气象预报实验教学中心实验教学体系改革探索

华 维, 周筠珺

(1. 成都信息工程大学 大气科学学院, 四川 成都 610225；2. 成都信息工程大学 高原大气与环境四川省重点实验室, 四川 成都 610225)

气象预报需要采用全球范围内气象台站观测得到的海量气象数据,以天气学原理、数值预报、动力气象学、高等数学、物理学和统计预报等学科与课程的原理和方法为支撑,对未来一定时空范围内的温度、降水和湿度等天气状况的变化趋势进行判断并最终作出预测,具有很强的实践性[1-4]。因此,在大气科学和应用气象学专业人才培养中加大实验教学课程力度,可以有效地提高人才培养质量,提高学生对气象预报业务流程乃至对气象行业的认知能力[5-10]。我校气象预报实验教学中心(简称中心)是四川省高校中唯一的大气科学类省级实验教学示范中心。中心依托我校“大气科学”国家级特色专业、“气象学”四川省重点学科以及“地球科学”四川省一流学科,秉承“面向行业、聚焦业务、立足学生、夯实基础、强化应用、激发创新”的教学理念,按照现代气象预报业务的发展确实和流程及规范,对原有体系进行改革和探索。

1 中心发展历程和概况

我校气象预报实验教学中心建设始于上世纪50年代。经过多年的发展,中心按照专业结构、专业实践、研究创新不同层次的要求,已经发展成为拥有天气分析与预报实验室、大气数值模拟实验室、大气流体力学实验室和应用气象学实验室5个建制实验室在内的综合性实验教学中心。中心拥有高水平的师资和先进的仪器设备,保障了大气科学、应用气象学等专业的本科及研究生的实验、实习教学任务的完成。中心固定资产1 200余万元,拥有曙光和SGI服务器等主要设备820台/套。此外,建有气象实习台535 m2,大气数值模拟实验室120 m2,应用气象实验室66 m2,地面综合气象观测场4 800 m2和应用气象实验基地900 m2。中心还拥有气象资料观测接收与存储以及计算与分析处理等系统。目前,中心承担实验、实习课19门及学生毕业论文上机、科学研究、开放实验、专业教育、第二课堂、科技竞赛、开放参观、中国气象局预报员和气象基础知识培训、民航部门预报员培训等教学任务。

2 创新实验教学理念,优化实验教学体系

中心秉承“分类培养、业务为先、注重实践、开拓创新”的建设思路,按照现代气象预报业务发展规划和流程,对教学实验体系进行改革与实践,提升学生气象预报业务能力,拓展了实验教学的广度和深度。

2.1 创新教学理念

中心主要用于大气科学和应用气象学专业本科生和大气科学专业研究生的实践教学。中心拥有天气分析与预报实验室(下设气象台、气象实习台和地面综合气象观测场)、大气流体力学实验室、大气数值模拟实验室、应用气象学实验室(下设应用气象实验室和应用气象实验基地)4个高水平实验教学平台(见图1),是我国西南地区高校中实验体系最完备、占地面积最大、人才培养数量最多的气象预报实验教学中心。

图1 气象预报省级实验教学示范中心实验教学平台

中心以本科实验教学为主,同时辅助研究生教育,此外还承担中国气象局、中国民用航空局预报员培训任务,是中国气象局预报员培养、培训基地。我国气象系统和民航系统大部分气象预报骨干以及大量军队气象预报人员均在中心接受过培训。中心以理念革新引领实验教学方法和手段不断创新,在多年的实验教学过程中确立了“面向行业、聚焦业务、立足学生、夯实基础、强化应用、激发创新”的实验教学理念。在实验教学中,引入了分类培养和校内外双导师教学模式,通过科研与实验教学相互融合、实习实训与行业业务相互结合,提升大气科学类专业本科生的气象预报业务能力。

2.2 系统设置教学体系

根据中心的实验教学定位,即满足行业和学生发展的不同需求,建立既巩固理论教学成果，又体现行业特色的实验教学体系。以学生为中心,面向行业需求,分阶段、分类培养的实验教学体系，能够克服传统实验教学中理论与实际业务脱节,以及以教师理论讲授为主、实验课程内容陈旧形式单一、缺乏综合性和创新性等缺点,从而引导学生能够在实习实践过程中对于如果更好开展气象预报进行独立思考。

中心从行业业务和人才分类培养体系出发,以培养学生实践能力、创新能力和业务应用能力为核心,积极主动与行业、企业紧密合作,构建了 “两结合、四层面、六环节”的气象预报实验教学体系(见图2)。

图2 “两结合、四层面、六环节”的实践教学体系建设

“两结合”:气象预报人才不仅拥有扎实的大气科学理论基础知识,又具备大气物理、大气化学、大气探测、计算机、数学等相关学科的知识和能力储备。因此,中心在充分考虑各相关学科基础实验和综合实况天气预报实训密切联系的基础上构建层次化、分阶段的实践教学体系。其中各相关学科基础实验指大气探测基础、农业气象学、中小尺度天气学、天气诊断分析、数值天气预报、数值计算方法、雷达气象学、统计天气预报、卫星气象学、FORTRAN程序设计、气象图形软件应用、应用气候学、大气环流、天气学原理、动力气象学等相关课程的实验教学环节,即在夯实大气科学理论基础的同时更侧重于对创新实践能力和综合业务的提升。气象预报属于多课程结合的综合性实验项目,包括天气分析预报综合实验和应用气象学毕业综合实验,实践核心在于对学生多学科知识交叉运用和综合分析能力的培养。层次化、分阶段的实践教学体系即在低年级侧重于单科型实验的基础上,高年级强化多学科交叉的综合实验课程及实验项目的训练,从而使学生在具备深厚理论功底的基础上又拥有综合运用多学科知识的实践能力。中心同时统筹安排校内与校外实践,通过加强与业务部门的合作,促进学生参与校外业务部门的实训,了解最新业务和岗位的要求,实现人才和岗位的无缝对接,提高毕业生的社会适应度。

“四层面”“六环节”是将课程实验、实习实训、课程设计、毕业论文等实践环节根据对学生能力的不同要求划分为基础实践、综合实践、创新实践和业务应用4个层次。其中课程实验和教学实习实训属于基础实验,是整个实践环节的基础,通过基础实验,学生能够进一步巩固和加强对课堂教学中基本理论的掌握,达到气象专业人才的基本能力要求。综合实践是对多学科、多课程的理论知识和技能的综合应用,包括课程设计和专业设计,此层次将充分考察学生的气象预报综合能力的训练。创新实践是对学生创新能力的训练,包括学生进项目组,参与科研项目以及各种科技竞赛,从而达到以科研促教学的目的。业务应用主要针对于应用型人才的培养,面向行业,面向业务岗位,通过局校合作项目,通过行业业务实训,培养行业、企业能够拿来就用的人才。根据中心实验教学体系、结构及人才培养目标要求,以及气象业务实际需求,基于中心形成的4大实验教学平台,共面向2个专业开设各类实验、实习和实训课程19门,开出必修和选修实验教学项目共计110余项,实验开出率达97%以上。

此外,中心根据近年来实践教学经验和用人单位反馈信息,以满足气象预报业务需求指导思想,提出了分层次、分阶段、模块化的人才培育模式。通过分层次、分阶段、模块化的模式改进实验教学体系,围绕理论知识、实践能力、创新创业和科学研究4大教学任务,建成与大气科学学科专业特点相匹配、符合高层次应用型人才培养标准、本科生与研究生通用共享的三位一体型实验平台,以满足不同类型人才培养的需要。

(1) 建立低年级本科生基础实验通用平台。中心下属各实验室如地面综合气象观测区和实习台等，用于承担各类实践类课程,同时对一、二年级学生实行全年、全天开放,并在相关实验室配备了专业实验系列教师按照各级气象局预报业务标准和规范,将学生编为若干小组，长期进行气象数据观测和短时临近预报的实习。根据对学生成立的“彩虹预报小组”实习实践效果的调研,一年级新生经过1～2年训练,小组成员基本具备独立进行中短期天气预报的能力,部分优秀学生甚至可达到新任预报员的预报水平。

(2) 建立高年级本科生综合实验专用平台。结合大气科学和应用气象学本科专业的实际,并综合考虑高年级本科生未来就业方向,按照天气预报、数值模式研发、气候变化研究、能源气象、航空气象几大人才培养方向对高年级专业课实验部分、毕业论文、创新创业计划等进行模块化设计,使不同类型学生能够根据未来就业和深造方向选择模块化实验课程,使学生能够适应不同行业对气象预报的差异化需求。

(3) 建立本硕打通的创新实验高端平台。以专款投入、专项建设的方式建成综合性气象预报实验教学示范中心,为专业建设和学科建设服务。同时,依托中心为大创项目、挑战杯等创新实践竞赛和研究生科研项目提供良好的软硬件条件,吸引学生进入中心进行学习和研究。据统计,中心近3年已设置30余项开放基金,300余名本科生得到了实践锻炼,100余名研究生依托中心完成了硕士学位论文,发表论文100多篇。

2.3 优化设计教学方法

2.3.1 设立校内外联合导师模式,以科研促教学

推进本科教育的“联合导师制”(见图3),加强实验及科研导师队伍建设,建立校内外两级导师制度,力求以科研引领教学,达到培育创新型人才的目的。

图3 本科教育“双导师”制

中心要求本科生均要随科研导师进行科学研究和业务学习。校内导师由理论基础扎实的专任教师担任,校外导师则由气象业务部门具有丰富业务经验的专家学者组成。中心“气象预报实验教学示范中心项目导师制”规定,按照培养目标(应用型、创新型人才)的差异,学生在二年级上学期确定校外科研导师或业务导师。校外科研和业务导师由专家库中产生,从科研或业务上对学生进行专业和实践的指导,使得学生能够把握理论前沿,学习新方法和新技能,并能熟练运用于未来研究和工作中。学生最早在二年级就可参与到具体科研课题中以训练学生的创新思维,提高实践水平。此外,还通过聘请校外导师来校举办专题报告的方式,进一步扩大学生的专业视野,启发创新思维。

2.3.2 教师为主导,学生为主体

实施以师生讨论为主、教师讲授为辅的课堂教学模式,即首先有教师讲授基础理论知识,随后学生在教师指引下,自主探求学习中遇到的各类问题,实现“授人以渔”。课堂的重点从机械的“填鸭式、灌输式”讲授转变为以培养学生具备分析和解决问题的能力为主。对某个问题,师生间展开讨论,联合攻关,以获得对问题的正确认识。在科学研究中,让学生一开始就参与到项目研究中,贯穿选题依据确立、研究内容制定、研究方案细化、各类实验实施以及科技论文撰写整个过程,使学生能够了解并最终熟悉科学研究的流程和实质,具备业务骨干和科技工作者的基础。讨论式的教学模式不但能切实调动学生学习的积极性和主动性,还能够活跃学习氛围,使学生自始至终处于精神高度集中的状态中。在这种以讨论为主的教学过程中,教师的引导和辅助作用更加凸显,任何问题都不会存在标准或现成的答案,而是强调与学生一起去分析各种疑难问题,求获得对该问题正确的解答。

2.3.3 充分利用多媒体数据库及校外教学实习基地

(1) 充分利用多媒体资源库。一方面,在课程中尽可能采用形式多样的多媒体手段,同时注重多媒体与板书的互补互济；另一方面,改变单一的课堂培养途径,增加网络视频教学比例,实现在线学习,同时增加在线答疑、在线测试、在线交流、在线参考、资源获取等功能,实现远距离的线下学习途径。

(2) 充分利用实验教学库资源。采取理论教学与实验教学相结合的手段,增加实验课、专业实习、社会实践等课外教学活动的比例及创新性实验内容。

(3) 在增加一批高质量、管理先进、专业对口的教学实习基地的基础上,实现教学实习基地的现场教学。中心充分利用和各级气象局建立的长期合作机制,在保证现有教学实习基地的基础上,补充一批高质量、管理先进、业务突出、专业对口的教学实习基地,制定相关培养计划和实习计划,通过定期安排学生进入气象局实习,业务人员现场教学等方式,激励学生进一步加强对专业知识的学习和理解。目前中心拥有5个校外实践基地(四川省气象局、中国民用航空西南地区管理局、成都市气象局、中国气象局成都高原气象研究所、温江国家基准气候站)。中心还将建设城市气象观测站及峨眉山大气与环境综合观测试验站作为校外实习基地。观测站整套先进观测设备和大量观测数据能够为理论学习及其实践阶段提供一定规模的场地和完善、正规的实践流程,推动专业人才培养目标的进一步提高。

2.3.4 改善实践环节,更新实验教学方案

对于低年级基础实验环节,采取传统的教师讲授、学生练习的模式；对于高年级综合实践课,则采用虚拟仿真等手段,促进学生对大气环流、气候变化等专业知识的掌握,特别是对于气象预报这种差异性和主观性较强的实习课程,更重视引导学生如何建立预报思路,而非简单的告知预报结果,让学生通过自我思考,结合天气学原理和动力气象学等基础理论知识以及气象预报业务行业规范,在实践中提高分析复杂天气过程及快速建立预报思路的能力,以达到中国气象局新任预报员上岗考试的要求。

3 结语

气象预报实验教学中心围绕中国气象事业现代化和地方经济发展对气象预报人才培养的需求,借鉴分类培养的理念开展了系列实践教学改革,在实验教学理念、课程体系、教学内容、教学方法、创新能力和综合素质培养等方面取得了显著的成绩,特别创新了“两结合、四层面、六环节”开放实验教学体系,为中国气象事业现代化培养了一大批既掌握大气科学基本理论和应用技能,又熟悉气象业务系统,并且能够综合应用于气象预报业务的高素质应用人才。

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