高儀數(shù)據(jù)、結(jié)合天氣觀測(cè)結(jié)果等手段對(duì)云的特征、分類和演變特征進(jìn)行拍照和錄像并詳細(xì)描述，同時(shí)對(duì)先前的科學(xué)問題提出解決措施，在期末考試前以小組形式進(jìn)行PPT匯報(bào)展示。

在項(xiàng)目化教學(xué)前期，教師通過理論講解，將實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)與科學(xué)原理相結(jié)合，幫助學(xué)生建立科學(xué)知識(shí)框架，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在項(xiàng)目化教學(xué)中期，教師可以引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題或給予學(xué)生關(guān)于問題的建議，鼓勵(lì)學(xué)生通過實(shí)踐和理論學(xué)習(xí)逐步解決問題，在學(xué)生遇到困難時(shí)給予點(diǎn)撥而不是一味地講述理論。問題驅(qū)動(dòng)的教學(xué)方式可以培養(yǎng)學(xué)生的探究精神和解決問題的能力，加深其對(duì)理論知識(shí)的理解和應(yīng)用。在項(xiàng)目化教學(xué)后期，應(yīng)制定合理的評(píng)價(jià)方式，可以用報(bào)告、展示、課堂討論等方式代替考試進(jìn)行評(píng)價(jià)，這種評(píng)價(jià)方式改變了傳統(tǒng)的書本知識(shí)考查唯一化方式，提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和科學(xué)素養(yǎng)（如圖1所示）。

在這一過程中，教師轉(zhuǎn)變了傳統(tǒng)的課堂單一授課的身份，而是作為項(xiàng)目的主導(dǎo)者，在理論和實(shí)踐兩方面引領(lǐng)學(xué)生參與整個(gè)項(xiàng)目。學(xué)生在探究的過程中加深對(duì)理論的理解，并通過實(shí)踐獲得經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)。這種探究性學(xué)習(xí)模式培養(yǎng)了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、問題解決能力和團(tuán)隊(duì)合作能力。教師不僅是知識(shí)的傳授者，更是學(xué)生學(xué)習(xí)的引導(dǎo)者和指導(dǎo)者。

結(jié)語

大氣探測(cè)課程改革要注重理論與實(shí)踐有效結(jié)合的方法和策略，培養(yǎng)學(xué)生自主探究的科學(xué)素養(yǎng)。在理論教學(xué)過程中，可以運(yùn)用現(xiàn)代教育技術(shù)和多媒體資源讓抽象的知識(shí)點(diǎn)可視化、情境化，使學(xué)生更容易接受。在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)課程大綱時(shí)，應(yīng)拓展思路，積極探索，設(shè)計(jì)可以幫助學(xué)生更好應(yīng)用理論知識(shí)的實(shí)踐項(xiàng)目，引導(dǎo)學(xué)生提出問題從而促進(jìn)學(xué)習(xí)，著重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力、獨(dú)立思考能力和解決實(shí)際問題的能力。只有與大氣探測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)相結(jié)合，才能讓學(xué)生打下堅(jiān)實(shí)的理論與實(shí)踐基礎(chǔ)。該課程不僅為大氣科學(xué)專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)后續(xù)的必修課程（如“大氣物理”“大氣化學(xué)”“天氣學(xué)”“大氣輻射”等）打下了良好的基礎(chǔ)，而且可以使其在畢業(yè)后迅速適應(yīng)氣象部門的工作崗位需求。綜合應(yīng)用理論與實(shí)踐相結(jié)合的方式，持續(xù)進(jìn)行改革，培養(yǎng)新時(shí)代大氣科學(xué)人才。

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Exploration and Application of Teaching Methods for Combining Theory and Practice in

Atmospheric Sounding： Taking the Teaching Method of Combining Theory and Practice as the Center

LI Wei-jun， SHU Shou-juan， CAO Long， BI Lei

（School of Earth Sciences， Zhejiang University， Hangzhou， Zhejiang 310058， China）

Abstract： Theory and practice are two important components in the course of Atmospheric Measurements. Taking the reform of the Atmospheric Measurements course in the Department of Atmospheric Sciences of Zhejiang University as an example， this paper analyzes the challenges and significance of the reform of Atmospheric Measurements， puts forward the optimization of the course structure and knowledge organization， introduces the instrument in physical form， utilizes the multimedia resources， etc. Furthermore， this paper analyzes the teaching reform methods such as tasking the practical content， increasing the construction of on-campus platforms， and strengthening the cooperation of off-campus practice bases in combination with practice， so that students can understand the theory in practice and apply the theory in practice. This paper aims to improve students’ ability to find problems， raise problems and solve problems， so as to cultivate students’ scientific literacy.

Key words： Atmospheric Measurements; theory and practice; scientific literacy; teaching reform