“大气探测学”本科教学改革的探索与应用

—以理论与实践结合的教学方法为中心

李卫军，舒守娟，曹  龙，毕  磊   

浙江大学地球科学学院大气科学系，浙江杭州，310058

[摘  要]：理论与实践是《大气探测学》课程中的两个重要环节。以浙江大学大气科学系《大气探测学》课程改革为例，本文分析了大气探测学改革的难点与重要性，提出了优化课程结构和知识组织、引入仪器实物、利用多媒体资源等理论教学方法，并结合实际剖析了实践内容任务化、校内平台建设规模化、校外实践基地合作紧密化等实践教学改革方法，以达到促进学生在实践中理解理论，在实践中运用理论的目的。本文旨在提高学生发现问题、提出问题、解决问题的能力，并培养学生的科学素养。

[关键词] 大气探测学；理论与实践；科学素养；教学改革

[基金项目] 2022年度浙江省普通本科高校“十四五”教学改革项目，从教走向学——混合式教学课程融合思政教育的探索与实践（项目编号：jg20220013）。

[作者简介] 李卫军（1980-）男（汉族），山西长治人，博士，浙江大学地球科学学院，“百人计划”研究员，研究方向：大气探测、大气气溶胶。

[中图分类号] G642.0    [文献标志码] A    

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1 引言

大气探测指借助各类仪器和装备对大气的物理和化学性质进行直接或间接的探测，是大气科学的核心学科之一^[1]。《大气探测学》是大气科学专业的基础必修课程，在大气科学专业培养方案中占有重要地位^[2]。专业知识理论与动手操作实践是《大气探测学》课程中的两个重要环节，通过教师传授专业知识，学生能够掌握大气探测的基本理论和探测仪器的构造及原理；而实践课程则能帮助学生熟悉各类大气探测仪器的操作和气象观测站的日常工作业务，理论与实践是该课程中重要的两个环节^[3]。

大气探测知识理论的广泛覆盖性和强大实用性让它成为实践的重要基石。大气探测的过程需要扎实理论知识的支撑，天气学、大气物理学、大气探测仪器原理与应用等理论知识在这一学科中交叉，共同构成了这门学科的基础。实践是《大气探测学》课程中重要的一部分，因为大气探测的方法、原理、技术最终都需要落实到对真实大气的观测和实际操作中。实践不仅可以将抽象的理论转化为具体的实际应用，以验证大气探测理论的正确性，更可以完善、拓展原有理论，发现新理论。在大气探测实践的过程中，能对当前学科发展阶段理论的复杂性和挑战性有更深入的理解，发现当前大气探测理论的局限性，这对不断完善和改进大气探测的理论知识框架和培养大气探测专业人才方面有着不可忽视的作用。

大气探测知识体系庞大，知识点分散且复杂^[4]。大气探测研究的具体对象是表征大气状态和成分的温度、湿度、气压、风、辐射、降水、垂直探测、大气环境等众多要素，且每一种要素有多种探测仪器和方法，都有各自不同的探测原理，因此在传统课堂学生被动接受知识的教学模式中，课堂效率与成效不高，学生难以掌握气象要素错综复杂的探测方法和原理，不能很好地落实到实践场合。

近年来，我国的大气探测技术正在向自动化、科技化方向快速发展，传统的掌握人工仪器观测和记录方法的实践课程体系已不再贴近气象观测站的现行业务^[5]，不能满足学生了解探测科技前沿理论、掌握最新气象观测方法的需求，单一的实践设计也和内容较广的理论知识有所脱节，学生难以深入地理解抽象理论，这对激发学生科研兴趣、培养气象观测人才产生了不利影响。因此，如何进行《大气探测学》课程的理论与实践教学，处理好理论与实践的关系，成为了这门课程改革的主要任务。

2 推进教学手段多样化，在实践中理解理论

 改进教学方法和提高教学质量一直是本课程改革的宗旨和核心。近几年本课程根据大气探测学的学科特点和发展前景积极采取措施，旨在推动课程改革和教学效果，使学生的基础理论知识更加扎实。在理论学习方面，教师在传统的班级授课中加入了多样化的教学手段，让抽象难懂的知识理论条理化、可视化，使学生更容易掌握大气探测的理论要点。

 为了应对大气探测理论知识面广、知识点分散的特点，课程改革通过修订教学大纲，使课程系统化、条理化，注重优化课程结构和知识组织。依据浙江大学大气科学培养方案、新时期大气科学人才培养目标以及《大气探测学》课程特点，精心梳理设计各章节授课内容与学时。新的授课内容打破了原有的地基观测、天基观测和空基观测这一传统的分类方法，而是以探测对象为主线，按照自然现象、探测仪器、探测原理、探测方法、实际应用、科研拓展等模块，将散乱的知识点整合成系统化的框架同时，在每堂课中引入天气现象、气象灾害、气候异常等真实案例分析，通过情景化引入，帮助学生将理论知识应用到实际问题中，提升他们的综合分析和解决问题的能力。

 为了帮助学生更好地理解大气探测仪器的使用方法及工作原理，在介绍每个气象要素的探测方法时都会在课堂中引入实物仪器，讲解仪器的构造与使用方法。同时，鼓励学生积极参与课堂，亲手拆开仪器观察内部构造及其组成部分，使学生能够更加直观地了解仪器的功能和结构，让抽象的理论具像化，让看不见的理论变为看得见的实物。比如，在介绍“便携式太阳辐射仪”的课程中，太阳辐射仪的内部构造和电路连接原理常容易被忽视，在教学时通过拆解辐射仪并观察其感应装置，并通过与教师的互动讨论，探讨仪器工作的细节和技术要点，有利于构建更深入、更全面的知识体系。

通过引入现代教育技术和多媒体资源，对课件内容和形式进行了优化，以提升教学效果。借助网络学习资源和交互式多媒体课件等工具，能够更生动、直观地展示和讲解抽象的概念和原理，激发学生的学习兴趣和参与度。在课件中，嵌入了大量的仪器演示视频和三维动画，让原本枯燥、抽象的大气探测原理变得更加生动、直观和易于理解，从而有效提高了教学效果。例如，在“云的识别”章节中，教师在课件中插入了不同种类云的图像，涵盖了三族十属的云图，直观地展示了不同云的高度和形态特征的差异，并通过谚语、动画等手段帮助学生记忆和理解，引导学生在生活中养成观察和探索的习惯，极大地激发了学生的学习兴趣。

3 提高学生动手能力，在实践中运用理论

 随着观测仪器的更新迭代和气象业务的快速发展，目前气象观测站已普遍采用自动观测系统来代替传统的人工手动观测。这种变化对大气探测实践教育提出了新的挑战和需求，传统的单一人工观测实践课程已经不再适应当前日益复杂的气象业务和技术要求。为了提高教学质量，适应新的气象观测模式和技术，本课程根据“立足当前、面向未来、兼顾历史”的原则对大气观测实践课程积极进行改革^[6]。为了使学生更好地结合理论知识与实践，在教学大纲中安排了16个学时的实践课程。由于人工观测仪器的构造和工作原理是大气探测的基础，这一块内容仍被保留在实践教学大纲中，在此基础上，为了更贴近实际气象业务，在实践课程中增加了更多的自动观测系统的应用和数据处理。通过实践课程，让学生在动手中领悟、在领悟中动手，更好地掌握大气探测仪器的基本原理和了解气象观测站现行业务^[2]。

 为了使学生能够将课堂上学到的理论知识与实际应用相联系，在实践课程中将观测内容任务化^[7]，引导学生利用所学知识，亲自操作大气探测仪器并进行数据处理和分析。如在“气压的测量”实践课程中，要求学生自定实验方案，利用空盒气压表、动槽式水银气压表、定槽式水银气压表等多种仪器测量气压并进行温度订正、重力订正、高度订正等一系列数据分析处理。这要求学生综合运用仪器操作技巧、气象知识和数据处理技能，从而加深对仪器原理和技术要点的理解。通过这样的实践锻炼，学生眼、手、脑并用，培养了学生的实践能力和技术熟练度。

 为了使理论教学与实践教学联系更紧密，加大了校内观测平台、实验室的建设力度，提供了学生在学习理论知识时观察相应大型仪器的机会，学生能够亲眼见到各种先进的监测设备和仪器，了解这些仪器在观测中的应用，以及它们的原理和操作方法，激发了学生对科研的兴趣，为他们未来的学术和职业发展提供了动力。

4 实践与理论相结合，共同提高学生科学素养

加强与气象观测站、实习基地和气象行业的合作。通过实地参观和与工作人员的互动，学生能够了解观测仪器的操作流程和注意事项，以及行业中的最新技术和应用趋势。浙江大学大气科学系与杭州市气象局达成实习合作，在《大气探测学》实践课时中，学生会到杭州市环境气象中心国家基准气候站与工作人员一同进行观测活动，如实地观摩探空气球垂直探测，与观测站业务人员进行深入的交流，这不仅提高了学生的动手操作能力，还使他们对观测工作的细节和挑战有了更深入的认识。

 课程改革的核心目标是培养学生的科学素养，使学生能够具备自主发现问题、探索问题和解决问题的能力^[8]。为了实现这一目标，必须不断促进理论与实践更好地结合。缺少理论的实践是无源之水，缺少实践的理论则只是纸上谈兵，两者相辅相成，共同发挥作用。课程建设和改革已初见成效，通过实践与理论的结合，学生科学素养明显提高。

 为了更好地培养学生的科学素养，部分课程内容采用项目化教学模式^[9]，教师引导学生以小组为单位自行确定研究主题，按照科学探究的步骤，即“提出问题、进行猜想和假设、制定计划和设计实验、获得事实与证据、检验与评价、表达与交流”，展开项目研究。在大气探测内容中，“云的观测”是一个重点内容。在制定本章教学大纲时，为了激发学生学习的积极性和主动性，我们转变了教学策略，引导学生长学期观察生活中的云，发现科学问题并自主确定研究选题，并通过查阅资料、小组讨论、利用校内平台的云高仪数据、结合天气观测结果等手段对云的特征、分类和演变特征进行拍照和视频并进行详细描述，并对先前的科学问题提出解决措施，并在期末考试前以小组形式进行PPT汇报展示。

在项目化教学前期，教师通过理论讲解，将实践经验与科学原理相结合，帮助学生建立起科学知识的框架，激发学生的学习兴趣。在项目化教学中期，教师可以引导学生发现问题或给予学生关于问题的建议，并鼓励学生通过实践和理论学习，逐步解决问题，在学生遇到困难时给予点拨而不是一味地讲述理论。问题驱动的学习可以培养学生的探究精神和解决问题的能力，同时加深对理论知识的理解和应用。在项目化教学后期，应制定合理的评价方式，可以用报告、展示、课堂讨论等方式来代替考试进行评价，这种评价方式改革了传统的书本知识考察唯一化方式，从而提升学生学习兴趣和科学素养。

在这一过程中，教师转变了传统的课堂单一授课的身份，而是作为项目的主导者，在理论和实践两方面引领学生参与整个项目。学生在探究的过程中加深对理论的理解，并通过实践获得经验和知识。这种探究性学习模式培养了学生的自主学习能力、问题解决能力和团队合作能力。教师的角色不仅是知识的传授者，更是学生学习的引导者和指导者。

5 结语

图1 课程改革的总结

大气探测课程改革要注重理论与实践有效结合的方法和策略，培养学生自主探究的科学素养。在理论教学过程中，要运用现代教育技术和多媒体资源让抽象的知识点可视化、情境化，使学生更容易接受。在设计实验课程大纲时，应拓展思路，积极探索，设计可以帮助学生更好应用知识理论的实践项目，引导学生提出问题从而驱动学习，着重培养学生的创新思维能力、独立思考能力和解决实际问题的能力。只有与大气探测的发展趋势相结合，才能让学生打下坚实理论与实践基础，不仅在毕业后迅速适应气象部门的工作岗位需求，并让该课程为大气科学专业学生学习后续的必修课程（如大气物理、大气化学、天气学、大气辐射等）打下良好的基础。综合应用理论与实践结合的方式，并持续进行改革，才能培养新时代大气科学人才。

[参考文献]

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[2] 张培昌, 顾松山, 王振会, 等 气象万千探本索源——南京信息工程大学“大气探测学科”发展历程回顾与展望 [J]. 大气科学学报, 2021, 44(02): 165-77.

[3] 张文煜, 仝纪龙, 袁铁, 等 “大气探测学”精品课程的建设思路及效果分析 [J]. 高等理科教育, 2007, (06): 31-3.

[4] 刘西川, 胡帅, 赵世军. 应用气象学专业“大气探测学”课程教学改革探索——以“降水测量”为例 [J]. 教育教学论坛, 2021, (01): 74-7.

[5] 楚志刚, 吴迪. 新形势下如何有效开展《大气探测学》实践教学 [J]. 教育教学论坛, 2015, (47): 152-3.

[6] 李艳伟, 牛生杰. 有关《大气探测》课程建设的几点思考 [J]. 气象教育与科技, 2006, (3): 4.

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[8] 仝纪龙, 王皓, 张文煜, 等 有效运用科学哲学思想促进“大气探测学”精品课程建设 [J]. 高等理科教育, 2009, (05): 92-4.

[9] 夏雪梅. 学科项目化学习设计:融通学科素养和跨学科素养 [J]. 人民教育, 2018, (01): 61-6.

Exploration and Application of Teaching Methods for Combining Theory and Practice in Atmospheric Sounding

Weijun Li, Shoujuan Shu, Long Cao, Lei Bi

Department of Atmospheric Sciences, School of Earth Sciences, Zhejiang University, Hangzhou, China,

Abstract: Theory and practice are two important components in the course of Atmospheric Measurements. Taking the reform of the Atmospheric Measurements course in the Department of Atmospheric Sciences of Zhejiang University as an example, this paper analyzes the challenges and significance of the reform of Atmospheric Measurements, puts forward the optimization of the course structure and knowledge organization, introduces the instrument in physical form, utilizes the multimedia resources, etc. Furthermore, this paper analyzes the teaching reform methods such as tasking the practical content, increasing the construction of on-campus platforms, and strengthening the cooperation of off-campus practice bases in combination with practice, so that students can understand the theory in practice and apply the theory in practice. This paper aims to improve students' ability to find problems, raise problems and solve problems, so as to cultivate students' scientific literacy.

Key words: Atmospheric Measurements, Theory and practice, scientific literacy, teaching reform