地方应用型高校大气物理学课程教学改革研究

刁一伟 杨 孟 钱 博

无锡学院大气与遥感学院 江苏无锡 214105

中国气象局在《全国气象现代化发展纲要(2015—2030年)》[1]中指出建设具有世界先进水平的气象现代化体系，明确提出要全面提升气象人才素质，强化综合气象服务能力，建立高度集约共享的气象信息化体系，发展高分辨率精细化气象与环境服务技术，加强气象防灾减灾，提高应对气候变化和履行国际公约的能力。同时，现代气象业务高度自动化，预报工具复杂化，气象服务多元化，服务产品精细化，对现代气象人才的培养提出了新的要求。

无锡学院大气科学专业依托国家“双一流”建设高校南京信息工程大学大气科学专业而建，2021年已建设成为江苏省一流本科专业，为我国气象与大气环境建设事业输送了大量专业人才。结合地方建设和行业需求，大气科学在天气预报、气象灾害监测与预警、交通物流气象保障、机动车无人驾驶气象安全保障、飞行器飞行安全保障、大气环境监测与治理、风力与光伏新能源发电等诸多领域有着重要应用。大气科学的发展是无锡学院建成高水平应用型本科高校的内在需求，同时也是适应区域经济高质量发展和未来产业发展的重大需求。

大气物理学是教育部大气科学类专业教学指导委员会认定的大气科学本科专业核心基础课程[2]。大气物理学是大气科学专业本科生第一门核心基础课程，担负着专业兴趣启迪、基础知识建立和专业价值观引领的重要作用，对了解大气过程和规律，深入理解气象行业内涵和行业发展具有重要意义[3-4]。该课程的学习有利于学生具备大气物理现象分析的基本能力，能够建立简单大气模型及计算，掌握气象资料分析的基本技能，能够将基础理论应用于创新实践，具有综合运用知识、独立分析和解决问题能力。

一、课程存在的问题及教学难点

(一)课程特点

大气物理学课程教学内容包含了各种大气热力学过程(如垂直升降过程、绝热混合过程)、大气辐射过程(如大气吸收、大气散射)和辐射传输过程。作为大气科学专业的第一门理论课，大气物理学课程有些概念比较抽象、控制方程多、各种原理也相对复杂，对数理基础不够扎实的学生来讲，会感到学习上困难重重。因此要特别注意学习方法的建立，尤其注重数学和物理的有机结合，要将抽象概念与其所在的大气实际过程相联系，将数学方程的每一项都与其物理意义对应起来。其次，学习过程中必须建立一套由“系统(或对象)—过程(或条件)—控制方程—物理意义”形成的闭环模型，例如一旦确定目标系统为饱和湿空气系统，让它做绝热抬升，则其必然为一等熵过程，通过对系统各部分熵值的计算，结合绝热条件，即可得到湿绝热方程，最后理解湿绝热方程中各项的物理意义，即显热、潜热和膨胀功在绝热抬升过程中的相互转化。

(二)教学难点

大气物理学课程理论抽象、公式繁杂，学生理解困难并缺乏学习兴趣；概念和知识点较多，知识体系有广度和一定深度，但仍缺乏知识转化吸收的办法；传统教学方式无法提升学生解决问题技能和探索创新的能力。

教学过程中大量数学推导可能会导致与物理概念脱节，大气过程内在机理抽象，数学表达式(如空间辐射场)高度复杂，无法通过文字描述说清楚其外在具体表现形式，使得课程理论强、概念抽象、数理基础要求高。因此，想办法实现数学方程与物理意义的融合互通是课程教学改革的关键问题。

而且，大气物理学偏理论，在实践应用方面相对薄弱，教学中大量方程推导往往使学生重方程本身而忽略方程所表达的物理意义。例如，由方程参数变化引起气象要素变化，这种变化又是通过哪些实际大气现象来证实。以上问题急需理论教学与应用实践紧密结合，也指明了本课程的改革方向，即理论与实践结合、虚拟(气象过程模拟)与实际(真实大气)结合、产教融合，将枯燥的问题放到课外实践任务中，利用任务来强化对概念和原理的理解和吸收，借助气象业务部门的具体工作将理论转化为现时应用。

二、教学设计与方法改革

(一)教学目标与教学内容

课程教学目标分为知识目标、能力目标和素质目标等三个部分。知识目标：系统掌握大气物理学的基础理论，熟悉大气结构和成分特征，能运用相关理论深入分析大气状态、基本热力学和辐射传输，熟悉典型大气物理现象并能解释其成因，理解云雾降水物理的宏微观特征，了解大气物理学理论前沿和发展动态。能力目标：具备大气物理现象分析的基本能力，能够建立简单大气模型及计算，掌握气象资料分析的基本技能，能够将基础理论应用于创新实践，具有综合运用知识、独立分析和解决问题能力。素质目标：具有良好的政治品格与社会责任感，具备进一步发展中国气象事业的使命感，勇于坚持真理，坚持实事求是的科学道德，热爱科学事业，弘扬谦虚、合作精神，具有较强的学习能力，树立终身学习观，具有不断学习和发展的能力。

课程教学内容主要包括大气的物理现象、物理过程及其演变规律，具体为地球大气演化和结构、基本气象要素、大气热力学过程、大气辐射及其能量传输、大气声光电现象以及云雾降水物理等。同时本课程根据大气科学专业人才培养方案，结合高年级后续诸多专业课程如天气学原理、动力气象学、云降水物理学等相关知识，进行适当的内容拓展，使教学内容能够与后续课程有机衔接，为高级专业知识学习打下扎实的理论基础。

通过分层梳理大气科学类专业知识体系，教学内容上采取“有所取舍而又侧重加强”的安排，不讲“大而全”，提出针对大气科学专业学生所必须掌握的专业基础知识建立深入浅出、理论完整的教学内容框架。根据知识点重要性和难易程度，教学过程中设置对应难度的习题，对难点问题，结合教材所述概念，通过实际大气现象和现实业务应用案例来阐明解决问题的过程。围绕核心知识点，建立丰富的概念图、原理模型和大气过程图解，为学生深入理解和实际应用提供帮助。教学内容的革新也促成了课程自编教材《大气物理学》的出版[5]。

(二)教学模式改革

1.四路闭环式教学模式

为达成“知识体系—思维模式—应用创新”三位一体的教学目标，围绕教学思路、科研教学、实践应用和效果评价等四个方面，形成教学质量闭环模式。

强化师生在教学中的共同主体地位，通过师生沟通，准确设计课程总体教学方案。教学开展过程中，基于教学目标、内容和学情等要素测算课堂教学具体设计。将学生能胜任的极少量任务作为课前导学，课内教学的主要重心放到重点、难点问题的剖析和理解，课内教学突出师生互动与案例示范，课后答疑和师生讨论是对知识点的巩固，达成课前、课内和课后的循环结合。基于该教学循环模式，实现学生和教师的双主体地位和双向激励，提升知识学习和思维模式的高阶融合。

课程知识点与教学体系相融合。遵循先易后难、由局部到整体的逻辑进行授课，例如不同章节是从不同角度对大气物理过程的总结分析，不同知识内容之间又相互关联，最终组成一个完整的大气热力学、大气辐射等知识图谱。因概念和原理复杂，所以采用思维导图方式，引导学生理解知识点之间的相互关系，建立自己的学习方法，实现课程内容的系统化认识，进而融会贯通。

利用科学思维反哺教学，教学中体现科学思维的培养。大气是一个复杂的混沌系统，且时空尺度变化多样。在进行知识传授的过程中，更加要注重学习前辈大师们对方程大胆合理简化的科学思维，提炼出大气物理学研究的普遍方法。例如，空气分子在尺度上远小于大气热辐射波长，当研究地气系统长波辐射传输时，只有抓住决定长波辐射的主要因子(大气吸收)，忽略那些次要因子(散射作用)，牢牢把握大气中长波辐射的基本性质，则可通过对一般辐射传输方程的简化，建立符合物理意义的数学方程。基于这种科学思维，大气物理学经典理论才得以建立，所以课程教学有必要对科学思维进行引导学习。

多种教学方式体现因材施教，将课堂教学、线上线下混合和现代数字教学平台有机融合，实现信息化教学手段常态化。基于超星学习通或中国大学慕课等线上平台作辅助教学，与常规线下课堂教学有机融合，使用这些“互联网+”技术统计课程考勤、整理课堂参与度和提问、作业和练习题完成度等反馈数据，达成教学全过程数据采集，实时了解学生表现和心理状态，适时调整教学进度、优化教学方法，提升课程改革目的性和科学性。

基本概念和原理通过线上传授，线上分配主题任务，课堂以任务导向进行思维训练和应用能力培养，激发学习兴趣，实现多元化教学目标。线上保证课程完整性，课堂通过任务导向、案例教学和过程考核等方式实现“学习深度”挖掘，引导学生对知识点的深层次理解。充分利用互联网资源，结合教学内容安排拓展任务，例如使用中国气象局、欧洲气象中心等站点了解气象要素观测数据、全球地面辐射资料，建立从概念到实际数据之间的联系，利用MICAPS系统中大气层结分析产品，理解有效势能、条件不稳定等基本概念，掌握大气静力稳定度分析方法的业务实践，实现感性和理性认识的结合。根据知识点教学需要，适时引入前沿学术成果和国内外科学实验开展情况，学生通过校园电子图书馆查阅文献和撰写课程报告，将大气物理学发展前沿引入课堂，实现经典内容与前沿的统一和课程的延伸。

依托于中国气象局共建实践教学基地与平台，通过课外实践任务，丰富和延伸大气科学理论和实践教学功能与能力，将课程教学内容做进一步拓展和应用。作为应用型本科高校，学生的应用实践能力培养是关键，通过局校共建、校企合作的形式，组成学校专任教师和校外专家教学团队，由教学内容孵化大学生学科竞赛主题，提升学生实践创新能力，再由课程内容的实践扩展来反向巩固理论知识，形成理论与实践的双向促进。

2.教学质量评价方法

培养高素质应用型人才必须对传统单一的教学评价方式与考核机制进行改革。重视对教学过程的考核、考试形式的改革，采取多元化的教学评价方式对教师进行考核，例如教学资源建设、教材内容的更新、信息化教学手段的应用等。对应用型高校学生学习成果的考查应该综合考虑平时成绩、考试成绩、课外实践成果等多个方面，例如形式性考核与考试成绩相结合，即以平时成绩(包括课程考勤、文献阅读与课程报告)占20%、课程实践(包括课程互动讨论与任务达成)占30%和期末考试占50%的比例得到最终成绩。科学合理的考核方式能够真实地反映学生过程性学习状况。

三、课程改革特色和实施成效

(一)改革特色

依托气象行业优势和国内外开源气象资料，局校专家共同参与大纲指定、课程内容优化、课程设计等，通过线上任务分发、线下导师制下小组研讨、气象虚拟实验和业务体验等形式，打造独具行业特色的实践教学模式。

课程团队采取了“四四二”教学理念，即“四策略”：从易到难策略、结合实际策略、团队学习策略、因学施教策略；“四方法”：理论讲授、课堂讨论、现场教学、业务实践等多种课堂教学方法；“二融合”：行业专家与本校教师的校企融合教学、科学研究反哺教学的研学融合。在学生、校内教师和行业专家的共同努力下，不断强化教学本领、丰富课程教学内涵、提升课程的教学质量。

(二)实施成效

课程教学体系进一步完善，课程灵活度和拓展性大幅提高，课堂气氛明显改善，学生积极性与主动性显著提高，线上线下互动活跃。局校双教师改革，结合多种实践教学平台，全方位提升了学生的应用创新能力，体现了地方应用型高校人才培养的定位。

课程模式改革受到同行专家的好评，在全国同类专业中起到了示范作用。通过多年的发展和积累，形成了独具特色和完备的知识体系和教学内容，出版的教材和制作的多媒体教学课件认可度高，被气象培训中心、国内大气科学专业高校和各级气象部门广泛使用。行业依托下的“四四二”教学模式受到业务部门高度认可，建设完成了业务需求导向的数字化精品开放课程，极大提高了业务培训的工作效率和教学效果。

结语

大气物理学课程作为地方应用型本科高校大气科学专业学生的首门专业基础课程，经过多年的建设，在教学内容更新优化、教学模式改革、产教融合等方面持续探索和实践，取得了初步成效。依托和继承了南京信息工程大学课程建设基础，本课程在地方应用型高校获得快速发展，教学改革模式初见成效，先后获得校级多媒体课件奖、江苏省在线精品开放课程、国家在线精品开放课程和国家一流本科生课程，出版江苏省重点教材《大气物理学》并获气象出版社优秀科技图书奖。