云降水物理学虚拟仿真实验设计与实现

吕晶晶， 朱 彬， 何都良， 安俊琳， 王 静， 项 磊

（南京信息工程大学a.大气科学与气象信息虚拟仿真实验教学中心；b.实验室与设备管理处；c.中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室，南京210044）

0 引 言

我国高等教育已进入全面振兴本科教育的攻坚阶段。实验实践教学作为人才培养的重要组成，对提高高校本科教育质量至关重要［1］。随着信息化技术与教育教学深度融合，教育信息化受到了国家的高度重视，教育部提出开展建设虚拟仿真实验教学建设具有重大意义［2］。教育部高等教育司吴岩司长［3］在建设中国金课的报告中指出，虚拟仿真是一种新的教育生产力，是推进“智能＋教育”的创新一招，使原来做不到、做不好、做不了、做不上的实验实训教学成为可能。信息技术的应用是提高实验教学质量的重要手段［4］，虚拟仿真实验教学作为教育部着力打造的五大“金课”之一，已成为高等教育研究的热点问题［5-6］。

我校享有“气象人才摇篮”之美誉，其前身南京气象学院始建于1960 年，2017 年入选国家“双一流”建设高校和江苏高水平大学建设重点支持高校。大气科学是国家重点学科，并在教育部一级学科评估中蝉联全国第一、获评A ＋等级。我校作为一所典型的行业特色型高校素来重视实践教学［7-8］，在气象行业全面现代化背景下［9］，发挥共建体制和多学科优势，已然成为协同人才培养模式改革的先行者［10］。2013 年我校获得两个国家级实验教学示范中心称号［11］，即：大气科学与环境气象实验教学中心和大气科学与气象信息虚拟仿真实验教学中心，随后陆续建设了短期气候［12］、农业气象［13］、气象云计算［14］、大气环境［15］等一批虚拟仿真实验资源；2016 年“地球科学虚拟仿真实验教学共享平台”获批为江苏省唯一的地学类省级共享平台［16］；2019 年获批中国气象局“国家综合气象观测专项试验外场”基地［17］。

云雾降水过程是全球水分循环中的重要环节，大气中绝大多数天气现象都与其关系密切［18］。由于受季风气候的影响，我国降水资源时空分布十分不均，云降水物理学作为一门具有实际意义的理论学科，人工影响天气就是直接建立在其理论基础上的应用科学技术。随着社会经济发展，人们对人工影响天气提出了更为迫切的需求，经过60 多年发展，人工影响天气早已成为我国防灾减灾、生态文明建设的有力手段，在服务农业建设、保障水资源安全等方面将会发挥越来越重要的作用［19-20］。

1 云降水物理学虚仿实验建设背景

云降水物理过程是大气水循环的核心组成部分，是地球大气的热量、水分和动量平衡的关键因素，它不仅影响局地和短期的天气过程，而且影响大气环流和全球气候的变化。云降水物理学是大气科学本科专业的核心课程，主要研究自然界气溶胶、云雾和降水的形成、发展和消散的宏微观过程，同时还包括雷暴电学、云雾光学、云的辐射气候效应、云降水化学等广泛内容［18］，具有很强的实践性教学要求。涉及云降水发展过程中的研究对象，从纳米级的气溶胶，到上千公里的云降水系统（如：台风降水等），在时间和空间尺度变化范围极大，使得测量难度大为增加。常见的云雾降水实验测量平台包括高山地面站、火箭、探空仪以及搭载高精度光电探测设备的飞机。但是受制于时空、仪器和实验成本等因素，传统的云降水物理学实验教学只能在室内（比如：云室）开展，不具备对真实云雾环境进行直接测量的条件，这无疑限制了学生对云雾-降水整体过程的深切感悟和深刻理解。为了有效解决云降水物理学实践教学中自然云雾过程不可及、不可逆和多因素影响等问题，借助先进的信息化手段，构建云雾-降水虚拟仿真实验，将为实践教学提供全新的交互式教学手段，加深学生对云降水宏微观过程的理性认识，极大提高其实践创新能力和防灾减灾意识。

2 云降水物理虚仿实验设计

2.1 课程实验内容和目的

云降水物理学实验内容主要以气溶胶-云雾-降水的形成过程作为脉络，可分为气溶胶云凝结核观测、云雾粒子探测和降水粒子测量3 个部分。近年来，本课程教学团队依托学校国家级实验教学示范平台，以1995 年陈金荣等自编教材《云、降水物理实验》为基础，在“做中学”理念指导下，针对云降水物理学理论课程中讲述的内容，并结合已配备的国际先进气溶胶、云雾降水探测设备——宽范围气溶胶粒径谱仪（WPS-1000XP）、光学雾滴谱仪（FM-100）、云凝结核计数器（CCN-100）、光学雨滴谱仪（PARSIVEL2）、单颗粒气溶胶飞行时间质谱仪（ATOFMS）、湿控串联差分电迁移率分析仪（HTDMA）和现在天气现象仪（VPF-730）等，已陆续开展了气溶胶谱、巨盐核凝结增长、云凝结核、雾滴谱和雨滴谱等10 多个实体实验项目，并取得良好的实践教学成效。

但是云降水粒子形成、增长的云微物理过程和云降水发展宏观过程仍然是实践教学重难点。由于不具备对自然云雾环境进行直接测量的条件（尤其是飞机穿云观测），学生仍然缺乏对自然云雾降水过程中不可及、不可逆和多因素影响等问题的理性认识。因此，采用“虚实结合”方式构建了云降水物理学实验课程体系（见图1），以外场观测和分档雨滴数值模拟数据为基础，借助Unity3D等信息技术，设计了涵盖基础操作、设计验证和综合探索3 层次的云雾降水虚拟仿真实验，包括：雾滴谱观测、云雾微物理量分析和人工增雨飞机观测。

图1 “虚实结合”的云降水物理学实验课程体系

实验环境以干旱半干旱区气候为背景，所有探测仪器均根据实物3D 建模而成，以上升气流、催化温度、催化开始时间和催化持续时间为输入参数，通过人工降水和自然降水的统计效果检验，获得不同上升气流环境中的最优人工催化方案。学生首先完成地面雾滴谱仪操作—云雾微物理量分析（见图2），然后再进行空中飞机探测仪器加载—人工催化作业设置—增雨效果检验（见图3）等虚拟实验环节，将使得学生动手实践和自主创新能力得到极大提升，以期达到以下教学目的：

图2 雾滴谱仪操作虚拟仿真实验界面

图3 人工增雨虚拟仿真实验界面

（1）加深学生对云降水宏微观过程的深入理解。包括掌握暖云降水原理，冷云降水原理，以及不同物理过程（如核化、凝结、碰并等）对云中水成物粒子产生消失的影响。

（2）掌握气溶胶-云-降水粒子的探测原理、仪器和处理方法。包括气溶胶粒子谱、云凝结核、云雾粒子谱、水成物粒子谱的探测原理，仪器数据处理方法。

（3）掌握人工影响天气的科学基础。熟悉层状云、积状云、暖云人工增雨作业技术；掌握主要的人工影响天气催化剂；掌握人工影响天气效果评价的基本方法。

（4）培养学生解决实际问题的能力，提高防灾减灾意识。通过对比分析、参数控制、归纳分析等实验方法探究影响人工增雨作业的因子（如：上升气流、催化剂、作业时间、催化温度等），并获得不同上升气流环境中的最优人工催化方案，提高学生自主学习效率和设计创新能力。

2.2 教学方法和实施过程

（1）情景体验式教学，激发学生学习兴趣。基于大气科学类专业特点，传统的实验教学只能让学生在一定程度上对气溶胶—云雾—降水过程形成、演变等具有感性认识，但对于其整体宏微观过程的理解仍然抽象晦涩。本虚拟实验通过让学生在虚拟仿真的干旱半干旱区气候背景中开展认知实习，掌握雾滴谱探测原理（前向散射），分析云雾微物理特征，并开展人工增雨催化作业和效果检验等。这使得实验教学不受时间、空间、成本的制约，提升了学生的体验获得感，激发学生浓厚学习兴趣。

（2）问题启发式教学，拓展学生科学思维。在完成虚拟仿真实验认知过程中，设计一些启发性问题，以拓展学生的科学思维能力。比如：学生在进行地面雾滴谱仪操作和微物理数据分析时，因为雾本质上就是贴地的暖云，两者微物理过程近似，而且地基雾滴谱仪和机载云粒子探测仪的原理相同，都假设云雾粒子为球形。但是如果环境气温低于零度，在测量范围内被测水成物粒子为冰晶（非球形），会对雾滴谱仪测量结果造成怎样的影响？机载探测系统是怎么解决这个问题？

（3）自主探究式教学，提升学生自主创新。从开源节流的角度，人工增雨作为一种有效缓解水资源紧缺状况的科学手段被引入。那么针对半干旱区的气候条件，人工增雨可以增加多少降水量、不同降水强度对不同被覆坡面土壤入渗过程有多少影响等问题都值得探究。因此，本实验设计了人工增雨试验模块，以帮助学生在同一次的天气过程中，探究最佳人工催化方案；同时设计了坡面土壤入渗对比模块，对比分析降水强度、植被覆盖度等因子对土壤入渗过程的影响，以帮助同学自主探究不同降水强度中，植被作用下坡面产流产沙的降雨临界效应。

（4）互动研讨式教学，巩固学生理论知识和实验技能。在线交流环节，学生可在线提出虚拟仿真实验操作和课后拓展作业中遇到的问题，师生在线上互动研讨的过程中，逐渐加深学生对理论知识和实验技能的理解和运用。

3 虚拟仿真实验教学项目特色

（1）以培养学生创新能力为核心，采用“虚实结合”方式构建云降水物理学实验课程体系，同时按照基础操作、设计验证和综合探索3 层次设计实验内容。学生在完成实体实验的基础上，再开展雾滴谱观测、云雾微物理量分析和人工增雨飞机观测等虚拟仿真实验。作为实体实验的延伸和拓展，实现了学生从“被动听讲”到“自主探究”的学习方法转变，提高了学生对云降水粒子形成、增长的云微物理过程和云降水发展宏观过程的深入理解。

（2）采用了体验认知式、问题启发式、自主探究式和互动研讨式等教学方法。在专业培养方案与课程教学大纲指导下，应用信息化技术开发本实验的虚拟仿真资源。采用线上线下立体化教学方法，通过本虚拟实验资源达到传授知识、拓展视野、提高能力的目的，既可完成传统云降水物理学实体实验中开展的认知性和验证性的教学内容，还可以完成实体实验无法完成的“云雾降水粒子宏微观演变过程”中的设计性和综合性的教学内容，大大提高了学生发现问题、分析问题和解决问题的能力。

（3）在虚拟仿真实验评价体系中，除教学过程中所涉及的雾滴谱观测、云雾微物理量分析，和人工增雨飞机观测设计为考点，同时还辅以课后作业，作为实体实验数据建模、计算和分析的教学内容，按照各模块在本实验中的比例，形成“虚实结合”的考核评价指标体系，采用过程性实验报告考核和课后问答题相结合形式对学生学习情况进行多指标权重考核评价，实现对本实验学习、练习、数据计算的全覆盖。

4 结 语

云降水物理学是大气科学本科专业的核心课程，具有很强的实践性教学要求，其中云降水粒子形成、增长的云微物理过程和云降水发展宏观过程一直是实践教学重难点，但是传统实体实验不具备对自然云雾环境进行直接测量的条件。因此基于野外观测和数值模式数据，充分利用虚拟仿真技术，递进式构建云雾—降水过程虚拟仿真实验，让实践教学突破时间、空间、成本限制，将野外耗时长、耗资高、不可逆不可及的云雾-降水实验，集中在高仿真度的虚拟实验环境中完成，为云降水物理学实践教学提供了有力帮助，实现了信息技术与大气科学专业实践教学融合，切实提高了实践育人水平。