中高层大气物理教学中的体会

李正

摘 要：在高校和科研院所中，研究生的本科专业背景往往有较大差异，如何给研究生上好一门专业课，既要达到研究生教学的深度，把知识点讲深讲透，又要把学生讲懂，激发学生的学习主动性，这是需要授课教师不断思考和总结经验的。该文讲述了作者在给空间天气学专业研究生上《中高层大气物理学》这门专业课时思考和总结得到的一些方法和经验，提出要一方面联系学生的本科专业背景进行教学，消除学生跨专业学习的精神负担；另一方面要将课程内容联系同学们感兴趣的自然现象和生活中发现的一些具体事件，充分利用多媒体手段，帮助学生理解抽象的物理过程和概念，激发学生的学习兴趣。

关键词：中高层大气物理 研究生 专业背景 教学

中图分类号：G64 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）03（c）-0156-02

由于现阶段研究生入学考试的跨专业现象越来越普遍，且也存在专业调剂的情况，因此在给研究生一年级的学生上专业课的时候，往往要面对本科专业背景各不相同的学生，例如有的学生本科是材料科学专业，有的是气象学专业，有的是物理学专业。俗话说：“隔行如隔山”，由于没有相关专业的知识背景，他们在接受新专业知识时往往感觉比较吃力，进而对研究生专业失去了主动学习的热情和兴趣，如何联系学生们以前的专业背景来讲授新知识，这是教学中需要解决的问题。另一方面，《中高层大气物理学》这门专业课在空间天气学专业中占有特殊的重要地位，这是因为中高层大气（包括电离层）是空间天气学领域中与人类生产生活联系最紧密的部分：从生态环境角度来看，主要存在于低平流层内的臭氧强烈地吸收了来自太阳的紫外辐射，保护着地球生物圈的安全，并影响局部或全球气候；从航天方面来看，中高层大气是各种航天器的通过区和低轨航天器的驻留区，该高度上的大气暂态结构对飞行器的安全与精确入轨具有重要影响。热层是低轨道卫星和空间站运行的主要场所，它的结构和变化特性对保障空间飞行器安全、延长轨道寿命等都有重要意义；从通讯方面看，电离层会与电磁信号发生强烈的相互作用，显著影响电磁波的传播。可以看出，这门课所学知识既有助于科学研究，也在航天工程、导航通讯等领域有广泛的应用前景，因此不能泛泛而谈进行科普式的教学，而必须把知识讲深、讲懂、讲透，如何利用这门课的这些特点激发学生们的学习兴趣，这是教学工作中的另一个难点。

该文主要介绍作者在讲授空间天气专业研究生课程《中高层大气物理学》中的一些方法和经验，概括起来就是既要联系学生本科的专业背景，又要联系同学们感兴趣的自然现象和实际生活中发生的相关的具体事件，进而达到消除学生跨专业学习的消极心理暗示，培养学生学习的兴趣和主动性的目的。

1 方法和经验

（1）联系学生本科专业背景。

本科专业知识背景对学生们而言是一笔宝贵的财富，现在他们进入研究生学习阶段，由于跨专业考研或者专业调剂等一些原因，他们其中不少人要面临一个新专业知识的学习，并且他们对这个新专业往往不太了解。如果这时候教师们脱离他们的知识背景来讲授新专业的知识，这就好比是让这些学生走下原来爬上的一座山峰，而去攀登另一座陌生的山峰。在这种情况下，学生很难具有主动学习的热情，一方面因为他们不舍得走下原来的山峰；另一方面他们也对将要攀登的陌生山峰有一种浅浅的恐惧，不知道自己能爬到多高。这时候就需要教师改变教学的策略，尽量把讲授的内容和和学生的本科的专业背景联系起来，让学生觉得将要攀登的不是一座新的陌生山峰，而是与原来山峰相连的山脉。这样就有效减轻了同学们的心理负担，也调动了同学们的学习积极性。

例子：班上有一位本科材料学专业背景的学生，对空间天气专业了解甚少。在调剂进入空间天气专业攻读研究生后学习提不起兴趣，自己心理压力也较大。而中高层大气物理学课程中有一部分内容是讲授中高层大气成分（主要是氧原子）对航天器表面材料的腐蚀作用，于是我提前一次课让这个学生准备，让他来给大家讲这部分内容。没想到这个学生非常乐意的接受了，并且在课后做了充分的準备，不仅把他以前的一些专业知识用上了，还主动去调研了一些新的内容，主动把他的专业知识与现在学习的内容进行联系。等他上课讲的时候，就讲得非常好，把中高层大气中的氧原子和高能粒子对航天器表面材料的腐蚀讲得既专业又通俗易懂，图文并茂，其中某些图是自己本科做实验时候的结果图，台下的同学们也不自觉的被代入了，听得都很认真，课堂气氛轻松活跃，达到了很好的教学效果。

（2）联系同学们感兴趣的自然现象和生活中相关的热点事件。

中高层大气中有许多美丽的自然现象，又与人类的生产生活密切相关，中高层大气是各种航天器的通过区和低轨航天器的驻留区，这是中高层大气的一个重要特点，也是我们在讲中高层大气物理这门课时可以充分利用的一个地方。另外，现在学生通过上网、看电视等渠道了解社会新闻热点的机会也很多。因此，把上课讲授的知识和生活中发生的同学们感兴趣的具体现象和事件联系起来，充分利用多媒体手段进行教学，这有助于学生理解抽象的知识，也有助于调动学生学习的兴趣和积极性。

例子：利用自然界的极光现象激发学生们的兴趣并理解相关物理过程。极光出现于地球的高磁纬地区上空的中高层大气区域，是一种绚丽多彩的发光现象。其成因是来自太阳风或地球磁层的高能带电粒子被地磁磁场捕获，便沿着地球磁力线高速进入到南北磁极附近的中高层大气中，与该区域的氧原子、氮分子等中性气体分子或原子碰撞，使这些分子和原子电离或激发而产生的。极光颜色多彩形态多变，被视为自然界中最漂亮的奇观之一，经常出现在人类的各种神话和传说中，被人类附上了许多美好的愿望和祝福。班上的同学们虽然没人见过真实的极光，但是通过文字、照片、歌曲、视频等途径都对极光现象有所了解，并对其充满了好奇和向往。其实，极光现象正是太阳风和地球磁层能量进入地球中高层大气的最重要的方式之一——“粒子沉降”。因此，在上课的时候我给同学们一边播放极光的视频，一边对粒子沉降的相关物理过程进行讲解，利用极光的美丽和神秘感吸引同学们的注意力，然后抓住时机把现象与物理过程相联系起来，建立了从现象到理论的桥梁，让同学们对相关物理现象有了直观的感受，对相关物理过程有了深刻的理解。

例子：利用航天器成功返回来讲授大气阻力作用和“黑障区”的概念。进入新世纪以来，航天技术的发展是国际上的一个热点，同学们对航天器载入返回的知识有比较浓厚的兴趣，也通过自己上网看新闻积累了一点点的相关背景知识。在上课的过程中，我给同学们播放了航天器再入返回的视频，整个再入返回过程就是航天器穿越中高层大气进入低层大气最后着陆的过程。结合视频的播放，对中高层大气的密度、成分随高度的分布进行讲解，给同学们很直观的感受。当航天器进入一定高度范围内时，由于和大气摩擦，航天器表面会形成一个等离子体层，从而干扰了航天器和外界的电磁波通讯，而由于高度还比较高，地面的光学观测设备还无法捕捉到飞船的踪迹，因此在这个高度范围内，航天器就像“消失”了一样，既无法联系上，也观察不到，这个高度范围就是“黑障区”，“黑障区”的存在也给航天器着陆区的预测增加了难度。在视频播放中，同学们很直观的看到了“黑障区”的存在，结合理论知识的讲解，使同学们对“黑障区”的概念、形成原因、影响等各方面都有了比较深入的认识。通过理论联系实际，不仅使同学们能更好的接受抽象生疏的知识，同时也在很大程度上激发了同学们的学习兴趣和热情。

2 结语

在高校或科研院所给研究生一年级学生上课的时候，由于跨专业考研和专业调剂等方面的原因，老师往往要面对的是本科专业背景各不相同的学生，如果只是一味泛泛教学、科普式教学，不仅无法完成研究生教学的深度要求，而且对于那些已经有相关专业背景的同学来说在一定程度上是浪费时间；而如果一味把知识讲专讲深，那些没有相关专业基础的同学接受起来又有困难，进而影响他们的学习兴趣，教学的效果也肯定不会理想。因此，在讲授课程的过程中，既要把专业知识讲深，也要把学生讲懂。笔者在讲授空间天气学专业研究生课程《中高层大气物理学》的过程中积累了一些体会和经验，主要是在授课的过程中积极寻找与学生本科专业相关的联系点，消除学生对新专业的陌生感；另外，多将上课知识联系同学们感兴趣的自然现象和社会上、国际上发生的相关的具体事件，建立现象到理论的桥梁，帮助学生理解抽象的物理概念和复杂的物理过程，并讓学生们更好的了解上课的意义和理论知识在实际生产生活中的应用，激发学生的学习兴趣和积极性。最后，从教学效果上看，同学们的学习都比较好的达到了预期的教学要求。

参考文献

[1] 盛裴轩，等.大气物理学[M].2版.北京：北京大学出版社，2013.

[2] 王劲松，吕建永.空间天气[M].北京：气象出版社，2009.

[3] 魏奉思.空间天气科学与有效和平利用空间[J].航天器环境工程，2014，31： 457-463.

[4] 李宏伟，等.微小空间碎片与原子氧协同效应研究[J].空间科学学报，2011， 31：503-508.

[5] 熊年禄，唐存琛，李行健.电离层物理概论[M].武汉：武汉大学出版社，1999.

[6] 刘瑞源，吴健，张北辰.电离层天气预报研究进展[J].电波科学学报， 2004，19：35-40.

[7] 汤锡生，陈贻迎，朱民才.载人飞船轨道确定和返回控制[M].北京：国防工业出版社，2002.