“人工智能在大氣科學(xué)中的應(yīng)用”課程教學(xué)改革探索

摘 要 “人工智能在大氣科學(xué)中的應(yīng)用”是大氣科學(xué)專業(yè)研究生一門重要的專業(yè)課程，旨在培養(yǎng)學(xué)生利用人工智能方法解決復(fù)雜氣象問題的能力和創(chuàng)新思維。針對(duì)課程特點(diǎn)和國防科技大學(xué)學(xué)生的實(shí)際情況，教學(xué)團(tuán)隊(duì)從教學(xué)內(nèi)容、課程思政、教學(xué)方法等方面對(duì)課程進(jìn)行了全面系統(tǒng)的改革和建設(shè)。通過教學(xué)改革，提高了學(xué)生的課堂參與度，激發(fā)了其學(xué)習(xí)熱情，增強(qiáng)了其跨學(xué)科解決問題的能力，顯著提升了課程的整體教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生的學(xué)習(xí)成效。

關(guān)鍵詞 人工智能；大氣科學(xué)；課程建設(shè)；教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G424 " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2025.01.003

Teaching Reform Exploration in the Course “Artificial Intelligence and Its Application in Atmospheric Science”

LYU Qi， LI Qian， PENG Xuan

（School of Meteorology and Oceanography， National University of Defense Technology， Changsha， Hunan 410073）

Abstract “Artificial intelligence and its application in atmospheric science” is an important professional course for graduate students majoring in atmospheric science， aimed at cultivating students’ ability to use artificial intelligence methods to solve complex meteorological problems and innovative thinking. Based on the characteristics of the course and the actual situation of students at National University of Defense Technology， the teaching team has comprehensively and systematically reformed and constructed the course from the aspects of teaching content， ideological and political education， and teaching methods. Through teaching reform， students’ classroom participation has been increased， their learning enthusiasm has been stimulated， their ability to solve interdisciplinary problems has been enhanced， and the overall teaching quality of the course and students’ learning outcomes have been significantly improved.

Keywords artificial intelligence; atmospheric science; curriculum construction; teaching reform

當(dāng)前，人工智能（（Artificial Intelligence，AI））在氣象領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)取得了顯著的進(jìn)展，并且持續(xù)向更深層次和更廣范圍擴(kuò)展，以前所未有的速度改變著氣象學(xué)的面貌[1-3]。全球多個(gè)國家正積極推進(jìn)AI技術(shù)在氣象領(lǐng)域中的應(yīng)用。2020年2月，美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）宣布了其人工智能戰(zhàn)略計(jì)劃，該計(jì)劃聚焦于構(gòu)建高效的組織架構(gòu)和工作流程，促進(jìn)AI領(lǐng)域的研究與創(chuàng)新，加速人工智能技術(shù)的研發(fā)與實(shí)際應(yīng)用，擴(kuò)大與各方在AI領(lǐng)域的合作。英國氣象局為了探索云計(jì)算、人工智能等前沿技術(shù)在氣象領(lǐng)域中的應(yīng)用潛力，特別設(shè)立了信息實(shí)驗(yàn)室。該實(shí)驗(yàn)室與美國的亞馬遜公司在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和云計(jì)算技術(shù)上展開合作，并與微軟公司在人工智能技術(shù)的研發(fā)上進(jìn)行聯(lián)合探索。

國內(nèi)方面，中國氣象局印發(fā)了《人工智能氣象應(yīng)用工作方案（2023—2030年）》，旨在加快布局國產(chǎn)人工智能氣象應(yīng)用技術(shù)體系建設(shè)，推動(dòng)人工智能技術(shù)在氣象觀測、預(yù)報(bào)和服務(wù)中的深度融合應(yīng)用。國內(nèi)科技界也在積極探索將AI技術(shù)與氣象業(yè)務(wù)科技發(fā)展相結(jié)合，并在業(yè)務(wù)中積極嘗試，近年來盤古、風(fēng)烏、伏羲、NowcastNet等氣象大模型相繼問世[4-5]。

在人工智能快速發(fā)展的背景下，國防科技大學(xué)氣象海洋學(xué)院面向大氣科學(xué)專業(yè)研究生開設(shè)了“人工智能在大氣科學(xué)中的應(yīng)用”課程。課程融合了氣象海洋信息處理、人工智能和信息系統(tǒng)集成等多領(lǐng)域技術(shù)，在講授人工智能尤其是機(jī)器學(xué)習(xí)等主要算法原理的基礎(chǔ)上，介紹各類智能算法在氣象信息分析中的典型應(yīng)用，使學(xué)生初步具備氣象海洋信息智能處理和應(yīng)用能力，為其今后從事氣象海洋預(yù)報(bào)工作和開展相關(guān)科學(xué)研究工作奠定必要的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。

1 課程特點(diǎn)

“人工智能在大氣科學(xué)中的應(yīng)用”是一門將傳統(tǒng)大氣科學(xué)與現(xiàn)代人工智能技術(shù)深度融合的交叉學(xué)科課程，旨在培養(yǎng)學(xué)生利用人工智能方法解決復(fù)雜氣象問題的能力和創(chuàng)新思維。課程具有以下幾個(gè)方面的特點(diǎn)：①交叉學(xué)科融合。課程內(nèi)容融合了大氣科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、數(shù)據(jù)科學(xué)和數(shù)學(xué)等多個(gè)學(xué)科的知識(shí)，使學(xué)生全面了解AI在大氣科學(xué)中的應(yīng)用。通過跨學(xué)科的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以更好地理解復(fù)雜的氣象系統(tǒng)，并為未來的研究和應(yīng)用打下基礎(chǔ)。②前沿技術(shù)引領(lǐng)。課程內(nèi)容緊跟人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)的最新發(fā)展，探討這些技術(shù)如何被應(yīng)用于天氣預(yù)報(bào)、氣候模型和環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域。學(xué)生將學(xué)習(xí)到最新的算法和模型，如卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）、循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RNN）、圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（GNN）、生成式模型等，并理解它們?cè)诖髿饪茖W(xué)中的應(yīng)用前景。通過介紹前沿技術(shù)，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，鼓勵(lì)學(xué)生提出新的研究思路和解決方案。③理論基礎(chǔ)與實(shí)踐應(yīng)用并重。課程系統(tǒng)講解了機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等人工智能核心算法，為學(xué)生打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。同時(shí)通過豐富的案例，引導(dǎo)學(xué)生將理論知識(shí)應(yīng)用于解決實(shí)際氣象問題，培養(yǎng)其解決問題的能力。

2 現(xiàn)有教學(xué)模式的問題和不足

在“人工智能在大氣科學(xué)中的應(yīng)用”課程教學(xué)實(shí)踐中，教學(xué)團(tuán)隊(duì)面臨著一系列挑戰(zhàn)和問題，這些問題的存在限制了教學(xué)效果和學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)[6]。現(xiàn)有教學(xué)模式中存在的問題和不足主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①課程內(nèi)容更新滯后。人工智能技術(shù)發(fā)展迅速，新算法、新工具和新應(yīng)用不斷涌現(xiàn)。然而，課程的教學(xué)內(nèi)容更新周期較長，難以及時(shí)引入最新的技術(shù)進(jìn)展。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中可能無法接觸到最前沿的研究成果和方法，這限制了他們對(duì)大氣科學(xué)與人工智能結(jié)合的理解和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。②教學(xué)方式單一。目前的教學(xué)方式仍以講授為主，學(xué)生參與度不夠，難以通過研討、交流等形式深入理解問題。傳統(tǒng)的講授方式較少關(guān)注學(xué)生的個(gè)性化學(xué)習(xí)需求，學(xué)生大多數(shù)時(shí)候處于相對(duì)被動(dòng)的學(xué)習(xí)狀態(tài)，難以有效激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。③實(shí)踐平臺(tái)和資源不足。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，缺乏足夠的實(shí)際項(xiàng)目和實(shí)習(xí)機(jī)會(huì)來應(yīng)用人工智能技術(shù)進(jìn)行大氣數(shù)據(jù)分析，影響了其實(shí)際動(dòng)手能力和研究水平的提高。

3 教學(xué)目標(biāo)

通過本課程的改革和教學(xué)實(shí)踐，期望實(shí)現(xiàn)如下目標(biāo)：①知識(shí)目標(biāo)。通過對(duì)本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握人工智能尤其是機(jī)器學(xué)習(xí)的基本概念，掌握氣象數(shù)據(jù)分類與回歸的基本概念和經(jīng)典方法，掌握氣象數(shù)據(jù)特征提取與分析的智能方法、氣象數(shù)據(jù)序列預(yù)測智能方法、散亂氣象數(shù)據(jù)智能分析與預(yù)測方法。了解人工智能的最新研究進(jìn)展及其在氣象海洋領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀。②能力目標(biāo)。通過對(duì)本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生初步具備運(yùn)用人工智能方法開展氣象海洋數(shù)據(jù)處理和運(yùn)用的能力；進(jìn)一步培養(yǎng)和提升學(xué)生獨(dú)立思考與問題分析、文獻(xiàn)閱讀與學(xué)術(shù)交流、知識(shí)學(xué)習(xí)與實(shí)踐創(chuàng)新等方面的素質(zhì)和能力；形成良好的科學(xué)素養(yǎng)，寬廣的全球視野和敏銳的科學(xué)洞察力，初步形成智能預(yù)報(bào)與智能處理領(lǐng)域高素質(zhì)拔尖創(chuàng)新人才應(yīng)具備的基本能力。③課程思政目標(biāo)。通過課程引導(dǎo)、課堂分享及討論等教學(xué)手段，培養(yǎng)學(xué)生的思辨和創(chuàng)新思維意識(shí)，培養(yǎng)胸懷祖國、勇攀科學(xué)高峰、自立自強(qiáng)的科學(xué)精神。

4 課程教學(xué)改革的主要措施

4.1 教學(xué)內(nèi)容改革

目前大部分高等院校的大氣科學(xué)類專業(yè)以傳統(tǒng)氣象類等課程為主，且教學(xué)內(nèi)容對(duì)氣象智能化應(yīng)用新技術(shù)和趨勢的跟蹤不夠緊密，教學(xué)內(nèi)容難以滿足智能時(shí)代復(fù)合型拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)的需要。課程團(tuán)隊(duì)堅(jiān)持以氣象智能化應(yīng)用需求為牽引，開展教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)和優(yōu)化，構(gòu)建“人工智能+氣象”教學(xué)體系結(jié)構(gòu)，將課程教學(xué)內(nèi)容大致分為六大塊，即人工智能基礎(chǔ)、氣象數(shù)據(jù)分類與回歸、氣象數(shù)據(jù)特征提取、氣象數(shù)據(jù)序列預(yù)測、散亂氣象數(shù)據(jù)智能分析、深度學(xué)習(xí)及其氣象海洋應(yīng)用最新進(jìn)展。

課程教學(xué)內(nèi)容強(qiáng)化知識(shí)的前沿性，緊盯人工智能技術(shù)前沿，及時(shí)將最新研究進(jìn)展充實(shí)到教學(xué)內(nèi)容。例如，2024年2月美國OpenAI公司推出了Sora，我們?cè)谡n堂教學(xué)中給出一些Sora生成視頻的例子，激發(fā)學(xué)生對(duì)生成式模型的學(xué)習(xí)興趣。

同時(shí)，根據(jù)課程教學(xué)目標(biāo)，不斷建設(shè)和豐富人工智能在氣象領(lǐng)域中應(yīng)用的案例庫。例如，與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法相關(guān)的大氣和地表溫度反演、海表溫度（SST）預(yù)測、空氣溫度預(yù)測、降水預(yù)測等應(yīng)用案例；與卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的地基云圖分類、熱帶氣旋估計(jì)、云雪識(shí)別等應(yīng)用案例；與循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的臺(tái)風(fēng)路徑跟蹤與預(yù)測、雷達(dá)回波外推等應(yīng)用案例。

4.2 課程思政改革

課程持續(xù)優(yōu)化思政總體設(shè)計(jì)，將思政元素融入課程教學(xué)，推進(jìn)思政教育自然滲透、全程覆蓋，強(qiáng)化課程的德育功能，培養(yǎng)學(xué)生的家國情懷和科學(xué)精神。

同時(shí)，教學(xué)團(tuán)隊(duì)突出教學(xué)內(nèi)容中思政元素的設(shè)計(jì)。根據(jù)課程特點(diǎn)，選擇相應(yīng)案例潤物細(xì)無聲地進(jìn)行思政教育。例如，通過對(duì)2024年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)和2018年圖靈獎(jiǎng)雙料得主Geoffrey E. Hinton堅(jiān)守神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究三十年，即使在最低潮時(shí)也不放棄的介紹，樹立學(xué)生“板凳甘坐十年冷”的科研精神。

4.3 教學(xué)方法改革

①啟發(fā)式教學(xué)是指在課堂中設(shè)計(jì)開放性問題引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行討論，鼓勵(lì)學(xué)生通過探究和討論深入理解課程內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力和創(chuàng)造力，提升課堂教學(xué)質(zhì)量。啟發(fā)式教學(xué)通過問題導(dǎo)向?qū)W習(xí)、互動(dòng)式討論等多樣化的教學(xué)活動(dòng)，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)和參與感，提高了課堂的活躍度。

②研討式教學(xué)主要采用論文研讀匯報(bào)和交流的方式進(jìn)行教學(xué)。選擇的代表性論文通常來源于知名的氣象學(xué)和人工智能期刊，涵蓋人工智能在天氣預(yù)測、氣候建模和環(huán)境監(jiān)測等方面的最新研究進(jìn)展。學(xué)生根據(jù)自身興趣和個(gè)人研究方向選擇具體論文進(jìn)行研讀，教師也會(huì)給予建議。在研讀階段，學(xué)生需要仔細(xì)閱讀所選論文，關(guān)注研究背景、方法、結(jié)果和討論等關(guān)鍵部分。每位學(xué)生在理解論文的基礎(chǔ)上，負(fù)責(zé)準(zhǔn)備一份匯報(bào)。匯報(bào)結(jié)束后，其他學(xué)生和教師會(huì)提出問題，針對(duì)匯報(bào)內(nèi)容進(jìn)行討論。教師在這個(gè)過程中進(jìn)行有效引導(dǎo)，讓更多學(xué)生有表達(dá)觀點(diǎn)的機(jī)會(huì)。通過論文研讀匯報(bào)和討論的環(huán)節(jié)，學(xué)生不僅加強(qiáng)了對(duì)人工智能與大氣科學(xué)交叉領(lǐng)域的理解，還鍛煉了學(xué)術(shù)交流能力和批判性思維。

③線上線下混合式教學(xué)。針對(duì)人工智能知識(shí)點(diǎn)豐富、更新迅速的特點(diǎn)，教學(xué)團(tuán)隊(duì)在“人工智能在大氣科學(xué)中的應(yīng)用”課程中，采用了線上線下混合式教學(xué)方法。在課堂教學(xué)中，教師重點(diǎn)介紹與人工智能相關(guān)的基本概念、典型算法及其應(yīng)用。為了進(jìn)一步深化學(xué)生對(duì)人工智能知識(shí)的理解和掌握，教師鼓勵(lì)學(xué)生利用課前和課后時(shí)間進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。引導(dǎo)學(xué)生參與國內(nèi)外知名高校的在線課程學(xué)習(xí)，例如斯坦福大學(xué)Andrew Ng的“機(jī)器學(xué)習(xí)”課程，以及Coursera、edX等平臺(tái)上的其他相關(guān)課程等。同時(shí)，開展本課程在線資源建設(shè)，通過建設(shè)MOOC、微課等線上資源，為學(xué)生提供相關(guān)算法介紹、實(shí)現(xiàn)和領(lǐng)域應(yīng)用等拓展性教學(xué)素材。

④課外創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)。在課堂教學(xué)基礎(chǔ)上，鼓勵(lì)和指導(dǎo)學(xué)生組隊(duì)參加與人工智能和氣象相關(guān)的學(xué)科競賽，通過競賽提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和實(shí)踐能力，推動(dòng)他們?cè)诮鉀Q實(shí)際問題中應(yīng)用所學(xué)知識(shí)。教學(xué)團(tuán)隊(duì)曾指導(dǎo)學(xué)生獲得2020年“人工智能天氣預(yù)報(bào)創(chuàng)新大賽”一等獎(jiǎng)、2022年“人工智能天氣預(yù)報(bào)創(chuàng)新大賽”二等獎(jiǎng)、2022年首屆全國氣象雷達(dá)應(yīng)用大賽二等獎(jiǎng)、2023年首屆世界科學(xué)智能大賽大氣科學(xué)賽道優(yōu)勝獎(jiǎng)等獎(jiǎng)項(xiàng)。此外，教學(xué)團(tuán)隊(duì)在2023年與湖南省氣象科學(xué)研究所聯(lián)合申報(bào)了智能預(yù)報(bào)研究生拔尖創(chuàng)新人才聯(lián)合培養(yǎng)基地，獲得湖南省教育廳批準(zhǔn)立項(xiàng)，搭建起院校與氣象科研機(jī)構(gòu)協(xié)同育人的平臺(tái)，為學(xué)生提供了更多的聯(lián)合指導(dǎo)和實(shí)習(xí)實(shí)踐機(jī)會(huì)，使學(xué)生能夠接觸到真實(shí)的氣象數(shù)據(jù)和科研項(xiàng)目，參與對(duì)實(shí)際問題的解決。

5 結(jié)語

經(jīng)過幾年的課程建設(shè)與實(shí)踐，“人工智能在大氣科學(xué)中的應(yīng)用”課程實(shí)現(xiàn)了教學(xué)內(nèi)容與方法等方面的全面革新。教學(xué)團(tuán)隊(duì)將人工智能技術(shù)與傳統(tǒng)大氣科學(xué)教學(xué)深度融合，取得了一系列顯著成果。課程改革實(shí)踐表明，改革后的課程體系更加優(yōu)化，教學(xué)手段更加多元，教學(xué)資源更加豐富。這些改革舉措極大提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，學(xué)生展現(xiàn)出了良好的專業(yè)素養(yǎng)和創(chuàng)新能力。在未來的教學(xué)實(shí)踐中，教學(xué)團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)深化課程改革，不斷探索新的教學(xué)方法，進(jìn)一步加強(qiáng)與氣象科研機(jī)構(gòu)的合作，努力培養(yǎng)具備扎實(shí)的氣象學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)和人工智能應(yīng)用能力的復(fù)合型人才。

★基金項(xiàng)目：2023年國防科技大學(xué)研究生精品課程培育項(xiàng)目“人工智能在大氣科學(xué)中的應(yīng)用”；2024年湖南省普通本科高校教學(xué)改革研究項(xiàng)目（202401000279，202401000285）。

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