胡軼佳 朱益民 黃小剛 孫源 姚瑤

摘? 要：培養(yǎng)核心素養(yǎng)是研究生教育的重要目標(biāo)。氣候預(yù)測(cè)建模實(shí)驗(yàn)課致力于培養(yǎng)氣象學(xué)研究生的核心素養(yǎng)，通過(guò)做氣候分析和預(yù)測(cè)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，提高研究生的動(dòng)手能力，增強(qiáng)科學(xué)技術(shù)素養(yǎng);通過(guò)數(shù)學(xué)原理講解和數(shù)學(xué)建模，夯實(shí)理論基礎(chǔ)，提高研究生的數(shù)學(xué)素養(yǎng);將思政元素融入到實(shí)驗(yàn)課中，增強(qiáng)研究生的社會(huì)責(zé)任感和社會(huì)服務(wù)意識(shí)。課堂引入前沿知識(shí)，拓寬研究生的學(xué)術(shù)視野。通過(guò)這樣的教學(xué)改革實(shí)踐，氣象學(xué)研究生的培養(yǎng)質(zhì)量有較大的提高。

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng);實(shí)驗(yàn)課;研究生

中圖分類(lèi)號(hào)：G643? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：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

中國(guó)的教育改革歷經(jīng)幾十年的發(fā)展歷程：在20世紀(jì)70年代，中國(guó)教育的目標(biāo)以強(qiáng)化基礎(chǔ)知識(shí)、培養(yǎng)基本技能為主。到了80年代，教育目標(biāo)轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)展智力和培養(yǎng)能力。90年代，提出了培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)的新目標(biāo)，強(qiáng)調(diào)“德育為先，能力為重，全面發(fā)展”。隨著教育改革的不斷推進(jìn)，2014年《教育部關(guān)于全面深化課程改革落實(shí)立德樹(shù)人根本任務(wù)的意見(jiàn)》發(fā)布，正式提出了培養(yǎng)“核心素養(yǎng)”的教育目標(biāo)，成為當(dāng)前教育研究和教學(xué)實(shí)踐關(guān)注的重點(diǎn)。

此后，核心素養(yǎng)在廣大中、小學(xué)課程中得到了廣泛的實(shí)踐和持續(xù)的研究。但高校的研究生教育如何構(gòu)建以核心素養(yǎng)為目標(biāo)的課程教學(xué)體系還沒(méi)有得到重視和研究。研究生教育是最高層次的教育，肩負(fù)著為建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)家培養(yǎng)大批拔尖創(chuàng)新人才的重要使命[1]。因此，需要進(jìn)一步明確研究生核心素養(yǎng)的內(nèi)涵，創(chuàng)新研究生的課程培養(yǎng)體系和課程教學(xué)方式，使研究生能夠比本科生具備更高階的學(xué)習(xí)能力、生活能力、獨(dú)立探索能力、創(chuàng)新能力和批判思維能力等，培養(yǎng)他們的科學(xué)精神和科學(xué)素養(yǎng)，使其成為更具競(jìng)爭(zhēng)力的高層次人才。為此，國(guó)防科技大學(xué)氣象海洋學(xué)院在氣象學(xué)專(zhuān)業(yè)研究生的氣候預(yù)測(cè)建模實(shí)驗(yàn)課程中積極開(kāi)展了以“核心素養(yǎng)”培養(yǎng)目標(biāo)為導(dǎo)向的教學(xué)實(shí)踐改革，為提高國(guó)防科技大學(xué)研究生人才培養(yǎng)質(zhì)量和學(xué)?！半p一流”建設(shè)進(jìn)行了積極的探索。

一、“核心素養(yǎng)”的內(nèi)涵

核心素養(yǎng)的英文表達(dá)是“Key Competencies”。“Key”是指核心的、最重要的、關(guān)鍵的，而“Competencies”是指能力?？梢?jiàn)，“核心素養(yǎng)”從英文表達(dá)來(lái)看是指最關(guān)鍵和重要的能力。1997年12月國(guó)際經(jīng)濟(jì)合作和發(fā)展組織 （OECD）開(kāi)啟了國(guó)際學(xué)生評(píng)估計(jì)劃，并通過(guò)此項(xiàng)計(jì)劃同步啟動(dòng)了“素養(yǎng)的界定與遴選：理論與概念基礎(chǔ)（DeSeCo）”項(xiàng)目。通過(guò)幾年的研究，OECD在2002年的DeSeCo報(bào)告中給出了“素養(yǎng)”定義，即成功地滿(mǎn)足要求或完成任務(wù)的能力，包括認(rèn)知能力和非認(rèn)知能力[2]。而“核心素養(yǎng)”是指特定的能力，是指能夠使個(gè)人有效參與多項(xiàng)競(jìng)爭(zhēng)或社會(huì)領(lǐng)域活動(dòng)，幫助個(gè)人在社會(huì)中成功生活的能力。核心素養(yǎng)包括行動(dòng)能力、交互使用工具（語(yǔ)言、知識(shí)、信息和新技術(shù)）的能力以及適應(yīng)社會(huì)群體和發(fā)揮作用的能力。在2005年DeSeCo項(xiàng)目發(fā)布的《行動(dòng)綱要》里進(jìn)一步延伸了核心素養(yǎng)的內(nèi)涵，即為個(gè)人實(shí)現(xiàn)自我價(jià)值、促進(jìn)終身發(fā)展、融入主流社會(huì)和充分就業(yè)所必需的知識(shí)、技能及態(tài)度的集合[3]。此后，歐盟、聯(lián)合國(guó)教科文組織以及美國(guó)、澳大利亞等國(guó)家紛紛提出了“核心素養(yǎng)”的解讀和界定，雖然各國(guó)家和組織提出的核心素養(yǎng)的內(nèi)涵有所區(qū)別，但基本涵蓋了以下素養(yǎng)：語(yǔ)言素養(yǎng)、數(shù)學(xué)素養(yǎng)、學(xué)習(xí)能力、問(wèn)題解決能力、溝通和交流、團(tuán)隊(duì)協(xié)作、信息技術(shù)素養(yǎng)、自我規(guī)范能力、創(chuàng)新和創(chuàng)造力和國(guó)際視野等[4]。

二、氣象學(xué)專(zhuān)業(yè)研究生的核心素養(yǎng)要求

氣象學(xué)是大氣科學(xué)的一個(gè)分支，是研究大氣中物理現(xiàn)象和物理過(guò)程及其變化規(guī)律的學(xué)科?，F(xiàn)代氣象學(xué)的發(fā)展經(jīng)歷了兩百多年的歷史，是一門(mén)年輕的學(xué)科。在十八世紀(jì)的萌芽階段，人們以經(jīng)驗(yàn)和感性的認(rèn)識(shí)來(lái)解釋天氣現(xiàn)象。伴隨著物理學(xué)和化學(xué)理論的發(fā)展以及氣壓、溫度、濕度和風(fēng)等測(cè)量?jī)x器的陸續(xù)發(fā)明，氣象學(xué)的發(fā)展開(kāi)始由定性的判斷轉(zhuǎn)為定量的分析和預(yù)報(bào)。在近代，計(jì)算機(jī)技術(shù)、雷達(dá)、激光和衛(wèi)星等探測(cè)新技術(shù)的飛速進(jìn)步，大大促進(jìn)了氣象學(xué)的發(fā)展。特別是近幾年來(lái)，信息科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展，海量氣象大數(shù)據(jù)（包括地面、高空、海洋、輻射、農(nóng)氣、雷達(dá)、衛(wèi)星資料等數(shù)據(jù)）的廣泛應(yīng)用，以及人工智能技術(shù)的普及和應(yīng)用，使得天氣預(yù)報(bào)和氣候預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確率越來(lái)越高，氣象學(xué)的發(fā)展步入到新的時(shí)代。

在這樣的發(fā)展背景下，必然對(duì)氣象學(xué)專(zhuān)業(yè)研究生的核心素養(yǎng)提出了更高的要求。氣象學(xué)專(zhuān)業(yè)的研究生是從事氣象學(xué)科中大氣物理、大氣探測(cè)、大氣化學(xué)、氣候?qū)W、海氣相互作用等領(lǐng)域研究的高層次人才。而從氣象學(xué)發(fā)展史來(lái)看，氣象學(xué)的發(fā)展得益于物理學(xué)、化學(xué)等科學(xué)的發(fā)展，因此，氣象學(xué)專(zhuān)業(yè)的研究生首先需要具備深厚的科學(xué)素養(yǎng)，打好科學(xué)理論基礎(chǔ)，才能更深入地理解支配大氣運(yùn)動(dòng)、天氣和地球系統(tǒng)相互作用的物理規(guī)律。

萬(wàn)物皆數(shù)，氣象學(xué)也不例外。氣象學(xué)是一門(mén)理科學(xué)科，是以數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)的學(xué)科，所有的氣象學(xué)理論均可以通過(guò)數(shù)學(xué)去表達(dá)。如目前所有的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式，其動(dòng)力框架都采用同一套大氣動(dòng)力學(xué)方程組，且其他物理過(guò)程，如降水過(guò)程、陸面過(guò)程、海氣相互作用等都是用數(shù)學(xué)公式來(lái)描述的?？梢?jiàn)，要理解氣象學(xué)理論必須要具備扎實(shí)的數(shù)學(xué)素養(yǎng)。

而在信息化時(shí)代，氣象大數(shù)據(jù)迎來(lái)了大爆發(fā)，海量的氣象大數(shù)據(jù)中蘊(yùn)含著大量不為人知的聯(lián)系和奧秘。要能利用好衛(wèi)星、雷達(dá)、飛機(jī)和船舶等測(cè)量的氣象大數(shù)據(jù)，從中提取有用信息應(yīng)用于天氣預(yù)報(bào)和氣候預(yù)測(cè)，并借助人工智能技術(shù)提高天氣氣候預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率，需要研究生具備學(xué)習(xí)、掌握和利用這些新技術(shù)并應(yīng)用于氣象的素養(yǎng)。

我國(guó)的氣象學(xué)雖然已經(jīng)取得了長(zhǎng)足發(fā)展，但與國(guó)外仍然有一定差距，這就要求研究生要有國(guó)際視野，善于學(xué)習(xí)國(guó)外的先進(jìn)理論成果和經(jīng)驗(yàn)。而且，氣象專(zhuān)業(yè)的研究生畢業(yè)后，大多進(jìn)入到氣象保障的服務(wù)行業(yè)中，而氣象方面的工作大多社會(huì)服務(wù)性強(qiáng)，公眾關(guān)注度高，因此需要?dú)庀髮W(xué)研究生具備很強(qiáng)的社會(huì)責(zé)任感和社會(huì)服務(wù)意識(shí)等素養(yǎng)。此外，作為氣象學(xué)的研究生，要和其他研究生一樣，具備學(xué)習(xí)能力、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力以及創(chuàng)新能力，這些素養(yǎng)是氣象學(xué)研究生和其他專(zhuān)業(yè)研究生的通用核心素養(yǎng)。

三、以核心素養(yǎng)培養(yǎng)為目標(biāo)的實(shí)驗(yàn)課教學(xué)實(shí)踐——以氣候預(yù)測(cè)建模實(shí)驗(yàn)課為例

實(shí)驗(yàn)課是以做實(shí)驗(yàn)為教學(xué)方式的課程，對(duì)于學(xué)生加深理論知識(shí)的進(jìn)一步理解和提高動(dòng)手能力具有重要的意義。而氣候預(yù)測(cè)建模實(shí)驗(yàn)，是國(guó)防科技大學(xué)氣象海洋學(xué)院氣象學(xué)專(zhuān)業(yè)研究生的一門(mén)選修課，該課程系統(tǒng)介紹各種氣候預(yù)測(cè)方法的數(shù)學(xué)原理和物理基礎(chǔ)以及目前最常用的氣候預(yù)測(cè)建模方法，并提供大量預(yù)測(cè)實(shí)例、氣象數(shù)據(jù)和參考程序供研究生做氣候預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)，是一門(mén)應(yīng)用性強(qiáng)、理論與實(shí)踐緊密結(jié)合的課程。該課程是我院大氣科學(xué)學(xué)科氣候變化與國(guó)防安全研究方向的重要內(nèi)容，對(duì)于研究生掌握氣候預(yù)測(cè)建模方法，研究短期氣候預(yù)測(cè)技術(shù)和氣候變化機(jī)理，從事氣候研究和氣候預(yù)測(cè)保障工作有重要意義。而為了培養(yǎng)氣象學(xué)研究生的核心素養(yǎng)，我們對(duì)實(shí)驗(yàn)課做了以下改革實(shí)踐。

（一）提高科研實(shí)踐能力，增強(qiáng)科學(xué)技術(shù)素養(yǎng)

研究生和本科生一大不同點(diǎn)在于：研究生開(kāi)始進(jìn)行科學(xué)研究的系統(tǒng)訓(xùn)練，需要具備獨(dú)立開(kāi)展科學(xué)研究的能力。因此，科學(xué)素養(yǎng)是其要打造的最重要的核心素養(yǎng)之一。美國(guó)科學(xué)促進(jìn)委員會(huì)在“2061計(jì)劃”叢書(shū)中的《面向全體美國(guó)人的科學(xué)》中給出的科學(xué)素養(yǎng)的定義為：熟悉自然界、尊重自然界的統(tǒng)一性;懂得科學(xué)、數(shù)學(xué)和技術(shù)相互依賴(lài)的一些重要方法;了解科學(xué)的一些重大概念和原理;有科學(xué)思維的能力;認(rèn)識(shí)到科學(xué)、數(shù)學(xué)和技術(shù)是人類(lèi)共同的事業(yè)，認(rèn)識(shí)它們的長(zhǎng)處和局限性。同時(shí)，還應(yīng)該運(yùn)用科學(xué)知識(shí)和思維方法處理個(gè)人和社會(huì)問(wèn)題[5]?？梢?jiàn)，科學(xué)知識(shí)、科學(xué)思維、科學(xué)精神和應(yīng)用科學(xué)技術(shù)的能力是核心素養(yǎng)的主要要素，需要實(shí)驗(yàn)課也要圍繞著培養(yǎng)研究生科學(xué)素養(yǎng)這一教育目標(biāo)和幾大要素來(lái)開(kāi)展教學(xué)實(shí)施。

因此，氣候預(yù)測(cè)建模實(shí)驗(yàn)課瞄準(zhǔn)提高研究生科學(xué)素養(yǎng)這一目標(biāo)，對(duì)研究生需要具備的基本科研實(shí)踐能力，包括編程能力、繪圖能力和撰寫(xiě)科研論文的能力等進(jìn)行了針對(duì)性的訓(xùn)練。首先，編程和繪圖軟件是進(jìn)行氣象學(xué)研究必備的工具，實(shí)驗(yàn)課的所有實(shí)驗(yàn)需要通過(guò)一些計(jì)算機(jī)語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)，并通過(guò)繪圖軟件進(jìn)行可視化分析。氣象上常用的編程和繪圖工具包括Fortran、Matlab、Python、NCL和Grads等，而國(guó)防科技大學(xué)的人才培養(yǎng)方案已經(jīng)設(shè)定在本科階段學(xué)習(xí)Python、Matlab、C等計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言，但這些本科生在進(jìn)入研究生階段后，還不具備熟練運(yùn)用這些計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言以及繪圖工具進(jìn)行氣象數(shù)據(jù)的編程處理和可視化繪圖的能力。為提高研究生的計(jì)算編程能力，我們精心設(shè)計(jì)了六大模塊的氣候分析和預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)，要求研究生利用計(jì)算機(jī)編程去實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。但對(duì)研究生采用哪種工具語(yǔ)言并不設(shè)限，只要擅長(zhǎng)使用即可，鼓勵(lì)他們提供不拘一格的實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這是一種適合研究生的個(gè)性化培養(yǎng)的方式。通過(guò)這些實(shí)驗(yàn)的訓(xùn)練后，本科階段有較好計(jì)算機(jī)學(xué)習(xí)基礎(chǔ)的研究生可以很快上手編程實(shí)現(xiàn)自己的想法，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行繪圖可視化分析，為他們從事后面的課題研究和完成畢業(yè)論文打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

另外，這門(mén)課的實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求完全按照科研論文的寫(xiě)作要求進(jìn)行撰寫(xiě)，即研究生提交的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，必須涵蓋科研論文所必備的幾塊內(nèi)容：引言、數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)方法、結(jié)果分析和小結(jié)。其中，如何對(duì)圖進(jìn)行分析表達(dá)，圖、表的繪制方式，以及圖題和表題的撰寫(xiě)方式，老師都會(huì)給予細(xì)致的指導(dǎo)和要求。對(duì)于部分工作量大、難度較高的實(shí)驗(yàn)，要求他們分成3～4人的實(shí)驗(yàn)小組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，小組成員之間需要深度合作，才能完成課題。且在提交團(tuán)隊(duì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告時(shí)，需要標(biāo)注團(tuán)隊(duì)每個(gè)成員的貢獻(xiàn)，這也是現(xiàn)行國(guó)際高檔次SCI期刊的要求。通過(guò)這樣的訓(xùn)練，研究生可以了解科研論文的寫(xiě)作模式，迅速掌握科研論文寫(xiě)作技巧，為后面撰寫(xiě)科研論文和畢業(yè)論文打下基礎(chǔ)。

除了上述科學(xué)研究基本能力的訓(xùn)練培養(yǎng)，培養(yǎng)研究生的科學(xué)探究精神也是這門(mén)氣候預(yù)測(cè)建模實(shí)驗(yàn)課所追求的更高層次的目標(biāo)。科學(xué)探究精神是驅(qū)動(dòng)科技發(fā)展進(jìn)步的基本動(dòng)力，對(duì)科學(xué)真理的不懈追求是許多科學(xué)家的目標(biāo)。2020年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者詹妮弗·杜德納說(shuō)：“好奇心、求知欲和理解力是我生命中最強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)力”。可見(jiàn)，激發(fā)研究生對(duì)氣象學(xué)的好奇心、熱愛(ài)和求知欲，才能讓他們?cè)诤竺娴膶W(xué)習(xí)和研究中獲得持久的動(dòng)力。為了達(dá)到這一目標(biāo)，氣候預(yù)測(cè)建模實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)了很多與時(shí)俱進(jìn)的實(shí)驗(yàn)，即實(shí)驗(yàn)的設(shè)置與最新的氣候狀況相掛鉤，不是一成不變的。如2020年，長(zhǎng)江中下游地區(qū)遭遇了50年一遇的洪澇災(zāi)害，超長(zhǎng)待機(jī)梅雨在梅雨量和梅雨期持續(xù)時(shí)間方面都創(chuàng)造了歷史記錄。因此我們?cè)?021學(xué)年這門(mén)課開(kāi)展的部分實(shí)驗(yàn)就是分析2020年夏季超長(zhǎng)待機(jī)梅雨的氣候異常成因和機(jī)理，匯報(bào)其梅雨強(qiáng)度。研究生在親身經(jīng)歷這些極端氣候事件和氣候異常后，會(huì)獲得很多感性的認(rèn)識(shí)，疊加自己分析的結(jié)果，能加深對(duì)這一年氣候異常的認(rèn)識(shí)。

實(shí)驗(yàn)課的實(shí)驗(yàn)難度設(shè)置由易到難，讓研究生能循序漸進(jìn)，逐漸上手編程試驗(yàn)，體驗(yàn)到做實(shí)驗(yàn)的快樂(lè)感和成就感，增強(qiáng)對(duì)這門(mén)課和本學(xué)科研究的興趣。而當(dāng)他們遇到問(wèn)題的時(shí)候，研究生需要通過(guò)自己的探究以及和同伴之間的合作去尋求解決的途徑。通常，搜索相關(guān)的文獻(xiàn)和參考程序可以幫助他們解決部分理論和技術(shù)問(wèn)題。研究生也可以通過(guò)跟老師討論的方式獲取有用的建議，在討論過(guò)程中，老師的角色是引導(dǎo)者，而非教導(dǎo)者。老師只給研究生提供一些參考建議，而非直接告訴他們?cè)趺醋觥熒g的討論不局限于空間和時(shí)間的，微信群、視頻會(huì)議等現(xiàn)代技術(shù)手段給了師生之間更好的交流環(huán)境。這樣，可以更好地培養(yǎng)研究生的自主學(xué)習(xí)能力和科學(xué)探究能力。

（二）夯實(shí)理論基礎(chǔ)，提高數(shù)學(xué)素養(yǎng)

數(shù)學(xué)素養(yǎng)首先表現(xiàn)為理解數(shù)學(xué)原理的能力。氣候預(yù)測(cè)建模實(shí)驗(yàn)課講授目前主流的氣候預(yù)測(cè)統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)方法和動(dòng)力預(yù)測(cè)方法，如經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解、典型相關(guān)分析、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和氣候數(shù)值模式等方法，而這些方法應(yīng)用于氣候預(yù)測(cè)的本質(zhì)是數(shù)學(xué)建模，即在理解這些方法的數(shù)學(xué)原理的基礎(chǔ)上建立數(shù)學(xué)模型，并通過(guò)計(jì)算機(jī)語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)對(duì)未來(lái)氣候的預(yù)測(cè)。氣象學(xué)作為一門(mén)理科專(zhuān)業(yè)，對(duì)研究生的數(shù)學(xué)功底要求很高，因?yàn)橐斫膺@些方法的數(shù)學(xué)原理，需要綜合利用本科階段所學(xué)習(xí)的高等數(shù)學(xué)、線(xiàn)性代數(shù)、數(shù)學(xué)物理方程等基礎(chǔ)課程知識(shí)，并對(duì)本課程所涉及到的數(shù)學(xué)方程進(jìn)行細(xì)致的推導(dǎo)，才能更深刻地理解這些氣候預(yù)測(cè)方法的數(shù)學(xué)原理。同時(shí)，也需要教師在這門(mén)課的講授環(huán)節(jié)對(duì)各種氣候預(yù)測(cè)方法的數(shù)學(xué)原理進(jìn)行深入淺出的闡述，而非枯燥的推導(dǎo)這些晦澀復(fù)雜的方程，提高研究生對(duì)數(shù)學(xué)原理方法的興趣和認(rèn)識(shí)。否則，在沒(méi)有理解這些方法原理之前就直接讓研究生利用現(xiàn)成的模型程序去建模實(shí)驗(yàn)，很容易使他們?cè)谟?jì)算編程和預(yù)測(cè)結(jié)果分析等實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)產(chǎn)生迷惑。

數(shù)學(xué)素養(yǎng)還包括利用數(shù)學(xué)去解決實(shí)際科學(xué)問(wèn)題的能力，即在理解數(shù)學(xué)原理的基礎(chǔ)上，利用數(shù)學(xué)作為工具，去表達(dá)、建模、計(jì)算和解釋與氣候?qū)W有關(guān)的科學(xué)問(wèn)題。科學(xué)的本質(zhì)都是數(shù)學(xué)。畢達(dá)哥拉斯說(shuō)：“萬(wàn)物皆數(shù)?！敝臄?shù)學(xué)家高斯說(shuō)：“數(shù)學(xué)是科學(xué)之王?！倍鴼夂蝾A(yù)測(cè)建模所涉及到的氣候?qū)W，完全可以利用數(shù)學(xué)去表達(dá)支配氣候變化和氣候系統(tǒng)內(nèi)部相互作用的基本原理，這體現(xiàn)了科學(xué)與數(shù)學(xué)的協(xié)同之美。這門(mén)實(shí)驗(yàn)課的學(xué)習(xí)，需要讓研究生加深對(duì)數(shù)學(xué)和氣候預(yù)測(cè)之間關(guān)系的認(rèn)識(shí)，增強(qiáng)他們利用數(shù)學(xué)去解釋氣候異常現(xiàn)象、尋找氣候預(yù)測(cè)因子，并進(jìn)行氣候預(yù)測(cè)的能力，理解數(shù)學(xué)與氣候?qū)W之間的聯(lián)系。

數(shù)學(xué)素養(yǎng)還包括一些數(shù)學(xué)觀念和價(jià)值觀。事實(shí)上，數(shù)學(xué)之美在于它的簡(jiǎn)潔，任何復(fù)雜的科學(xué)最終都可以用簡(jiǎn)潔的數(shù)學(xué)去表達(dá)它。氣候?qū)W上最重要的概念就是時(shí)間尺度，在不同的時(shí)間尺度上，可以把其他時(shí)間尺度的噪音去除掉，留下該時(shí)間尺度上的氣候變化信號(hào)，并用更為簡(jiǎn)潔的數(shù)學(xué)進(jìn)行表達(dá)。如北太平洋年代際振蕩（PDO），是一個(gè)10年以上的長(zhǎng)時(shí)間尺度的氣候變化特征，是北太平洋海溫主分量分析的第一模態(tài)，代表了北太平洋海溫年代際尺度變化的最主要的特征。讓學(xué)生利用主分量分析，可以很容易地提取出來(lái)這種氣候變化的模態(tài)，而這種模態(tài)僅僅表現(xiàn)為熱帶太平洋與北太平洋海溫的反位相，這是海溫變化在長(zhǎng)時(shí)間尺度上體現(xiàn)出來(lái)的主要特征，體現(xiàn)出自然界和諧和簡(jiǎn)潔的特征。學(xué)生理解了這種用數(shù)學(xué)表達(dá)自然的簡(jiǎn)潔性，也能更加深入理解氣候變化規(guī)律，數(shù)學(xué)素養(yǎng)隨之增強(qiáng)。

（三）融入思政元素，增強(qiáng)社會(huì)責(zé)任感和社會(huì)服務(wù)意識(shí)

培養(yǎng)研究生的核心素養(yǎng)，最重要的是要解決“培養(yǎng)什么樣的人？”這個(gè)根本問(wèn)題。而要在課程教育中解決這個(gè)根本問(wèn)題，需要把課程思政建設(shè)作為落實(shí)立德樹(shù)人根本任務(wù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，堅(jiān)持知識(shí)傳授與價(jià)值引領(lǐng)相統(tǒng)一。因此，在氣候預(yù)測(cè)建模實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)改革過(guò)程中，我們力求將思政元素融入到課堂上，守好自己的一段渠，種好自己的責(zé)任田。眾所周知，隨著全球變暖對(duì)氣候影響的加劇，極端氣候事件頻發(fā)，如2018年雨雪冰凍災(zāi)害、2019年夏季中國(guó)的極端高溫天氣、2020年極端梅汛期降水帶來(lái)的洪澇災(zāi)害等，給人們帶來(lái)極大的影響。人們?cè)絹?lái)越關(guān)注氣候變化對(duì)人類(lèi)生活和社會(huì)的影響。而能否提前準(zhǔn)確預(yù)測(cè)氣候的異常變化，直接影響我國(guó)防汛抗旱等工作的決策和部署，對(duì)于防災(zāi)減災(zāi)具有重要的作用。

而目前存在的一個(gè)普遍問(wèn)題是，很多氣象學(xué)研究生即使在學(xué)習(xí)本專(zhuān)業(yè)很多年后，仍然缺乏氣象學(xué)專(zhuān)業(yè)認(rèn)同感，不清楚學(xué)習(xí)本專(zhuān)業(yè)的社會(huì)價(jià)值和作用，也沒(méi)有明確職業(yè)發(fā)展方向，這是需要老師解決的問(wèn)題。因此，在實(shí)驗(yàn)課的思政教育中，需要努力挖掘與氣候預(yù)測(cè)建模相關(guān)的思政元素，增強(qiáng)研究生的社會(huì)責(zé)任感和對(duì)所從事職業(yè)的認(rèn)同感。在氣候預(yù)測(cè)建模實(shí)驗(yàn)課的改革實(shí)踐過(guò)程中，我們通過(guò)大量的氣候預(yù)測(cè)保障實(shí)例，為研究生講解準(zhǔn)確預(yù)測(cè)未來(lái)氣候?qū)ι鐣?huì)產(chǎn)生的價(jià)值和意義，以及研究生畢業(yè)以后的職業(yè)發(fā)展和承擔(dān)的社會(huì)責(zé)任。例如，在講解氣候的動(dòng)力預(yù)測(cè)方法這節(jié)課時(shí)，我們介紹了中國(guó)的氣候動(dòng)力模式的發(fā)展歷史。氣候模式的發(fā)展不但體現(xiàn)了一個(gè)國(guó)家的科學(xué)水平的發(fā)展，也體現(xiàn)了超算等技術(shù)的發(fā)展，是一個(gè)國(guó)家綜合軟實(shí)力的集中體現(xiàn)。我國(guó)雖然是利用氣候系統(tǒng)模式開(kāi)展氣候預(yù)測(cè)日常業(yè)務(wù)的少數(shù)國(guó)家之一，但所用模式無(wú)論從分辨率還是從物理方案等方面都較國(guó)際水平仍有差距。因此，我國(guó)的科學(xué)家在改進(jìn)和發(fā)展我國(guó)的模式方面做了大量的工作，敢于啃硬骨頭、挑擔(dān)子，使得我們的氣候模式發(fā)展終于躋身前列，參加了多次政府間氣候評(píng)估報(bào)告的氣候模擬預(yù)測(cè)工作。而作為氣象專(zhuān)業(yè)的研究生，承擔(dān)著追趕國(guó)際先進(jìn)水平、服務(wù)國(guó)家需求和推進(jìn)我國(guó)氣象事業(yè)發(fā)展這三個(gè)目標(biāo)的重任。通過(guò)這樣的思政教育，可以明確研究生的未來(lái)的職業(yè)發(fā)展方向，增強(qiáng)其職業(yè)認(rèn)同感和社會(huì)責(zé)任感。

另外，氣候預(yù)測(cè)建模課程還強(qiáng)調(diào)研究生的學(xué)術(shù)道德培養(yǎng)。學(xué)術(shù)道德是學(xué)術(shù)研究中必須遵循的規(guī)則與規(guī)范。而如今學(xué)術(shù)失范行為頻發(fā)，其中也不乏研究生的身影。論文剽竊、一稿多投、篡改數(shù)據(jù)、學(xué)術(shù)造假等學(xué)術(shù)失范行為已嚴(yán)重影響學(xué)術(shù)環(huán)境，甚至影響國(guó)家的學(xué)術(shù)形象和創(chuàng)新力。因此，要通過(guò)這門(mén)實(shí)驗(yàn)課增強(qiáng)研究生的學(xué)術(shù)道德教育，在研究生做氣候預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)和提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告的時(shí)候，尤其要強(qiáng)調(diào)不能為了完成任務(wù)而剽竊別人的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，或者篡改結(jié)果數(shù)據(jù)。一經(jīng)發(fā)現(xiàn)，會(huì)嚴(yán)重影響平時(shí)成績(jī)。通過(guò)一些反面案例，講解學(xué)術(shù)不端行為的危害性。通過(guò)這些反面事例，強(qiáng)化研究生對(duì)學(xué)術(shù)道德和態(tài)度的認(rèn)識(shí)，提高他們辨別是非的能力。做到嚴(yán)于律己，明確有所為和有所不為的尺度規(guī)范，切實(shí)提高研究生的學(xué)術(shù)道德水平和學(xué)術(shù)道德修養(yǎng)，養(yǎng)成學(xué)術(shù)誠(chéng)信意識(shí)。

（四）介紹前沿知識(shí)，拓寬學(xué)術(shù)視野

習(xí)近平總書(shū)記在黨的十九大報(bào)告中就提出：“要培養(yǎng)造就一大批具有國(guó)際水平的戰(zhàn)略科技人才、科技領(lǐng)軍人才、青年科技人才和高水平創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)?！倍芯可逃鳛槲覈?guó)科技人才培養(yǎng)的高地，更應(yīng)將國(guó)際視野的培養(yǎng)作為研究生的核心素養(yǎng)培養(yǎng)目標(biāo)。因此，氣候預(yù)測(cè)建模實(shí)驗(yàn)課不僅僅局限在講授課程標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)的基本知識(shí)和基本技能，而是不斷將目前氣候預(yù)測(cè)方面的前沿知識(shí)引入到課堂，介紹與課程內(nèi)容相關(guān)的氣候預(yù)測(cè)領(lǐng)域的國(guó)內(nèi)外相關(guān)前沿文獻(xiàn)，這無(wú)疑是對(duì)課程內(nèi)容最好的補(bǔ)充。如在講解完某種氣候預(yù)測(cè)方法的原理后，再補(bǔ)充該種方法在氣候預(yù)測(cè)中的應(yīng)用實(shí)例以及未來(lái)的發(fā)展等相關(guān)文獻(xiàn)，有利于加深研究生對(duì)課程內(nèi)容的理解，開(kāi)闊他們的思路，習(xí)得這種方法的具體應(yīng)用情景和應(yīng)用方法。事實(shí)上，科學(xué)研究最重要的就是要掌握一定的科學(xué)研究方法，而通過(guò)介紹前沿知識(shí)，有利于研究生學(xué)習(xí)前人的科學(xué)研究方法，掌握研究科學(xué)問(wèn)題的一般程序和規(guī)則，增強(qiáng)科學(xué)研究的科學(xué)性、規(guī)范性和解釋力，提高撰寫(xiě)科研論文的質(zhì)量，為將來(lái)從事研究工作和撰寫(xiě)畢業(yè)論文奠定基礎(chǔ)。

同時(shí)，實(shí)驗(yàn)課還會(huì)在課堂上介紹一些相關(guān)外文文獻(xiàn)供研究生在課后參考自學(xué)，這對(duì)拓寬研究生的國(guó)際視野非常有利。事實(shí)上，我國(guó)的氣象學(xué)發(fā)展水平與一些發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)，如美國(guó)、歐洲、日本等在某些方面還存在一定的差距。而閱讀外文文獻(xiàn)，是了解目前國(guó)際氣象學(xué)領(lǐng)域發(fā)展水平和前沿知識(shí)的捷徑，具備較強(qiáng)的外語(yǔ)能力和檢索文獻(xiàn)的能力可以助力研究生拓寬學(xué)術(shù)視野，確定自己的學(xué)術(shù)研究方向以及后繼科學(xué)研究的順利開(kāi)展。國(guó)防科技大學(xué)氣象海洋學(xué)院已經(jīng)將研究生發(fā)表高檔次的SCI檢索論文作為評(píng)判研究生學(xué)術(shù)科研能力和攻讀博士學(xué)位的標(biāo)準(zhǔn)之一，而本門(mén)實(shí)驗(yàn)課也希望通過(guò)閱讀外文文獻(xiàn)的訓(xùn)練，拓寬研究生的國(guó)際視野，助力有潛力的研究生盡快發(fā)表高檔次外文期刊論文。

四、結(jié)論

培養(yǎng)研究生的核心素養(yǎng)是研究生教育的重要目標(biāo)。氣象學(xué)研究生需要具備的核心素養(yǎng)包括：深厚的科學(xué)素養(yǎng)、扎實(shí)的數(shù)學(xué)素養(yǎng)、學(xué)習(xí)掌握和利用這些新技術(shù)并應(yīng)用于氣象的素養(yǎng)、強(qiáng)烈的社會(huì)責(zé)任感和社會(huì)服務(wù)意識(shí)等。氣候預(yù)測(cè)建模實(shí)驗(yàn)課通過(guò)一系列的教育實(shí)踐改革致力于培養(yǎng)氣象學(xué)研究生的核心素養(yǎng)，通過(guò)做氣候分析和預(yù)測(cè)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，提高研究生的科研實(shí)踐能力，增強(qiáng)科學(xué)技術(shù)素養(yǎng);通過(guò)數(shù)學(xué)原理講解和數(shù)學(xué)建模，夯實(shí)其理論基礎(chǔ)，提高研究生的數(shù)學(xué)素養(yǎng);在課堂上融入思政元素，增強(qiáng)研究生的社會(huì)責(zé)任感和社會(huì)服務(wù)意識(shí);介紹前沿知識(shí)，拓寬研究生的學(xué)術(shù)視野。通過(guò)這樣的教學(xué)改革實(shí)踐，氣象學(xué)研究生的培養(yǎng)質(zhì)量有了較大的提高。

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基金項(xiàng)目：湖南省研究生教學(xué)平臺(tái)項(xiàng)目“‘氣候變化與國(guó)防安全’優(yōu)秀教學(xué)團(tuán)隊(duì)培育項(xiàng)目”（湘教通[2019]370號(hào)）

作者簡(jiǎn)介：胡軼佳（1980-），女，滿(mǎn)族，山東青島人，博士，副教授，研究方向?yàn)槎唐跉夂蝾A(yù)測(cè)和氣候變化，國(guó)防安全。