理论和实践一体化的雷达气象学课程教学探索

高士博，殷红，乔延艳

（沈阳农业大学 农学院，辽宁沈阳 110866）

气象雷达自投入使用气象业务以来，在中尺度天气系统的探测和预报方面起到了重要的作用，因而成为中尺度降水系统监测和预报的有效工具。雷达气象学是随着气象雷达的发展和广泛应用而形成的一门气象学分支[1]。早在20世纪40年代，雷达就被用于探测和研究气象目标，雷达气象学课程应运而生[2-3]。作为大气科学类专业的一门专业基础课，该课程的主要内容包括气象雷达基本原理、探测方法以及资料的分析应用，目的是培养学生从事雷达气象等相关研究和实际天气预报工作的基本能力。对于未来从事雷达气象相关科学研究或者实际天气预报业务工作的学生而言，雷达气象学是一门非常重要的课程。然而，根据该课程在沈阳农业大学大气科学和应用气象专业的教学调研发现，很多学生反映该课程理论知识学习难度大，内容复杂枯燥，很难在实践中有效运用理论知识，教学效果欠佳。因此，为满足沈阳农业大学培养复合型人才的需求，非常有必要对该课程教学模式进行改革，以适应当前高校推进素质教育的要求。

1 理论和实践一体化教学模式

理论和实践一体化教学模式是将理论知识和实践有机结合为一体的教学模式，是从德国的“双元制”职业教育模式转化而来，通过设定某个教学目标或教学任务，由教师通过讲解理论知识和指导实践操作，强调以学生为中心，学生边实践边学习[4-6]。该教学模式突出学生在教学活动中的主体地位，以提升学生解决问题的能力[7-9]，并且将教师讲授、示范和学生实践融为一体，更加直观生动地向学生展示教学内容，让学生在实践中进一步理解、消化和吸收专业理论知识。目前，该教学模式已经逐步在高校和科研机构中应用[10-13]。因此，深入探索一体化教学模式在雷达气象学课程中的应用，对提高课程教学质量和培养行业需要的人才具有重要意义。

2 雷达气象学课程传统教学模式存在的问题

从课程内容来看，雷达气象学具有理论与实践并重的特征，除了要求学生掌握气象雷达工作原理、超短波在大气中折射和雷达气象方程等理论知识外，还要求学生能够使用雷达回波和径向风资料分析各种天气系统的结构及发生、发展和演变机制。在该课程的实际教学中，学生普遍反映存在如下问题。

（1）课程理论性强，内容抽象难懂。不同于气象类其他专业类课程，雷达气象学课程教学内容的很多理论知识涉及公式推导，且融合了大气探测学、大气物理学和天气学原理等交叉的内容，这对于专业基础薄弱的学生来说具有一定的学习难度。特别是课程第二章至第五章，内容知识点多，涉及的知识抽象难懂，学生普遍反映学习难度较大。部分学生为了通过考试着重记知识点，对教师讲授的内容缺乏深入理解，不注重思考和质疑，导致对理论知识一知半解。

（2）理论课和实践课未有效衔接。传统教学模式多以理论教学为主，实践课程较少，并且理论课和实践课是分开进行授课的，实践与理论教学未有效结合，课后缺乏实践机会，忽略了学生主动性和探究性能力的培养。例如，课程第八章第二节“雷达探测冰雹”，学生已经学完了冰雹天气预报知识、冰雹和冰雹云的基本特征、冰雹云和冰雹形成机理等基本理论知识，但是在实践过程中还是难以用理论知识解释雷达回波图中所呈现的现象。

（3）教学内容更新慢。随着我国新一代多普勒天气雷达网的逐渐建立，如激光雷达、双线偏振雷达、毫米波雷达和相控阵雷达等，新一代雷达效应日益凸显。但是，目前沈阳农业大学雷达气象学课程的教学还没有跟上现代化雷达气象发展的步伐。此外，教材中使用的典型天气的案例老旧，没有结合最新发生的灾害性天气过程进行分析，难以提高学生主动学习的兴趣，难以激发学生的求知欲，导致学生就业时发现自己的知识储备不足，难以对各种天气类型的雷达回波进行分析。

（4）课程考核体系单一。传统雷达气象学课程的考核方式主要是期末闭卷考试。这种方式虽然能够考查学生的基础理论知识，但强调记忆性学习，考查时间过于集中，忽略了过程性学习，难以考查学生的实践和操作能力。单一化的考核方式以考试结果为最终目的，忽略了过程性考核。

3 雷达气象学课程一体化教学模式的改革措施

3.1 优化一体化教学内容设计

参考国内外教学教材，根据课程内容的重点和难点，课程组认真研究了雷达气象学的现状和发展趋势，对核心教学内容进行了优化设计。课程组收集各高校的教学成果并整合到教学内容中，使学生能够了解雷达气象学最新的研究进展。理论部分增加了目前较为先进的双线偏振雷达、相控阵雷达、云雷达和风廓线雷达等新型雷达的基本工作原理、相应的技术发展和应用等知识。实践部分建立了近5年典型灾害性天气个例数据集。此外，课程组还鼓励学生收集整理典型的强对流天气过程案例，组织相关竞赛活动，评选出优质案例以丰富数据库，激发学生的学习积极性。

此外，针对理论和实践相脱节的问题，根据教学内容的重难点增加了实践教学模块，主要为雷达探测系统模块、衰减模块、折射模块和预报模块等。例如，在雷达探测系统模块中设计雷达功能、硬件和工作原理等主要参数；雷达衰减模块设计了雷达衰减订正技术；雷达预报模块中增加了业务中常用的雷达质量控制技术、雷达回波的识别、冰雹云的雷达探测、暴雨的探测、台风的探测、飑线的探测等实践内容。

3.2 丰富一体化教学实施方式

通过多种渠道与气象预报业务和科研单位积极沟通，根据教学内容匹配一体化教学实施方式，主要包括参观气象局、软件模拟和天气会商三种方式。

（1）参观气象局。雷达探测分析、典型天气系统的回波和径向速度分析等内容属于这一类。例如，在对雷达工作原理进行讲授时，教师可组织学生去气象台雷达站参观雷达机房，近距离了解雷达站的建设历史、天气雷达定期维护和定标的方法，以及值班员的日常工作等，进而掌握雷达的工作原理和操作规范等。此外，在对典型天气的雷达回波和径向速度分析、重要降水天气系统的雷达探测分析等内容进行讲授时，可以通过参观气象局使学生了解气象雷达在天气预报预警中的实际应用以及如何识别雷达图等知识。

（2）软件模拟。对于大气衰减和折射理论，教师可利用虚拟仿真软件模拟进行讲授。例如，对于降水粒子对雷达电磁波的散射、电磁波的衰减、大气折射等理论知识，单一板书和语言讲解比较晦涩难懂，利用软件模拟可以将抽象难懂的大气过程直观表现出来。此外，由于雷达观测的变量有限，而径向风变量无法完全体现三维大气的运动，很难利用天气学理论解释回波特征，可以通过数值模拟气象要素场，使学生加深对雷达回波形成机制的理解。

（3）天气会商。雷达气象学课程的最终目的是服务天气预报，利用沈阳农业大学天气会商室，定期组织学生听取天气会商。会商过程中，各地气象台工作人员根据各类气象数据对未来天气状况进行分析和预报。组织学生聆听气象预报员对雷达图、天气图和降水量实况图等各类气象资料的分析对比，有助于学生将教材中的理论知识和未来实际业务有机结合，进一步了解气象雷达在天气预报预警中的实际应用。

3.3 构建一体化教学体系

将信息技术与课程教学深度融合，构建理论和实践一体化教学体系。依托学校的“易尔思”教学平台建立线上教学资源，教师可在课前将每章的教学课件、微课、慕课等各类教学资源发布到教学平台上。在线下课堂中，教师利用启发式、探究式、互动式和讨论式等多种教学方法活跃课堂氛围，开阔学生思路，激发学生潜能；选取典型天气过程的雷达回波，并使用中央气象台实时雷达图进行案例式教学，使学生加深对教材知识内容的理解。课后教师通过平台给学生发送习题和复习任务，要求学生在规定时间内完成作业，教师可以实时查看学生的作业完成情况，学生还可以利用碎片化时间通过复习来巩固所学知识。

3.4 改革一体化教学考核方法

传统的雷达气象学课程一般采用期末考试和作业相结合的考核方法，随着一体化教学模式的深入实施，教师应着重考查和培养学生的综合能力。考核模式应综合考虑理论和实践两方面，总成绩由平时考核成绩、实验成绩和期末考试成绩三部分构成，在总成绩中的占比分别为20%、20%和60%。平时考核成绩由课堂表现和课堂测试两部分组成，其中课堂表现包括课堂考勤率、课堂参与度、学习态度和学习讨论等方面，课堂测试是由教师根据主要知识点进行随堂测试，要求学生当堂完成提交。期末考核成绩为期末试卷成绩，采取闭卷考试形式。实践成绩是指学生的实践参与度、正确率和实践报告完成情况等。一体化考核方式的考核项目明显增多，不仅涵盖了对学生理论知识掌握程度的考核，而且纳入了对学生实际应用能力的评价。教师对上述各项评分细化至不同等级，根据各项等级再进行总体评价，给出最后得分。该评价方式综合考虑了学生对理论知识的掌握程度和实践操作能力，全方位评定学生的综合素质。

经过教学实践发现：相比于传统的教学模式，一体化的教学模式能够显著提高学生的学习积极性，增强教师与学生之间的互动，营造良好的学习氛围，教学质量有较大提高。