新工科背景下“空间天气学”课程教学改革探索

汪四成 颜冰 方涵先 梅冰

[摘 要] 世界一流大学全部都有一流的研究生教育，硕士研究生处于科研事业的起步阶段，课程学习对于其今后发展有着至关重要的作用。依据2017年教育部发布的《学位与研究生教育发展“十三五”规划》，以及国防科技大学研究生课程教学指导理念，认为应当从教学设计、教学方法和考核方式三个方面对硕士研究生课程“空间天气学”初步进行教学改革实践，着力打牢学生专业理论基础，提升学生实践技能水平，培养学生创造性思维，以期为相关课程教学改革提供借鉴。

[关键词] 空间天气学;教学改革;新工科;混合式教学;课程思政

[基金项目] 2019年度国防科技大学“双一流”教学改革示范课程建设基金项目“硕士研究生‘空间天气学’课程教学改革实践”（2019—2020）

[作者简介] 汪四成（1988—），男，甘肃嘉峪关人，博士，国防科技大学气象海洋学院讲师，主要从事电离层物理学研究。

[中图分类号] G643.2   [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2021）52-0056-04   [收稿日期] 2021-04-16

一、引言

空间天气是指瞬时或短时间内太阳表面、太阳风、磁层、电离层和热层的状态，它们的状态可影响空间和地面技术系统的性能和可靠性，危及人类的生命和健康[1]。空间天气可能引发空间天气灾害，而人类的日常生活越来越依赖的无线电通信、卫星通信、导航定位等高技术系统，以及长距离油气管线和远距离输电线网，在空间天气灾害面前是非常脆弱的。1989年3月，一次强烈的太阳风暴引发了地球磁场的剧烈扰动，而地球磁场的扰动会产生电流，于是在输电线路上就会出现感应电流，感应电流强度在高纬度地区特别强，极大地损伤了加拿大魁北克地区的电网，导致该地区约六百万人近九个小时无电可用，造成了巨大的经济损失，被称为“魁北克事件”。国内外的航天实践表明，灾害性空间天气是卫星在轨故障的主要原因之一，目前近三分之一的卫星异常或故障事件是由变化的空间天气所造成的，而且空间活动规模范围越大，空间技术水平越发达，空间天气灾害的影响就越严重。美国于1995年率先制订了“国家空间天气战略计划”，欧洲空间局的空间环境和效应分析部主持制订了欧洲的空间天气计划，法国、德国、英国、意大利、俄罗斯、加拿大、瑞典、日本和澳大利亚等国家也先后制订了各自的空间天气发展计划。1999年，我国多部委联合提出了“国家空间天气战略规划建议”，标志着我国大规模空间天气研究的开始。目前国内实质性地开展空间天气研究并提供相关业务服务的单位是国家空间天气监测预警中心和中国科学院空間科学与应用研究中心[2]。北京大学、中国科学院地质与地球物理研究所、中国科学技术大学、中国地质大学（武汉）、哈尔滨工业大学（深圳）、武汉大学、山东大学、南京大学、国防科技大学、南京信息工程大学等高校和研究所，持续开展了空间天气的教学和科研工作，积累了丰厚的科研底蕴，培养了一大批空间天气方向的优秀人才。我国空间天气科学经过二十多年的快速发展，目前正处于向一流先进国家跨越的历史机遇期，建设了“双星计划”“子午工程”等具有国际重大影响力的科研设施，为国际空间天气学科的发展贡献了大量原创性理论成果，多位华人学者活跃于世界空间天气科技前沿舞台，有六个实验室的研究水平正在逼近国际一流实验室水平。

二、教学现状分析

空间天气学是研究各种空间天气现象发生、发展和变化规律，以及如何运用这些规律进行空间天气预报保障的一门综合性交叉学科，具有很强的观测性、基础性、理论性和应用性。“空间天气学”是我校应用气象学本科专业第三学年春季学期的必修课程，是学生接触空间天气方向的首门专业课程，也是唯一一门空间天气方向的必修课程。同时，“空间天气学”也是我校大气物理学与大气环境专业硕士研究生入学考试初试的备选专业课程之一。在开课之前，学生只学习了流体力学基础，不具备电动力学、磁流体力学及等离子体物理学等相关的理论知识。虽然该专业的学生在空间天气方面的基础知识比较薄弱，但他们思维活跃，数理基础好，学习能力强，有一定的编程基础，具有较强的协作意识，为本门课程的开设提供了有利条件。

人才培养方案是所有教学活动的依据，该专业原先的人才培养方案主要关注教师在课堂的输入，以教师和教材为中心，侧重于知识的传授和专业技能的培养，对学生能力素质发展的关注度不够高。教材是教学活动的基础，合适的教材非常益于课堂教学的开展，而目前国内公开出版的空间天气学相关教材极为缺乏，北京大学焦维新教授编著的《空间天气学》是很多高校师生重要的参考书目，该书出版于2003年，全书共分五章：第一章是《概论》，主要介绍了空间天气学的基本概念;第二章是《太阳大气与行星际天气》，重点介绍太阳耀斑、日冕物质抛射、太阳能量粒子事件和行星际激波;第三章介绍地球空间的天气系统与天气过程，以及太阳活动影响气象过程的可能机制;第四章介绍空间天气对各种技术系统的效应;第五章介绍空间天气建模和预报的基本情况。由于空间天气学研究进展迅速，该书的部分内容需要充实和更新。王劲松研究员和吕建永教授主编的《空间天气》出版于2009年，主要侧重于我国空间天气业务方面的论述[2]。空间天气相关的国外专著也不多，存在不同程度的内容陈旧问题，并且对没有相关专业知识背景的本科生来说，使用纯英文的教材挑战性较大。此外，“空间天气学”相关的在线教学资源也非常匮乏，中国大学慕课、学堂在线、网易公开课、Coursera和edX等国内外各大在线教育网站很少提供这方面的课程。该门课程涉及多学科交叉，内容广泛，知识点多，而课时量有限，在原先的课堂教学中，主要以“灌输式”教学方法为主，为求面面俱到，往往“蜻蜓点水”，学生整体感觉科普内容较多，核心理论知识掌握得不深。

三、教学改革探索

（一）教学设计改革

为了响应国家新工科建设号召，稳步提升本科教育质量，我校大力倡导“以学生为中心、以产出为导向、以能力培养为目标”的教学理念，以满足受教育者未来的职业需求。本专业的培养特色是“以理为基，以工为本”，同时强调“重基础，重特色，宽口径”。经过本科阶段的学习，学生应具备扎实的数学、物理、外语、计算机等基本知识，掌握空天环境感知及保障领域的基础知识和实践技能，具有较强的创新力和较高的胜任力，成为满足社会主义现代化建设需要、德智体美劳全面发展的高级专业人才。根据学校人才培养方案顶层设计和实施指南，迭代更新了本专业的人才培养方案，以破解人才培养矛盾问题为导向，着力处理好按大类招生和按岗位培养的关系，统筹军政素质和科学文化素质培养的关系，围绕“你要学生学习什么，掌握什么”“你为什么要让学生学习这些内容”“如何帮助学生取得这些学习结果”“如何有效地知道学生取得了这些学习结果”四个核心问题，将培养重心由“面向知识”转变为“面向能力”，以能力塑造为最终落脚点。

“空间天气学”是一门应用性很强的课程，在教学设计中将原先的纯理论讲授改为理论教学加实践教学，在不减少课程知识点的前提下，对理论教学课时量进行了压缩，将一些低阶性和科普性的内容由课堂转移到课下，以增加每次课的有效信息量。为培养学生的空间天气预报保障能力，在学生具备一定的专业基础后，利用课堂的前五分钟，通过互联网获取的空间天气历史数据和准实时的观测数据，和学生一同对未来一段时间的空间天气变化进行分析，开展人工经验预报，并与国内外相关机构的预报产品和实际观测资料进行对比，分析原因，总结经验。实践教学以空间天气应用能力的培养为总体考虑，主要设计三类实验：一是数据处理分析类，锻炼学生的空间天气数据处理分析和编程操作能力;二是模式仿真分析类，提升学生的动手能力和模式数据结果的分析能力;三是预报保障实践类，对空间天气变化规律进行初步研究，给出预报保障建议，培养学生分析和解决实际问题的能力。为了提升实践课程的授课效果，开发建设了实践教学训练平台，该平台集成了多个空间天气经验/理论数值模式和历史观测资料数据库，能够实现空间天气探测数据处理应用、空间天气预报保障产品制作的一体化模拟训练，为使理论教学和实践教学深度融合，实践教学安排在理论教学之后，并且理论课程和实践课程安排同一名教师，根据学生反馈和暴露出的问题，有针对性地加强相关知识的辅导。同时利用我们的近邻南京大学和南京信息工程大学优质和丰富的空间环境探测设备资源，开展参观见学和设备操作实践，以提升学生的感性认识和实践技能。

（二）教学内容改革

以北京大学焦维新教授的《空间天气学》教材为基础，充分参考国内外相关书籍，基于“保留经典、加强现代、拓展应用”的思路和“边建边用边改”的理念编写了适合本专业教学的讲义，主体结构采用专题模块化设计，包括太阳物理基础、行星际物理基础、磁层物理、电离层物理、中高层大气物理、空间天气效应、空间天气探测及空间天气预报保障等内容，穿插了电动力学、磁流体力学和等离子体物理学等方面的基础知识，引入了前沿领域研究进展。每个专题均设置了内容导读，给出了知识脉络框架，增加了基础预备知识，补充了推荐阅读的文献资料，并精心编写了课后習题及其参考答案。

在理论教学过程中，为满足学生未来任职需求，坚持“有所为有所不为”，在讲清空间天气因果链的基础上，授课内容主要集中于近地空间环境（包括电离层和中高层大气）的各种化学物理过程及其对相关技术系统的影响，而对太阳、行星际和磁层等方面的内容进行了适当弱化。实践教学的主要内容包括空间天气探测设备的操作、空间天气观测数据的基本处理流程，以及利用历史典型个例事件对空间天气进行人工经验和模式预报，要求学生掌握电离层测高仪、GNSS掩星技术和地基GNSS接收机探测空间环境的基本原理，并对观测数据具有初步的处理和读取能力，掌握部分经验模式和理论模式的调试运行方法，在此基础上，能够综合分析监测数据资料、模式运行结果和经验预报结果，评估分析得到最终的预报结果。以真实历史事件观测资料为背景，如第24太阳活动周最大太阳风暴事件（2017年9月6日，太阳爆发了第24太阳活动周最大的耀斑事件，到9月16日结束时，总共爆发M级耀斑27个，X级耀斑4个，其中三次大的爆发都伴随有日冕物质抛射，并引发了两次中等质子事件、一次强质子事件、一次大地磁暴、一次中等地磁暴和一次小地磁暴，对近地空间环境造成了较大影响），设置实践项目，增强学生对理论知识的理解，训练学生的空间天气预报技能。在以真实典型案例进行预报实践的过程中，除了给学生传授知识技能外，通过严格规范预报流程，细致填写实验报告，培养学生严谨负责的工作态度和认真细致的预报习惯。

同时，在教学中“润物细无声”地加入思想政治教育内容和元素，通过介绍我国空间天气发展的辉煌成就、独立自主开展“神舟”系列航天任务空间天气保障的先进事迹，以及老一辈科学家为发展我国空间天气事业无私奉献的感人故事，培养学生的学习兴趣，激发学生的自信心和自豪感，引导学生主动肩负起发展我国空间天气事业的重担。

（三）教学方法改革

由于空间天气学研究的区域离我们日常生活的圈子相距遥远，部分内容较为抽象，因此，在课堂教学过程中始终遵循“具体—抽象—具体”的认识过程，运用学生熟悉的具体事例进行类比，阐明基本概念和基本原理，使学生实现从具体到抽象过程的认识，然后又运用基本概念和原理去观察和解释所要认识的空间天气现象，使得认识由抽象上升为具体。同时借助多媒体手段，利用动画和图片等直观的展示方式，帮助学生加深对抽象内容的理解。通过提出实际问题、启发分析思路、引导构建模型、反思问题解决方法等手段，使学生完成发现问题、分析问题、解决问题和质疑问题的闭环过程，加深学生对理论知识的理解与应用。

在课时量有限的情况下，为了保证课程达到“高阶性”“创新性”和“挑战度”的要求，采用线上和线下混合教学模式[3]，利用雨课堂平台提前上传教学课件和参考资料，安排学生对授课内容进行课前学习。教师可以查看每一位学生的预习情况，根据学生课前反馈的问题，有针对性地调节课堂教学内容，重点对基本概念和核心理论进行讲解，努力做到“道而弗牵，强而弗抑，开而弗达”（汉·戴圣《礼记·学记》），把“教什么、如何教、如何有效地教”统一到“教学生知识、教学生学会知识、教学生会学知识”中。在实践教学中，基于真实历史观测资料，精心设置实践课题，学生在明确课题任务目标后，需要独立完成团队组建、资料调研和学习、课题分析与分解、课题方案的实施及课题会商答辩等环节，在整个过程中，教师除对基本流程方法进行讲解外，只起引导答疑和点评作用，有效锻炼了学生自主学习、团队合作及解决现实问题的能力。同时，国内其他高校的教学方法也各具特色，我们积极探索“校内为主、校外为辅”的融合培养模式，利用腾讯会议、雨课堂、钉钉等移动平台，将课堂搬到“云端”，邀请国内知名专家对相关章节内容进行远程讲解，让学生“足不出教室”，就能够领略到不同的教学风格，实现优势教学资源的共享。

（四）考核方式改革

采用多元化的考核方案，注重學生课前预习、理论课堂、实践技能、课后作业及实验报告等多方面的综合表现，加大过程性成绩对最终成绩的贡献度。以学习结果和能力提升为导向，按照标准答案与非标准答案相结合、灵活考核与基础考核相结合、个人成就与团队成就相结合、动态考核与静态考核相结合的思路进行考核改革，制定学生认可的考核标准和评分细则，充分调动学生的积极性，为学生创造公平宽松的学习和考试环境，积极探索课程免试方案。

四、结语

教学活动是师生认知、情感、意向及自我意识的互动交融过程。通过教学，让学生充分发挥主动性、能动性和创新性，主动参与、擅于质疑、乐于探究、勤于动手，培养学生正确的世界观、人生观和价值观，提升学生收集和处理信息的能力、获取新知识的能力、分析和解决问题的能力及交流合作的能力。教育是务实的事业，教学是常讲常新的过程，在教学实践中应根据学生的反馈、教育理念的发展，以及空间天气学科领域的前沿进展，做好持续改进。同时积极与其他高校交流学习，汲取其先进理念和优秀做法，不断提升本课程的教学质量，不断增强学生在课堂的获得感。

参考文献

[1]焦维新.空间天气学[M].北京：气象出版社，2003：1.

[2]王劲松，吕建永.空间天气[M].北京：气象出版社，2009：12.

[3]丁菊丽，金赛花，程小平，等.“大气物理学”混合式教学实施策略与实践反思[J].教育教学论坛，2020（20）：200-

202.

Exploration of the Teaching Reform in the Course of Space Weather under the Background of “Emerging Engineering Education”

WANG Si-cheng， YAN Bing， FANG Han-xian， MEI Bing

（College of Meteorology and Oceanography， National University of Defense Technology， Nanjing， Jiangsu 211101， China）

Abstract： All the first-class universities in the world have first-class postgraduate education. Postgraduate students are in the initial stage of scientific research， and course learning plays a vital role in their future development. According to the 13th Five-Year Plan for the Development of Academic Degree and Postgraduate Education issued by the Ministry of Education in 2017， as well as the guiding concept of postgraduate course teaching in our university， the teaching reform practice of the postgraduate course of Spatial Weather should be carried out from the three aspects， such as the teaching design， teaching methods and assessment methods， so as to lay a solid theoretical foundation for students’ professional skills， improve students’ practical skills， and cultivate students’ creative thinking， and provide a reference for the teaching reform of related courses.

Key words： Space Weather; teaching reform;“Emerging Engineering Education”; mixed teaching; “curriculum ideological and political education”