基于“核心素养”导向的气象学专业研究生实验课教学改革实践

胡轶佳 朱益民 黄小刚 孙源 姚瑶

摘  要：培养核心素养是研究生教育的重要目标。气候预测建模实验课致力于培养气象学研究生的核心素养，通过做气候分析和预测相关的实验，提高研究生的动手能力，增强科学技术素养;通过数学原理讲解和数学建模，夯实理论基础，提高研究生的数学素养;将思政元素融入到实验课中，增强研究生的社会责任感和社会服务意识。课堂引入前沿知识，拓宽研究生的学术视野。通过这样的教学改革实践，气象学研究生的培养质量有较大的提高。

关键词：核心素养;实验课;研究生

中图分类号：G643      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2022）19-0142-05

Abstract： Cultivating the key competency is an important goal of the graduate education. The experimental course "Climate Prediction and Modeling" is committed to cultivating the key competencies of graduate students majoring in Meteorology. This course can improve the practical ability of graduate students and enhance their scientific and technological literacy by doing experiments related to climate analysis and prediction. It can consolidate its theoretical basis and improve the mathematical literacy of graduate students by exploring mathematical principles and practice mathematical modeling. It can enhance the social literacy， sense of responsibility and sense of social service of graduate students by integrating ideological and political elements into the experiment course. It can broaden the academic vision of graduate students by introducing the cutting-edge knowledge in class. Through such teaching reform， the teaching quality of Meteorology graduate students has been greatly improved.

Keywords： key competency; experimental course; graduate student

中国的教育改革历经几十年的发展历程：在20世纪70年代，中国教育的目标以强化基础知识、培养基本技能为主。到了80年代，教育目标转变为发展智力和培养能力。90年代，提出了培养学生综合素质的新目标，强调“德育为先，能力为重，全面發展”。随着教育改革的不断推进，2014年《教育部关于全面深化课程改革落实立德树人根本任务的意见》发布，正式提出了培养“核心素养”的教育目标，成为当前教育研究和教学实践关注的重点。

此后，核心素养在广大中、小学课程中得到了广泛的实践和持续的研究。但高校的研究生教育如何构建以核心素养为目标的课程教学体系还没有得到重视和研究。研究生教育是最高层次的教育，肩负着为建设创新型国家培养大批拔尖创新人才的重要使命[1]。因此，需要进一步明确研究生核心素养的内涵，创新研究生的课程培养体系和课程教学方式，使研究生能够比本科生具备更高阶的学习能力、生活能力、独立探索能力、创新能力和批判思维能力等，培养他们的科学精神和科学素养，使其成为更具竞争力的高层次人才。为此，国防科技大学气象海洋学院在气象学专业研究生的气候预测建模实验课程中积极开展了以“核心素养”培养目标为导向的教学实践改革，为提高国防科技大学研究生人才培养质量和学校“双一流”建设进行了积极的探索。

一、“核心素养”的内涵

核心素养的英文表达是“Key Competencies”。“Key”是指核心的、最重要的、关键的，而“Competencies”是指能力。可见，“核心素养”从英文表达来看是指最关键和重要的能力。1997年12月国际经济合作和发展组织 （OECD）开启了国际学生评估计划，并通过此项计划同步启动了“素养的界定与遴选：理论与概念基础（DeSeCo）”项目。通过几年的研究，OECD在2002年的DeSeCo报告中给出了“素养”定义，即成功地满足要求或完成任务的能力，包括认知能力和非认知能力[2]。而“核心素养”是指特定的能力，是指能够使个人有效参与多项竞争或社会领域活动，帮助个人在社会中成功生活的能力。核心素养包括行动能力、交互使用工具（语言、知识、信息和新技术）的能力以及适应社会群体和发挥作用的能力。在2005年DeSeCo项目发布的《行动纲要》里进一步延伸了核心素养的内涵，即为个人实现自我价值、促进终身发展、融入主流社会和充分就业所必需的知识、技能及态度的集合[3]。此后，欧盟、联合国教科文组织以及美国、澳大利亚等国家纷纷提出了“核心素养”的解读和界定，虽然各国家和组织提出的核心素养的内涵有所区别，但基本涵盖了以下素养：语言素养、数学素养、学习能力、问题解决能力、沟通和交流、团队协作、信息技术素养、自我规范能力、创新和创造力和国际视野等[4]。

二、气象学专业研究生的核心素养要求

气象学是大气科学的一个分支，是研究大气中物理现象和物理过程及其变化规律的学科。现代气象学的发展经历了两百多年的历史，是一门年轻的学科。在十八世纪的萌芽阶段，人们以经验和感性的认识来解释天气现象。伴随着物理学和化学理论的发展以及气压、温度、湿度和风等测量仪器的陆续发明，气象学的发展开始由定性的判断转为定量的分析和预报。在近代，计算机技术、雷达、激光和卫星等探测新技术的飞速进步，大大促进了气象学的发展。特别是近几年来，信息科学和技术的发展，海量气象大数据（包括地面、高空、海洋、辐射、农气、雷达、卫星资料等数据）的广泛应用，以及人工智能技术的普及和应用，使得天气预报和气候预测的准确率越来越高，气象学的发展步入到新的时代。

在这样的发展背景下，必然对气象学专业研究生的核心素养提出了更高的要求。气象学专业的研究生是从事气象学科中大气物理、大气探测、大气化学、气候学、海气相互作用等领域研究的高层次人才。而从气象学发展史来看，气象学的发展得益于物理学、化学等科学的发展，因此，气象学专业的研究生首先需要具备深厚的科学素养，打好科学理论基础，才能更深入地理解支配大气运动、天气和地球系统相互作用的物理规律。

万物皆数，气象学也不例外。气象学是一门理科学科，是以数学为基础的学科，所有的气象学理论均可以通过数学去表达。如目前所有的数值天气预报模式，其动力框架都采用同一套大气动力学方程组，且其他物理过程，如降水过程、陆面过程、海气相互作用等都是用数学公式来描述的。可见，要理解气象学理论必须要具备扎实的数学素养。

而在信息化时代，气象大数据迎来了大爆发，海量的气象大数据中蕴含着大量不为人知的联系和奥秘。要能利用好卫星、雷达、飞机和船舶等测量的气象大数据，从中提取有用信息应用于天气预报和气候预测，并借助人工智能技术提高天气气候预报的准确率，需要研究生具备学习、掌握和利用这些新技术并应用于气象的素养。

我国的气象学虽然已经取得了长足发展，但与国外仍然有一定差距，这就要求研究生要有国际视野，善于学习国外的先进理论成果和经验。而且，气象专业的研究生毕业后，大多进入到气象保障的服务行业中，而气象方面的工作大多社会服务性强，公众关注度高，因此需要气象学研究生具备很强的社会责任感和社会服务意识等素养。此外，作为气象学的研究生，要和其他研究生一样，具备学习能力、发现问题和解决问题的能力以及创新能力，这些素养是气象学研究生和其他专业研究生的通用核心素养。

三、以核心素养培养为目标的实验课教学实践——以气候预测建模实验课为例

实验课是以做实验为教学方式的课程，对于学生加深理论知识的进一步理解和提高动手能力具有重要的意义。而气候预测建模实验，是国防科技大学气象海洋学院气象学专业研究生的一门选修课，该课程系统介绍各种气候预测方法的数学原理和物理基础以及目前最常用的气候预测建模方法，并提供大量预测实例、气象数据和参考程序供研究生做气候预测实验，是一门应用性强、理论与实践紧密结合的课程。该课程是我院大气科学学科气候变化与国防安全研究方向的重要内容，对于研究生掌握气候预测建模方法，研究短期气候预测技术和气候变化机理，从事气候研究和气候预测保障工作有重要意义。而为了培养气象学研究生的核心素养，我们对实验课做了以下改革实践。

（一）提高科研实践能力，增强科学技术素养

研究生和本科生一大不同点在于：研究生开始进行科学研究的系统训练，需要具备独立开展科学研究的能力。因此，科学素养是其要打造的最重要的核心素养之一。美国科学促进委员会在“2061計划”丛书中的《面向全体美国人的科学》中给出的科学素养的定义为：熟悉自然界、尊重自然界的统一性;懂得科学、数学和技术相互依赖的一些重要方法;了解科学的一些重大概念和原理;有科学思维的能力;认识到科学、数学和技术是人类共同的事业，认识它们的长处和局限性。同时，还应该运用科学知识和思维方法处理个人和社会问题[5]。可见，科学知识、科学思维、科学精神和应用科学技术的能力是核心素养的主要要素，需要实验课也要围绕着培养研究生科学素养这一教育目标和几大要素来开展教学实施。

因此，气候预测建模实验课瞄准提高研究生科学素养这一目标，对研究生需要具备的基本科研实践能力，包括编程能力、绘图能力和撰写科研论文的能力等进行了针对性的训练。首先，编程和绘图软件是进行气象学研究必备的工具，实验课的所有实验需要通过一些计算机语言编程实现，并通过绘图软件进行可视化分析。气象上常用的编程和绘图工具包括Fortran、Matlab、Python、NCL和Grads等，而国防科技大学的人才培养方案已经设定在本科阶段学习Python、Matlab、C等计算机编程语言，但这些本科生在进入研究生阶段后，还不具备熟练运用这些计算机编程语言以及绘图工具进行气象数据的编程处理和可视化绘图的能力。为提高研究生的计算编程能力，我们精心设计了六大模块的气候分析和预测实验，要求研究生利用计算机编程去实现实验目标。但对研究生采用哪种工具语言并不设限，只要擅长使用即可，鼓励他们提供不拘一格的实验方法和实验结果，这是一种适合研究生的个性化培养的方式。通过这些实验的训练后，本科阶段有较好计算机学习基础的研究生可以很快上手编程实现自己的想法，并对结果进行绘图可视化分析，为他们从事后面的课题研究和完成毕业论文打下坚实的基础。

另外，这门课的实验报告要求完全按照科研论文的写作要求进行撰写，即研究生提交的实验报告，必须涵盖科研论文所必备的几块内容：引言、数据和实验方法、结果分析和小结。其中，如何对图进行分析表达，图、表的绘制方式，以及图题和表题的撰写方式，老师都会给予细致的指导和要求。对于部分工作量大、难度较高的实验，要求他们分成3～4人的实验小组进行实验，小组成员之间需要深度合作，才能完成课题。且在提交团队实验报告时，需要标注团队每个成员的贡献，这也是现行国际高档次SCI期刊的要求。通过这样的训练，研究生可以了解科研论文的写作模式，迅速掌握科研论文写作技巧，为后面撰写科研论文和毕业论文打下基础。

除了上述科学研究基本能力的训练培养，培养研究生的科学探究精神也是这门气候预测建模实验课所追求的更高层次的目标。科学探究精神是驱动科技发展进步的基本动力，对科学真理的不懈追求是许多科学家的目标。2020年诺贝尔化学奖获得者詹妮弗·杜德纳说：“好奇心、求知欲和理解力是我生命中最强大的驱动力”。可见，激发研究生对气象学的好奇心、热爱和求知欲，才能让他们在后面的学习和研究中获得持久的动力。为了达到这一目标，气候预测建模实验课程设计了很多与时俱进的实验，即实验的设置与最新的气候状况相挂钩，不是一成不变的。如2020年，长江中下游地区遭遇了50年一遇的洪涝灾害，超长待机梅雨在梅雨量和梅雨期持续时间方面都创造了历史记录。因此我们在2021学年这门课开展的部分实验就是分析2020年夏季超长待机梅雨的气候异常成因和机理，汇报其梅雨强度。研究生在亲身经历这些极端气候事件和气候异常后，会获得很多感性的认识，叠加自己分析的结果，能加深对这一年气候异常的认识。

实验课的实验难度设置由易到难，让研究生能循序渐进，逐渐上手编程试验，体验到做实验的快乐感和成就感，增强对这门课和本学科研究的兴趣。而当他们遇到问题的时候，研究生需要通过自己的探究以及和同伴之间的合作去寻求解决的途径。通常，搜索相关的文献和参考程序可以帮助他们解决部分理论和技术问题。研究生也可以通过跟老师讨论的方式获取有用的建议，在讨论过程中，老师的角色是引导者，而非教导者。老师只给研究生提供一些参考建议，而非直接告诉他们怎么做。师生之间的讨论不局限于空间和时间的，微信群、视频会议等现代技术手段给了师生之间更好的交流环境。这样，可以更好地培养研究生的自主学习能力和科学探究能力。

（二）夯实理论基础，提高数学素养

数学素养首先表现为理解数学原理的能力。气候预测建模实验课讲授目前主流的气候预测统计预测方法和动力预测方法，如经验正交函数分解、典型相关分析、人工神经网络和气候数值模式等方法，而这些方法应用于气候预测的本质是数学建模，即在理解这些方法的数学原理的基础上建立数学模型，并通过计算机语言编程实现对未来气候的预测。气象学作为一门理科专业，对研究生的数学功底要求很高，因为要理解这些方法的数学原理，需要综合利用本科阶段所学习的高等数学、线性代数、数学物理方程等基础课程知识，并对本课程所涉及到的数学方程进行细致的推导，才能更深刻地理解这些气候预测方法的数学原理。同时，也需要教师在这门课的讲授环节对各种气候预测方法的数学原理进行深入浅出的阐述，而非枯燥的推导这些晦涩复杂的方程，提高研究生对数学原理方法的兴趣和认识。否则，在没有理解这些方法原理之前就直接让研究生利用现成的模型程序去建模实验，很容易使他们在计算编程和预测结果分析等实验环节产生迷惑。

数学素养还包括利用数学去解决实际科学问题的能力，即在理解数学原理的基础上，利用数学作为工具，去表达、建模、计算和解释与气候学有关的科学问题。科学的本质都是数学。毕达哥拉斯说：“万物皆数。”著名的数学家高斯说：“数学是科学之王。”而气候预测建模所涉及到的气候学，完全可以利用数学去表达支配气候变化和气候系统内部相互作用的基本原理，这体现了科学与数学的协同之美。这门实验课的学习，需要让研究生加深对数学和气候预测之间关系的认识，增强他们利用数学去解释气候异常现象、寻找气候预测因子，并进行气候预测的能力，理解数学与气候学之间的联系。

数学素养还包括一些数学观念和价值观。事实上，数学之美在于它的简洁，任何复杂的科学最终都可以用简洁的数学去表达它。气候学上最重要的概念就是时间尺度，在不同的时间尺度上，可以把其他时间尺度的噪音去除掉，留下该时间尺度上的气候变化信号，并用更为简洁的数学进行表达。如北太平洋年代际振荡（PDO），是一个10年以上的长时间尺度的气候变化特征，是北太平洋海温主分量分析的第一模态，代表了北太平洋海温年代际尺度变化的最主要的特征。让学生利用主分量分析，可以很容易地提取出来这种气候变化的模态，而这种模态仅仅表现为热带太平洋与北太平洋海温的反位相，这是海温变化在长时间尺度上体现出来的主要特征，体现出自然界和谐和简洁的特征。学生理解了这种用数学表达自然的简洁性，也能更加深入理解气候变化规律，数学素养随之增强。

（三）融入思政元素，增强社会责任感和社会服务意识

培养研究生的核心素养，最重要的是要解决“培养什么样的人？”这个根本问题。而要在课程教育中解决这个根本问题，需要把课程思政建设作为落实立德树人根本任务的关键环节，坚持知识传授与价值引领相统一。因此，在气候预测建模实验课的教学改革过程中，我们力求将思政元素融入到课堂上，守好自己的一段渠，种好自己的责任田。众所周知，随着全球变暖对气候影响的加剧，极端气候事件频发，如2018年雨雪冰冻灾害、2019年夏季中国的极端高温天气、2020年极端梅汛期降水带来的洪涝灾害等，给人们带来极大的影响。人们越来越关注气候变化对人类生活和社会的影响。而能否提前准确预测气候的异常变化，直接影响我国防汛抗旱等工作的决策和部署，对于防灾减灾具有重要的作用。

而目前存在的一个普遍问题是，很多气象学研究生即使在学习本专业很多年后，仍然缺乏气象学专业认同感，不清楚学习本专业的社会价值和作用，也没有明确职业发展方向，这是需要老师解决的问题。因此，在实验课的思政教育中，需要努力挖掘与气候预测建模相关的思政元素，增强研究生的社会责任感和对所从事职业的认同感。在气候预测建模实验课的改革实践过程中，我们通过大量的气候预测保障实例，为研究生讲解准确预测未来气候对社会产生的价值和意义，以及研究生毕业以后的职业发展和承担的社会责任。例如，在讲解气候的动力预测方法这节课时，我们介绍了中国的气候动力模式的发展历史。气候模式的发展不但体现了一个国家的科学水平的发展，也体现了超算等技术的发展，是一个国家综合软实力的集中体现。我国虽然是利用气候系统模式开展气候预测日常业务的少数国家之一，但所用模式无论从分辨率还是从物理方案等方面都较国际水平仍有差距。因此，我国的科学家在改进和发展我国的模式方面做了大量的工作，敢于啃硬骨头、挑担子，使得我们的气候模式发展终于跻身前列，參加了多次政府间气候评估报告的气候模拟预测工作。而作为气象专业的研究生，承担着追赶国际先进水平、服务国家需求和推进我国气象事业发展这三个目标的重任。通过这样的思政教育，可以明确研究生的未来的职业发展方向，增强其职业认同感和社会责任感。

另外，气候预测建模课程还强调研究生的学术道德培养。学术道德是学术研究中必须遵循的规则与规范。而如今学术失范行为频发，其中也不乏研究生的身影。论文剽窃、一稿多投、篡改数据、学术造假等学术失范行为已严重影响学术环境，甚至影响国家的学术形象和创新力。因此，要通过这门实验课增强研究生的学术道德教育，在研究生做气候预测实验和提交实验报告的时候，尤其要强调不能为了完成任务而剽窃别人的实验报告，或者篡改结果数据。一经发现，会严重影响平时成绩。通过一些反面案例，讲解学术不端行为的危害性。通过这些反面事例，强化研究生对学术道德和态度的认识，提高他们辨别是非的能力。做到严于律己，明确有所为和有所不为的尺度规范，切实提高研究生的学术道德水平和学术道德修养，养成学术诚信意识。

（四）介绍前沿知识，拓宽学术视野

习近平总书记在党的十九大报告中就提出：“要培养造就一大批具有国际水平的战略科技人才、科技领军人才、青年科技人才和高水平创新团队。”而研究生教育作为我国科技人才培养的高地，更应将国际视野的培养作为研究生的核心素养培养目标。因此，气候预测建模实验课不仅仅局限在讲授课程标准范围内的基本知识和基本技能，而是不断将目前气候预测方面的前沿知识引入到课堂，介绍与课程内容相关的气候预测领域的国内外相关前沿文献，这无疑是对课程内容最好的补充。如在讲解完某种气候预测方法的原理后，再补充该种方法在气候预测中的应用实例以及未来的发展等相关文献，有利于加深研究生对课程内容的理解，开阔他们的思路，习得这种方法的具体应用情景和应用方法。事实上，科学研究最重要的就是要掌握一定的科学研究方法，而通过介绍前沿知识，有利于研究生学习前人的科学研究方法，掌握研究科学问题的一般程序和规则，增强科学研究的科学性、规范性和解释力，提高撰写科研论文的质量，为将来从事研究工作和撰写毕业论文奠定基础。

同时，实验课还会在课堂上介绍一些相关外文文献供研究生在课后参考自学，这对拓宽研究生的国际视野非常有利。事实上，我国的气象学发展水平与一些发达国家和地区，如美国、欧洲、日本等在某些方面还存在一定的差距。而阅读外文文献，是了解目前国际气象学领域发展水平和前沿知识的捷径，具备较强的外语能力和检索文献的能力可以助力研究生拓宽学术视野，确定自己的学术研究方向以及后继科学研究的顺利开展。国防科技大学气象海洋学院已经将研究生发表高档次的SCI检索论文作为评判研究生学术科研能力和攻读博士学位的标准之一，而本门实验课也希望通过阅读外文文献的训练，拓宽研究生的国际视野，助力有潜力的研究生尽快发表高档次外文期刊论文。

四、结论

培养研究生的核心素养是研究生教育的重要目标。气象学研究生需要具备的核心素养包括：深厚的科学素养、扎实的数学素养、学习掌握和利用这些新技术并应用于气象的素养、强烈的社会责任感和社会服务意识等。气候预测建模实验课通过一系列的教育实践改革致力于培养气象学研究生的核心素养，通过做气候分析和预测相关的实验，提高研究生的科研实践能力，增强科学技术素养;通过数学原理讲解和数学建模，夯实其理论基础，提高研究生的数学素养;在课堂上融入思政元素，增强研究生的社会责任感和社会服务意识;介绍前沿知识，拓宽研究生的学术视野。通过这样的教学改革实践，气象学研究生的培养质量有了较大的提高。

参考文献：

[1]中国学位与研究生教育发展报告课题组.中国学位与研究生教育发展报告1978-2003[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2]Organization for International Economic Cooperation and Development Definition and selection of competencies： Theoretical and Conceptual Foundations[Z].2003.

[3]Organization for International Economic Cooperation and Development.Definition and selection of competencies： Executive Summary[Z]. 2005.

[4]郑思晨，等.STEM+课程的系统解读——基于本土化实践的探索[M].上海：上海教育出版社，2018.

[5]American Association for the Advancement of Science. Science for All Americans[EB/OL].https：//www.aaas.org/resources/science-all-americans.

基金项目：湖南省研究生教学平台项目“‘气候变化与国防安全’優秀教学团队培育项目”（湘教通[2019]370号）

作者简介：胡轶佳（1980-），女，满族，山东青岛人，博士，副教授，研究方向为短期气候预测和气候变化，国防安全。