《气象数据分析与可视化》课程教学的思考

康娜+于兴娜+杨素英

摘要：气象数据分析与可视化是大气物理和大气环境相关专业本科生重要的课程，笔者提出“一个注重，一个精心，一个加强”的教学方法，即注重理论教学授课方式，精心设计实验教学内容，加强课程小组团队建设的综合提升模式，以达到好的教学效果。

关键词：GrADS；Origin；教学方法；教学效果

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）16-0216-02

一、引言

本校针对于大气物理、大气环境相关专业本科生开设了《气象数据分析与可视化》课程，开设任务是使学生能掌握气象上常用的几种绘图软件（GrADS、Origin），以适应未来学习和工作的需要。GrADS是一款在气象界应用广泛的数据处理和显示的绘图软件，其专业性强，是专门为从事大气、海洋研究的科研和业务人员设计的。它适用于多种常用的系统，通过其集成环境对气象数据进行读取、加工、图形显示和打印输出，所有数据在GrADS中视为经度、纬度、层次和时间的4维场，数据既可以是格点资料，也可以是站点资料，数据格式可以是二进制或GRIB码等。GrADS系统具有操作简便、功能强大、显示快速、出图类型多样化、图形美观等特点，并且提供了一种解释型描述语言以帮助高级功能的开发。通过学习GrADS软件，使学生掌握命令行输入的交互式显示图形的方式，掌握数据的处理、ctl文件和gs文件的编写及应用，掌握各种常用的绘图指令，使得绘图效果精致完美。Origin软件是美国OriginLab公司推出的具有强大功能的数据分析和科技作图软件，其采用直观、图形化、面向对象的窗口菜单和工具栏进行操作，无需编写程序代码，简便易学，不仅能满足一般的作图要求，满足出版社对科技绘图格式的要求，而且能够处理复杂的数据分析、图形处理以及函数拟合等。它的另外一个优点是可以直接使用和处理Microsoft Excel表中的数据。Origin软件主要讲授科技图表绘制、实验数据分析，此外Origin还可以对各种数据进行拟合以及对各种谱图进行分析，是科技工作者必备的工具之一，深受广大科技工作者的欢迎。通过对Origin的学习，使学生掌握目前最先进的科技绘图软件，为学生日后学习和工作或在各种科技论文及著作中绘图应用打下基础。在大气环境研究中需要对许多表示变化趋势的数据资料分析处理，尤其是对比较复杂的连续变量的趋势分析处理，Origin软件能通过寻找变量与效应指标之间的拟合关系，同时采用图的形式直观表达，提供给气象学科研人员准确、直观而且丰富的数据信息。

该课程是一门实践性很强的课程，如何将理论的学习与实践相结合，达到良好的教学效果尤为重要。笔者通过几年的教学与摸索有如下几点思考。

二、注重理论教学授课方式，优化理论教学方法

在本门课程中，理论授课必不可少，在此阶段如何激发学生的学习兴趣，如何以深入浅出的讲解让学生快速的领悟绘图软件的基础及技巧是关键。

以GrADS软件为例，该软件是交互式的显示图形，它不同于学生以往比较熟悉的图形界面操作。基于此特点，教师在课程之初可由学生喜闻乐见的绘图题材及可视形式展现个例，引起学生的兴趣；以结合专业课程的精选个例演示绘图操作过程，激发学生的求知欲。在循序渐进的示例过程中，逐步强调此绘图软件使用过程中的难点和重点，从而得到好的授课效果。在此过程中要避免一味地灌输式讲解，要从分析问题、解决问题、设计绘图入手，启发学生的思维，增加课堂的互动，使每位学生都参与到课堂讲解的过程中来，达到事半功倍的效果。课堂讲授的主要内容包括：绘图数据的前处理，数据描述文件“*.ctl”文件的组成、每条语句的含义和描述方法，可执行文件“*.gs”文件的作用及构成。将全部的绘图命令写入到“*.gs”文件中，完成对图形的批处理，在此过程中使图形更加美观。对于Origin软件，学生接受起来相对容易，但因为其功能强大，涉及到的操作很多，所以首先结合学生的专业课程学习以及已发表学术论文中挑选出的图形进行展示，让学生对该软件绘图效果有一个整体的了解，再通过个例从细节上加以仔细讲授，达到良好的效果。在此过程中要避免就图论图，要启发培养学生的综合绘图素质，使学生能够举一反三，具有独立分析问题解决问题的能力，同时掌握积累绘图能力和技巧。

结合课堂教学，鼓励学生使用网上资源，登陆专业论坛中有探讨相关软件的使用、遇到的问题及解决方案的版块。学生在浏览或参与讨论的过程中会有极大收获，还可收集很多重要绘图资源，是课堂教学的重要补充。

三、精心设计实验教学内容，加强学生动手能力

实验教学的实习内容要精心设计，一方面结合授课学生的具体专业方向，选择覆盖全面的实习实例，另一方面注重对学生绘图基础的夯实以及动手能力的培养。结合教师自身的科研经历，以及大气物理、大气环境学生相关的专业课程内容，设计出16学时的实习内容。课堂讲授与实验操作穿插进行，可以使学生在课堂上学到的绘图技巧及时得到实践，实践当中遇到的问题及时得到解决，相互促进，达到良好的教学效果。以GrADS软件为例，设计具体案例，如使用NCEP资料绘制天气形势的流场图；利用数值模拟的结果展示气象要素的垂直分布；等等。通过绘图展示成果，此过程可以加强学生对专业知识的理解和转化。此部分的具体案例，难度水平和内容要求与课堂讲解一致，这样学生在课堂的讲授中获得的知识可以在实习中加以检验及拓展。实习的内容主要涉及软件使用数据的前处理，站点资料绘图和格点资料绘图，其中又以格点资料绘图及详细绘图命令的使用和掌握为重点。

结合专业知识学习Origin软件，既激发了学生的兴趣，也加深了学生对图形绘制要求的认识。比如Origin软件可以绘制气象部门必用的风玫瑰图。风玫瑰图是消防监督部门根据国家有关消防技术规范在开展建审工作时必不可少的工具。在城市规划中，可以根据风玫瑰图正确确定大型易燃、可燃气体等甲类生产厂房或甲类物品库房及生活区的位置；同时可以根据风玫瑰图考虑风向对生产装置、工艺流程以及相邻企业的生产和工厂生活区的影响。因此，风玫瑰图的正确绘制非常重要。我们将不同风速级别和不同风向的风速频率拷入Origin软件，通过选择该软件中的极坐标系统（polar）处理，可以获得不同风速级别下的风玫瑰图。另外，Origin软件还可以轻松实现双Y坐标，如要求学生进行DOUBLE Y图绘制的时候，结合气象要素（如温度、相对湿度、气压和风）对空气污染物浓度的影响分析，可以同时得到某地区某一时段的气象条件以及空气污染情况。通过这些具体绘图实例的练习和分析，学生更加明确对于什么样的问题应该作什么类型的图，什么样的图形需要使用什么样的数据。另外在此阶段，要求学生通过互联网下载数据，利用自己下载的数据绘图，在练习使用软件的同时提高动手能力，提高学生对软件及专业知识的理解能力。endprint

注重反馈，是本课程的特色之一。通过实习课程的锻炼，学生每次绘图实习之后教师要给予点评，使学生对绘图的细节有更加充分的掌握，使绘图效果更加符合科技文章写作及大众的审美要求。

四、加强课程小组团队建设，提高整体水平

《气象数据分析与可视化》课程小组教师队伍是一支年龄结构和知识结构较为合理的队伍，平均年龄37岁；其中副教授2人，讲师1人，所有成员均具有博士学位，其中1人入选江苏省青蓝工程优秀青年骨干教师，2人获得省部级科学技术进步三等奖。课程小组成员分别毕业于中国科学院大气物理研究所、复旦大学、南京信息工程大学等国内著名高校和科研机构，研究领域包括空气污染气象学、大气化学、大气环境等。同时，课程团队成员积极参与各种学术活动，其中1人为中国气象学会会员，2人为江苏省颗粒学会会员。所有成员先后主持完成多项国家级或省部级科研项目，先后在国内外知名SCI和权威刊物发表多篇高水平论文。教师队伍利用各种途径和资源开展有关课程理论知识的培训和学习，为课程建设提供必要的理论支持，以提高课程管理的质量。课程小组还与其他相关学院的相关课程的授课教师进行教学探讨，以拓宽眼界，发现讲授中的问题以及使教学更加完善。同时，建立了相应的管理与评价制度，为课程管理的高效实施提供支持和制度保障。课程负责人积极邀请高校课程管理人员、院系领导、教师和学生，引进气象和环保部门以及学术团体参与到课程管理中来，为课程设置提供建议、对课程实施进行监督和评价，促进了学校课程管理水平的显著提高。教师队伍先后多次去国内其他高等院校和科研机构进行短期访学交流与合作研究，为本团队在教学和研究方面的发展与创新铸筑了扎实的工作基础和较大的发展潜力。三名年轻博士投入到气象数据分析的教学科研工作中，使气象数据分析与可视化走向一个新的水平与阶段。

五、结语

本文总结了笔者在多年的教学中的经验和体会，也使得该门课程的教学收到了良好的效果。教学是师生配合，相互促进的过程，教师把精心设计的课程内容通过理论教学给学生加以讲授，在此过程中需要学生的互动，要积极思考提问，教师给予解答；通过实习课程的锻炼，将理论课上学到的内容得以应用，并且结合专业知识，使得对绘图软件的理解及使用更加深刻。同时，学生在课外获得的资源又作为课堂内容的补充；课程小组的研讨更加提升了团队的教学水平。

参考文献：

[1]马红云，李丽平.GrADS软件基础教程[M].北京：气象出版社，2011.

[2]LASG GrADS使用手册[EB/OL].endprint