《边界层气象学》课程改革举措述略

王成刚 姜海梅 曹乐 严家德

摘要：为了提高《边界层气象学》的教学质量，利用多年教学经验针对当代学生的特点，形成了一套“夯实基础，重视应用，分流培养的模式”。在教学过程中注重方式、方法的不断创新，让学生的学习从被动转为主动。加强实践教学环节，在学生“动脑、动手”的过程中，去培养学生发现问题、分析问题、解决问题的能力。在师资建设方面，一方面大力引进优秀人才，扩充师资队伍的力量；另一方面努力培养教学精英，提高教学团队的水平。在多项改革措施同时推进下，该课程的教学效果有了显著提升。

关键词：边界层气象学；课程改革；学生素质；师资建设

中图分类号：G642.3 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）24-0124-03

2013年教育部大气科学教学指导委员会明确指出：“当代大气科学人才的知识结构与综合素质的培养要与时代的发展相适应，要大力培养理论基础扎实，知识面广，动手实践能力强，适应能力强和创新能力强的专业人才。”这为新时期大气科学人才培养目标指明了方向，也对教育工作者的培养思路进行了启迪。

一、课程改革的迫切性与必要性

《边界层气象学》作为大气科学的一个重要分支，主要关注距离地面1～2公里直接与下垫面发生相互作用的大气层及其内部各种物理过程，是一门理论性强、实际应用广的课程。近年来由于我国大范围雾霾的爆发，极端天气、气候事件的频繁发生以及风能、太阳能的广泛利用，使得边界层气象学的研究和实际应用被业内外人士广泛关注。与此同时，国家和社会对本专业培养出的人才提出了更高要求。不可否认的是，先前的培养模式的确培养出了一大批优秀人才，但是随着学科发展的进一步深入，现行的人才培养模式已很难满足国民经济发展的需求，很难与新时期的人才培养目标相匹配，其体系自身也日益暴露出专业划分过细，教学理念、教学方法、教学内容相对落后等一系列问题[1，2]。因此，如何相应的调整和改革现有教学模式，如何提高学生的专业素养和综合素质，如何提高课程的教学质量，成为每一名专业课教师必须认真思考、积极探索的首要任务。

作为南京信息工程大学《边界层气象学》课程小组的教学成员，通过近10年来的实践教学摸索和边界层领域的科学研究，我们认为，无论从时代发展、背景变化，还是从体系完善、实践教学改善等方面，《边界层气象学》的教学改革工作均应提上日程，亟需着手实施。

二、课程改革的具体实施举措

结合多年的教学科研经验，我们认为，《边界层气象学》的教学改革应当主要从以下几个方面着手开展，以期提高课程的实际教学质量。

（一）人才培养模式改革

当下“90后”大学生是高等教育重点培养的对象，由于其成长环境的特殊性，使得当代大学生的世界观、价值观和人生观具有鲜明的时代特征，主要表现为思维活跃、知识面广、学习渠道多、创新能力强等优势，但同时也存在贪玩、动手能力差、抗压能力弱、缺乏团队合作精神和吃苦耐劳精神等问题[3]。因此，我们必须适当改变传统的人才培养模式，因材施教，充分利用现有学生的自身优势，弥补其不足之处。

经过多年的教学摸索，我们对人才的培养逐渐形成了一套“夯实基础，重视应用，分流培养”的模式。（1）在课堂教学中，注重基本概念、基本物理现象和物理过程的讲解。（2）在实践教学中，结合一些实际个例，将应用性较强的知识点让学生熟练掌握，这样既可以使学生获取更多的感性认识，同时也提高了学生的学习兴趣。（3）在课外时间，对于学有余力的学生，则通过气象探测资料处理、典型天气过程数值模拟等来完善学生的知识体系，以提高学生的动手能力，激发学生的求知欲，培养他们的科学探索精神。

（二）教材、教学内容改革

随着大气探测技术、数值模拟技术的不断更新，大气边界层领域的研究有了很大的进展，新理论、新方法、新成果不断涌现，许多传统的知识概念都有了新的发展，因此沿用陈旧的教科书已经不能跟上当前发展的形势。目前《边界层气象学》课程的教材主要有《边界层气象学导论》（1991，气象出版社）、《边界层气象学教程》（1991，气象出版社）、《The Atmospheric Boundary Layer》（1992，剑桥出版社）、《大气边界层动力学》（2006，高等教育出版社）。其中《边界层气象学导论》较为系统全面地阐述了早期大气边界层基本理论、观测手段、数值模拟等内容，概念清晰、推导严谨、由浅入深，并且包括相当数量的习题，是大气边界层入门学习的最佳教材，但该书已绝版。其余几本教材也同样存在这样的问题。因此，为了让学生尽可能地了解到大气科学的最新进展，我们必须对教材进行更新。课程小组在南京信息工程大学教改项目的支持下正在编著《边界层气象学》、《大气边界层实习教程》两本书，新版教材在秉承前人基本知识理论体系的同时，删减了已过时或应用较少的内容，增补了应用性和前沿性较强的内容，包括湍流理论、边界层理论、边界层探测及其应用等方面的最新研究成果。该教程出版后，可在很大程度上满足边界层气象学理论教学过程中对教材的需求。

《边界层气象学》的教学内容主要有边界层气象学导论、大气湍流基础、湍流控制方程组和湍流能量方程、近地层相似理论以及中性边界层、对流边界层、稳定边界层、大气扩散基础、大气边界层探测基础等，内容涵盖广泛，理论性强，普遍存在学时紧张的现象。因此，在教学过程中把教学内容分为基本内容、选讲内容和自学内容。其中，基本内容主要包含一些基本理论与基本方法，如大气湍流基础、湍流运动控制方程组和近地层相似理论等；选讲内容和自学内容根据专业应用特点、学生接受能力和下一步学习需要来加以确定，如对气象学专业的学生则更多的讲述大气边界层动力、热力机制对天气系统的影响；对气候学的学生则更多的讲述陆面过程对气候变化的影响等[4，5]。

（三）教学方式、方法改革

教学方式、方法的改革是加强课程建设，提高教学质量的重要途径。传统的课堂教学基本上是教师的“独角戏”，学生多处于一个被动接收知识的状态，师生间的互动性不强。为了有效提高学生学习的主动性，我们采用了分层次教学的方式，即首先对繁杂的教学内容和有限的教学时数进行深入分析，列出哪些内容是要在课堂上详细讲解的，哪些内容可以通过学生自学完成，哪些内容通过学生查阅参考文献获得知识，再采用课堂答疑的方式讲解，让学生自己进行综合归纳，这样就摒弃了过去所有的章节都在课堂上详细讲解的方法，在有限的教学时间内极大地丰富了教学内容，将十分复杂的教学内容分出了层次。我们在课堂教学过程中采用启发式、诱导式的教学，让学生有更多思考、领悟的空间。此外，我们还通过设疑、课堂讨论、专题辩论、阶段小测验等方法活跃课堂气氛[6]。学生听课也不再是处在一个被动的位置，而是在教师的启发下，主动地学习知识。再者，我们加强重视对课后习题的设置和学生作业的完成情况。《边界层气象学》是整个学科中教学难度相对较大的一门课程，学生在完成作业的过程中，通过相关文献的查阅，相关资料的整理，一方面会对知识结构进一步梳理，另一方面培养和增强了学生分析解决问题的能力，提高了学生的学习兴趣，学习从被动转向主动。

随着时代的不断进步，传统的教学方法已无法满足现代教学要求，因此教学方法的改革也势在必行。大气边界层的研究内容和研究对象比较抽象，如湍流结构、湍流的运动方式等，学生很难建立空间三维结构。因此，我们有必要借助多媒体手段，把教学中难以表达的、学生难以理解的抽象内容，直观、生动地展示在学生面前。这样既可增加课堂教学的生动感又可利于知识的获取，从而突破教学的重点，激发学生的学习兴趣[7]。

近年来，在多媒体课件广泛使用的过程中我们发现学生的动手能力、推导计算能力有明显的下滑。利用多媒体课件讲述一些繁杂的计算和推导过程的确是节省了一些时间，学生在课堂上也貌似都听懂了，但一拿到作业和试题就无所适从、无从下手，究其原因还是没有真正理解所学习的内容[8，9]。因此，我们坚持一定量的板书推导过程，尤其是一些物理定律和物理方程的讲解，比如在讲解湍流应力的作用时，我们就会利用板书从Navier-Stokes公式出发推导出雷诺方程，并在推导过程中逐一讲述公式中每项的物理意义，使同学们容易消化和掌握知识内涵。

（四）考核方式改革

追求“分数至上”，忽视知识体系的构建，忽视知识内容的融会贯通，是当代大学生在学习过程中普遍存在的一种现象。本门课程传统的考核方法，通常是将期末考试成绩作为学生课程总评成绩。这种考核方式很容易在学生中间滋生“临时抱佛脚”的思想。为了避免这种现象的出现，为了促进学生踏踏实实的学习，克服部分学生平时学习不认真的坏毛病，我们对课程考核方式进行了改良，即学生的最终考核成绩由平时成绩和期末测评成绩共同组成。其中平时成绩占总成绩的40%，主要包括学生作业完成情况，课堂教与学互动表现和实习完成情况。期末考试成绩占总成绩的60%，为了最大限度地调动教师授课和学生学习的积极性，我们开展“边界层气象学”试题库建设的工作，在期末考试和补考中实行“教考分离，统一阅卷”的模式。近3年的实践应用表明，现行的考核方式能够更加有效的提高课程教学质量。

（五）教学团队建设

一支稳定又有活力的师资队伍是课程教学的核心保障。因此，建设一支学历、职称、年龄和学科结构合理的高水平的师资团队对课程发展至关重要。自2004年开始，南京信息工程大学大力引进高层次人才，我们的教学团队也得到了壮大，现有的5名教师都具有博士学位，而且都有海外留学或进修经历。经过近10年的培养我们逐渐构建了一支师德师风好、学术造诣高、教学能力强、教学经验丰富、具有发展潜力的教学团队。团队成员每个学期定期召开4～5次教学讨论会，由老教师分享经验，也为新教师答疑解惑。在同事间的互相学习过程中，团队成员的教学经验、教学技巧、教学水平都有了明显提高，有多位教师屡获学校教学成果奖。

（六）实践教学环节改革

《边界层气象学》中的很多理论都是建立在实践基础上，而且课程具有很强的应用性。因此，针对上述课程特点，我们在教学工作安排上坚持和完善“课堂教学—实习实践”相结合的教学模式，不断完善实验课程体系和实验教学条件的建设。“十二·五”期间，在校方和中国气象局的大力支持下，我们建成了4个实习基地（其中校外3个，校内1个），并且购置了大量先进的仪器设备，如云雷达、激光雷达、风廓线雷达、GPS探空系统、系留气艇探空系统、涡动相关系统等，为培养学生的实践能力创造了良好的硬件支撑条件。

为了配合理论课的教学，我们增加了一门《大气边界层探测实习》作为学生的选修课。课程通过外场观测实习、观测仪器的使用、观测资料的处理、资料分析等过程，增强了学生的感性认识，同时也有助于提高学生动手能力和创新能力。在安排实验课教学时，我们还根据学生所学专业的差异，分别对待。如大气物理与大气环境类学生的实践课就多偏重小尺度、微尺度的湍流观测，资料处理，设备性能熟悉，等等；对于气象学和气候学专业的学生则偏重边界层垂直结构的观测。

此外，为了进一步加强学生实践能力的培养，在校方的大力支持下，我们还增加了暑期野外实习内容。如2015年8月我们在苏州东山太湖边开展了为期1周的“太湖湖陆风”野外实践。该项目采用“研究性实习教学”的方法，针对一些学习成绩优秀，对边界层研究感兴趣的本科生进行科学素养训练。此次野外实习过程，利用本团队自助研发的GPS—BL探空系统对太湖地区边界层垂直结构特征进行了每天5次的垂直观测。观测过程中学生熟悉和理解了气球的充气、配重原理，仪器的性能结构，熟悉了Matlab、Origin等数据图形处理软件的使用。实践结束后，学生还以项目小组为单位进行研究课题的答辩。通过上述实践活动培养了学生发现问题、分析问题和解决问题的能力，激发了他们对大气边界层研究的兴趣和热情，提高了他们开展野外实践的能力，同时还锻炼了体力与意志。

三、结语

随着时代的进步，学科的发展，学生的特点也发生了改变，如何有效的提高教学质量，是每一位高校教师必须认真思考的问题。

上述是我们经过思考后提出的针对《边界层气象学》教学改革的系列举措，这六项系列举措在具体实施过程中并不是人为割裂的，而应呈现出环环相扣、同期进行、多管齐下的施教局面，这样才能切实保障起课程教学的实际效果。同时，我们也认为，针对《边界层气象学》教学改革还应着重考虑以下这些问题：教材的更新速度，教材质量的提高；根据不同学科背景、不同专业方向的特点，设计好教学内容；在教学方式、方法上不断创新，不断提高教学效果；加强“理论联系实际”，提升实践课的教学质量；加强师资队伍的建设，不断提高自身教学水平；等等。经过上述一系列的教学实践改革，在师生的共同努力下，我校学生学习该门课程的主动性有了明显增长，对课程知识的掌握程度也有了显著提高，并且有效地锻炼了学生的实践动手能力，基本上取得了预期的教学目的和效果。教学改革是一项长远任务，我们只有在改革过程中不断思考，发现问题、解决问题才能为国家和社会培养更多的有用人才。

参考文献：

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[2]王颖，赵连泽，吴小根，等.地球系统科学创新人才培养模式探索与实践[J].中国大学教学，2007，（6）：13-16.

[3]薛宇峰，徐峰.大气科学专业应用型人才培养模式的改革与探索[J].高等农业教育，2011，（1）：58-60.

[4]姜海梅，王成刚.《边界层气象学》课程教学改革实践探讨[J].教育教学论坛，2014，（15）：36-37.

[5]王咏薇，朱彬.《大气边界层物理学》课程教学的几点思考[J].黑龙江生态工程职业学院学报，2011，24（2）：110-111.

[6]余锦华.对《气象学与气候学》教学改革的几点认识[J].气象教育与科技，2007，28（4）：10-13.

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[8]李国平.面向气象事业发展战略的大气科学人才培养模式的思考与实践[J].中国气象学会2006年年会“气象教育与培训”分会场论文集，2006.

[9]温之平，贺海晏，黎伟标.面向21世纪大气科学教学改革探讨[J].中山大学学报论丛，1998，（2）：35-38.