大气科学实践教学改革的探索思考＊

王丽娟，唐卫亚，江燕如，陈旭红，王 妍，朱素行，谭桂容，杜宁珠

（1.南京信息工程大学大气与环境实验教学中心，江苏 南京210044；2.南京信息工程大学大气科学学院，江苏 南京210044）

实践教学是大学教学中与理论教学相对应的重要教学方式，是培养应用型人才的核心教学环节。和理论教学的主要侧重点不同，实践教学注重以学生为主体，教师引导学生将所学的理论知识应用到解决实际问题上，从而提高学生动手能力和解决问题的能力。如果实践教学效果理想，则有利于学生毕业进入工作岗位后能更快地适应用人单位的需求。因此，加强实践课程的教学是保证人才培养质量的有效手段。

近年来，随着中国气象业务现代化进程加速发展，中国各级气象台站广泛使用了多种国内外数值天气预报产品和客观定量化的预报方法，与此同时，中国气象局进一步意识到必须高度重视预报员的主观分析和预报技能，在全国新任预报员上岗培训中明确要求需熟练掌握天气分析技术。这就要求大气科学类专业学生不仅要有扎实的理论基础，还需具备较强的实践应用能力。为提高实践教学质量，不断致力于实践教学环境的升级[1]、实践教学与方法的研究和创新[2-3]，以大气科学类专业学生必修的“天气预报综合实习”课程为试点，根据课程特点，针对实践教学改革进行了大胆的尝试，以期为其他大气科学实践类课程的改革提供参考。

1 课程现状及存在的问题

“天气预报综合实习”是大气科学类专业学生必修的专业实践课之一，学生通过实践学习进一步理解和巩固“天气学原理”和“中国天气”等课程的理论知识，更加熟练掌握天气分析方法和各项技术要求，进一步理解各类重要天气分析的着眼点，初步建立单站未来24 h的晴雨天空状况，最高、最低温度和风向风速的短期天气预报思路，为后续“临近和短时天气预报”课程[4]的学习奠定基础。

经调研发现，“天气预报综合实习”课程的教学过程存在以下几个方面的问题。

1.1 学生对实践课的认识不够

很多学生对实践课的重要性缺乏认识，一直重理论轻实践，认为实践课是理论课的附属品，没有真正认识到实践课的重要性。很多学生认为该课程可学可不学，经常应付了事，长期以来的观念误区导致学生的实际动手能力与用人单位的要求有一定的差距。因此，调整思想观念，调动学生学习的积极主动性，增强对实践课重要性的认识迫在眉睫。

1.2 课程内容的拓展性需进一步加强

在授课的过程中，经常用实时的多源气象资料讲解当日、当地的天气实况及未来24 h的公众要素预报，此举是为了让学生切身感受到天气与各类气象要素的配置关系，存在一定的局限性，使得一旦遇到其他天气或者预报其他站点的天气时，学生会觉得无从下手。

2 改革措施探索

针对“天气预报综合实习”课程目前存在的问题，结合课程的专业特色，从教学理念、教学方法、教学内容等方面作出相应的改革探索。

2.1 强化教学理念

部分学生对整个专业课程设置的脉络不清楚，只为顺利拿到学分，不知道这门课程的实际应用价值，在学习中漫不经心，对所学知识不能融会贯通，重知识记忆而忽略学习方法的掌握和学习能力的培养。因此，授课之初向学生传递该课程的开设理念尤为重要，强调该课程不是一个单独的环节，而是一个承上启下的重要环节，既是对所学理论知识的梳理、应用，又是为后期课程的学习奠定基础。此外，需要跟学生强调的是，通过将理论应用到实际问题解决过程中，可将理论与实际融为一体，更好地加深对理论知识的理解。在教学中，结合各类天气可能带来的灾害以及由于天气预报重大失误造成严重损失的案例，让学生树立起“防灾减灾，气象先行”的理念，培养担当精神，将立德树人融入教育教学全过程，将气象人的社会责任、职业道德等要素植入课程教学。

2.2 改革教学方法

教学活动因教师、学生和教材的存在成为了可能，因教学方法的选择和应用成为了现实，教学方法直接影响到教学质量。传统教学[4]仅注重教学过程中教师的单向传授，改革着眼于将教师单向传递的信息有效被学生吸收、内化，从而使课堂成为师生互动、同学协作和交流的课堂。

2.2.1 虚拟仿真将“无形”化为“有形”

虚拟仿真技术（Virtual Reality）是在20世纪80年代新崛起的一种综合集成技术。虚拟仿真实验至少需具备两个特征：沉浸性和交互性[6]。大气科学以大气运动规律、天气气候事件成因、预报预测与评估、服务技术为研究对象的一门学科。其研究对象主要是覆盖地球的大气圈以及太阳大气层系其他行星的大气。大气环流的演变及分析过程在实验室不可真实实现，依靠真实实验无法达成系统的实践教学目的，基于计算机虚拟仿真技术构建的实验平台，化“无形”为“有形”，增加了过去无法展现的教学内容。实现了基本原理形象再现、创新实验可操作，使基础实验和创新实验能够根据课程需要设置，使真实实验与虚拟仿真实验相互补充，形成了“基础—技能—创新”三层次完整的实践教学体系，适应现代气象业务需求的高素质创新人才培养的需要。通过虚拟仿真实验教学，学生对于各类天气有了更直观感性的认识，基于信息网络系统获取、分析和处理气象数据的能力得到了大幅提升。虚拟仿真实验教学化抽象为具体，有效地激发了学生的想象力，促进了实践创新，提升了学生的信息化应用能力。

2.2.2 会商式教学激发学生主观能动性

学生开展天气会商讨论如图1所示。

图1 学生在课堂上围绕当日的主题开展天气会商讨论

天气现象的产生是一个复杂的过程，每一次天气过程都有其特殊性，不重复出现。它既受大尺度环流形势的控制，又可能有中小尺度天气系统的影响；既有日变化的影响，也有可能受地形条件的制约；有时会各种因素相互关联，盘根错节。但具体某一次天气过程究竟受哪几种因子影响、何种因子起主导作用，有时是很难把握的。由于每个学生的知识、经验、掌握到的方法存在差异，因而天气过程分析中主观性、随意性、经验性占很大成分，其结果必然与分析的质量密切相关。从多年的教学实践中发现，如果把天气会商这一环节重视起来，则可以把每个学生的分析观点综合起来，使对天气过程的演变规律的认识更全面、深入，起到集思广益的作用，作出更准确、更符合实际情况的天气过程分析。会商式教学法既有利于培养学生实际动手能力，又有利于培养学生的语言表达能力，在会商的过程中取长补短，提高对天气过程演变的认识。

2.3 拓展教学内容

各类天气过程都有其共性，但具体到某一次天气过程又有其特性，课堂教学中，由于课时有限，学生接触的实例较少，当面对一个新的天气个例时，无法将所学知识与当前个例联系起来。针对这一问题，可采用历史气象资料建立各类天气过程中公众气象要素预报分析的实践教学平台，学生利用课余时间在平台上进行个例拓展学习[7]，增加自己的专业见识，提高常规气象资料和非常规气象资料的应用能力，锻炼分析问题、解决问题的实践能力。

实践平台以“学—练—测—评”为主线，功能设计主要包括三大模块，分别为用户管理模块、基础知识功能模块和模拟实践功能模块，具体如图2所示。

图2 天气预报综合实习实践教学平台功能设计

2.3.1 用户管理模块

此平台的用户包括管理者、教师和学生三类，用户在平台上填写真实信息注册后，管理者针对用户的级别设置相应的权限、分配相应的实验内容。管理者对各类信息资料进行管理和匹配后，教师和学生 在登录后会看到各自的任务提示，学生看到的是本课程需要学习、掌握的内容，在学生提交实习成果后，教师登录系统后就有相应的提示，提醒老师批阅学生的实习成果，有助于老师了解学生掌握课程知识的程度，以便于更好地对学生进行指导。

2.3.2 基础知识功能模块

这个模块主要是模拟在线教学模块，包括常见各类天气的预报着眼点、各气象要素预报的重点难点及课外知识拓展和课堂练习，学生在线学习完理论知识后，进入课堂练习模块，可以考查学生是否已掌握相关的理论知识。

其中，基础理论知识部分主要功能是“学”，教师在平台上提供教学的PPT、文档、图片、动画、视频等辅助教学资源，学生在课前学习了平台上的相关资源后，可以利用课堂时间，教师集中解决学生在平台上学习时所产生的困惑和疑问。需要注意的是，平台会记录学生在平台上学习各模块用到的时间及浏览记录，防止学生学习时出现走过场、应付式的学习等情况，切实提高学生课前预习的质量。

在重点、难点部分主要是采用虚拟仿真的方式，模拟各类天气演变的整个过程，以启发式教学法让学生通过实际调节各参数指标，观察天气过程的演变，有利于学生对相应天气发生发展的条件有更直观的感受，方便学生更好地理解基础理论中涉及的相关知识点。

课外知识拓展部分是对基础理论知识内容的补充，学生根据自身能力进行相应的学习，课堂上，教师采用的是“会商式”教学方法。教师课前根据平台上学生的学习进度，将学生合理分组，安排适合各组学生难度的讨论主题，引导学生围绕主题组织会商讨论，并要求学生在课堂结束时进行会商发言，既能促进学生之间的团队合作意识又能避免出现浮于表面的讨论，提高课堂效率。

课堂练习部分主要是采用互动教学方法，将基础理论知识点作为主要考查内容，通过学生在平台上的答题情况，引导学生自己检验学习成效，便于后期查漏补缺，有利于提高学生学习的主动性，培养和提升学生的自主学习能力。

2.3.3 模拟实践功能模块

虽然我们一直在不断地强调学生实践能力的培养，但以往的实践能力是以“知识”的形式加以传授，从而导致学生缺乏应用能力和创新能力。在基础知识功能模块部分，展示的是比较重要的天气预报过程的分析，有利于学生将理论知识与实践联系起来。在模拟实践功能模块部分，主要着重“练”和“测”，每种天气都提供多个实例的常规及非常规气象资料，以学生为主体，让学生独立分析每类天气的演变。只有通过解决实际问题，学生才能清楚地认识到自己没有学透的具体的知识点，从而可以以在线交流或者在论坛提问的方式，主动与教师进行互动，确保能够及时、有针对性地解决问题。教师根据学生提交的分析结果及在线交流和论坛中的提问，掌握学生的薄弱环节，并可通过平台有的放矢替学生答疑解惑，实现“评”的功能。这样的教学方式，既发挥了学生的主观能动性，培养和提升了学生的自主学习能力和创新思维能力，又有助于教师帮助学生完成知识的内化，提高教学效果。

3 改革特色

3.1 充分发挥开放式智慧教室作用

传统的教学活动中教学方法是根据计划学时数，依据教学计划按照教学进度在规定的时间内进行规定内容的讲解，这种教学模式没有充分激发学生学习的积极性和主动性，不利于培养学生自主学习的能力。为充分发挥学生的主观能动性，打破“天气预报综合实习”课程教学受学时的限制，在多年的传统实践教学方法的基础上，通过智慧教室为线上线下混合教学提供的开放实践教学平台，支持学生探索不同层次的、多样化的综合开放教育模式。学生可以根据自身实际情况，事先向开放实验室提出实习申请，实验室根据学生人数及申请时间，安排教师对其进行针对性的指导，如图3所示，可以使学生加深和巩固所学知识，引导学生在学习的过程中积极思考，提高学生发现问题、分析问题、解决问题的能力。

图3 智慧教室

3.2 教学方式方法多样化

根据教学大纲构建一个实验实习平台作为课堂教学的辅助，并且根据不同的模块功能，采用案例法、虚拟仿真和会商式教学法，充分开展“以学生为主体”的实践教学活动，进一步强化学生实践能力和创新精神培养，达到了良好效果。

4 结论

通过课堂教学与“天气预报综合实习实践教学平台”相结合的实践教学模式的探索，初步可解决目前“天气预报综合实习”课程面临的困境，针对不同教师、不同学生、不同教学内容采用灵活多样的教学方法，使学生从理论知识的学习、不同案例的分析练习、各类气象要素预报的测试到教师答疑解惑、对学生学习效果进行评价这一全部过程得到完整的培训，既培养了教师因材施教能力，又培养了学生自主学习的意识和分析问题、解决问题的能力以及团队合作精神，激发了学生主动性、探究性和创新性的潜能。目前，初步打算挑选20个左右大气科学专业的学生进行试验学习，根据后期课程“临近和短时天气预报”的反馈，调整这种实践教学方式实施中遇到的各种问题。预期接受过这种创新性教学方式的学生在对大气环流特征的分析和影响系统的分析明显强于未接受的，在撰写实习报告方面，文档结构、专业术语的应用更合理，会商发言时思路更清晰、表达更流畅，预报思路的建立更快、更好，但实际教学效果还有待进一步调研评估。