李 浩，劉 鳳，李克凡，趙現(xiàn)斌，王曉蕾，李書(shū)磊，謝檳澤

(1.國(guó)防科技大學(xué) 氣象海洋學(xué)院，長(zhǎng)沙 410003;2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，昆明 650500)

大氣探測(cè)學(xué)課程是大氣科學(xué)和應(yīng)用氣象學(xué)等專(zhuān)業(yè)的基礎(chǔ)課程[1]，國(guó)防科技大學(xué)氣象海洋學(xué)院開(kāi)設(shè)該課程已有三十多年的歷史，面對(duì)課程學(xué)時(shí)的不斷精簡(jiǎn)、探測(cè)技術(shù)的快速發(fā)展、課程思政的時(shí)代要求、復(fù)合創(chuàng)新的人才培養(yǎng)等新趨勢(shì)，教學(xué)團(tuán)隊(duì)秉承大氣探測(cè)學(xué)“理工結(jié)合，落實(shí)到工”的基本理念[2]，持續(xù)開(kāi)展課程教學(xué)研究。圖示法教學(xué)[3-4]通過(guò)簡(jiǎn)潔的符號(hào)、精煉的文字、豐富的線條、清晰的表格等構(gòu)成特有的圖文式樣，形成板書(shū)和課件進(jìn)行施教，有利于從整體上把握知識(shí)結(jié)構(gòu)及內(nèi)在聯(lián)系，有利于生動(dòng)形象記憶和強(qiáng)化知識(shí)體系信息，有利于邏輯思維和內(nèi)在美與外在美的統(tǒng)一。

大氣探測(cè)學(xué)課程具有“氣電一體，以氣為本”特點(diǎn)[2]，內(nèi)容多、跨度大，為了提高教學(xué)效率，特別需要和適合采用圖示法推進(jìn)教學(xué)。本文簡(jiǎn)明扼要地分析了圖表法、圖形法和圖像法等典型圖示法應(yīng)用示范案例，并突破傳統(tǒng)平面圖示的二維局限性，注重提高圖示的內(nèi)涵和外延。以圖形展示方式為主要形式，分析教學(xué)內(nèi)容背景和教學(xué)效果評(píng)價(jià)，旨在探討圖示法在大氣探測(cè)學(xué)課程中的應(yīng)用。

一、大氣探測(cè)體系圖示法

大氣探測(cè)是指對(duì)表征大氣狀況的氣象要素、天氣現(xiàn)象及其變化過(guò)程進(jìn)行個(gè)別或系統(tǒng)的、連續(xù)的觀察和測(cè)定，并對(duì)獲得的記錄進(jìn)行整理的過(guò)程和方法[1]。大氣探測(cè)是一種特殊的測(cè)量，借鑒測(cè)量學(xué)原理，從不同角度和層次構(gòu)建大氣探測(cè)綜合體系，即直接探測(cè)和間接探測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)和大氣遙感、主動(dòng)探測(cè)和被動(dòng)探測(cè)。針對(duì)大氣探測(cè)對(duì)象和氣象要素，梳理出典型的大氣探測(cè)的方法和技術(shù)體系[2]。其中，直接和間接主要描述傳感器輸出和氣象要素的量值關(guān)系，現(xiàn)場(chǎng)和遙感主要描述傳感器和探測(cè)對(duì)象的位置關(guān)系，主動(dòng)和被動(dòng)主要描述傳感器和探測(cè)對(duì)象的作用關(guān)系。綜合氣象探測(cè)系統(tǒng)還包括平臺(tái)，把探測(cè)平臺(tái)的主要特征分為三種六類(lèi)，其中：地基平臺(tái)受機(jī)械力作用，含固定和機(jī)動(dòng)平臺(tái);空基平臺(tái)受氣動(dòng)力學(xué)作用，含航跡不可控和可控平臺(tái);天基平臺(tái)受地球萬(wàn)有引力作用，含靜止和極軌衛(wèi)星。

針對(duì)大氣探測(cè)原理和方法的體系進(jìn)行圖示設(shè)計(jì)[5]，如圖1 所示。該圖示法案例以二維圖表的方式顯示，表格的行是探測(cè)平臺(tái)分類(lèi)，表格的列是探測(cè)方法分類(lèi)。合理運(yùn)用單元格的合并和拆分方式，清晰地勾勒出直接、間接探測(cè)、接觸式、非接觸式探測(cè)、被動(dòng)、主動(dòng)探測(cè)、原位探測(cè)、距離積分、激勵(lì)微分和大氣遙感之間的相互關(guān)系，全面系統(tǒng)地揭示了大氣探測(cè)方法和技術(shù)及其本質(zhì)特征和適用范圍。該圖示直觀揭示了大氣探測(cè)原理和方法的機(jī)理和框架，能夠從體系結(jié)構(gòu)上理清課程教學(xué)內(nèi)容及其相互之間的內(nèi)在邏輯。通過(guò)該圖揭示各種大氣探測(cè)技術(shù)的基本特征，指出了直接和間接的量值關(guān)系在不同環(huán)境下是否普適成立，現(xiàn)場(chǎng)和遙感如何確定采樣空間的大小和位置，主動(dòng)和被動(dòng)探測(cè)的氣器作用是否影響了氣象要素值，從而揭示了教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)。某種意義上，該圖示類(lèi)似元素周期表在化學(xué)課程中的作用，是大氣探測(cè)學(xué)課程教學(xué)的總牽引。以此為基礎(chǔ)和依托，有助于按歸納、演繹、類(lèi)比的思維邏輯方法，以及先總、后分、再總的循序遞進(jìn)方式，有序推進(jìn)課程教學(xué)進(jìn)程。

圖1 大氣探測(cè)體系圖示法

二、能見(jiàn)度的換算圖示法

氣象能見(jiàn)度對(duì)于環(huán)境監(jiān)測(cè)、交通運(yùn)輸、航空航海等具有重要價(jià)值，是重要的大氣探測(cè)要素。氣象能見(jiàn)度是一個(gè)復(fù)雜的心理和物理現(xiàn)象，其值主要受懸浮在大氣中的固體和液體微粒引起的大氣消光的影響，其值依賴(lài)于人的視覺(jué)、目標(biāo)和背景特征以及大氣透射率的影響[1]。氣象能見(jiàn)度的目測(cè)方法需要區(qū)分白天和夜間兩種，能見(jiàn)度的白天觀測(cè)基于視力正常的人以水平天空為背景觀察水平方向適當(dāng)大小黑色目標(biāo)物的最大水平距離。能見(jiàn)度的夜間觀測(cè)基于點(diǎn)光源燈光目標(biāo)物的最大能見(jiàn)距離，由柯西米德定律和氣象光學(xué)距離定義可知，點(diǎn)光源能見(jiàn)距離是燈光強(qiáng)度、大氣消光系數(shù)、光照條件及人眼照度閾值的復(fù)雜函數(shù)。能見(jiàn)度的夜間觀測(cè)與白天觀測(cè)結(jié)果之間需要換算，換算算法涉及諸多因子，包括氣象能見(jiàn)度、氣象光學(xué)距離、消光系數(shù)、點(diǎn)光源能見(jiàn)距離、燈光強(qiáng)度、光照條件和人眼照度閾值等。

針對(duì)氣象能見(jiàn)度的定義和觀測(cè)方法進(jìn)行圖示設(shè)計(jì)[5]，如圖2 所示，該圖示法案例包括圖形和圖表。其中的圖形，用黑邊白框和黑色圓盤(pán)分別表示背景和目標(biāo)，用淺色圓柱表示空氣微元，用四根向左的實(shí)線表示固有亮度，用兩根進(jìn)入人眼的實(shí)線表示衰減，用四根傾斜的實(shí)線表示漫射，用兩根進(jìn)入人眼的虛線表示氣幕光增強(qiáng)，用向左的兩根實(shí)線和兩根虛線進(jìn)入人眼表示視在亮度，能見(jiàn)度理論涉及的大氣物理核心公式穿插標(biāo)注在恰當(dāng)?shù)奈恢?。其中的圖表，左側(cè)縱坐標(biāo)是以對(duì)數(shù)刻度的氣象光學(xué)距離，右縱坐標(biāo)是以不等間隔方式刻度的點(diǎn)光源能見(jiàn)距離，三個(gè)橫坐標(biāo)以對(duì)數(shù)刻度的燈光強(qiáng)度，分別對(duì)應(yīng)暗夜、月夜和黃昏條件。能見(jiàn)度的夜間觀測(cè)與白天觀測(cè)結(jié)果之間查算基于圖表中的一系列曲線，繪制了縱、橫對(duì)數(shù)間隔網(wǎng)格線便于讀數(shù)?？梢?jiàn)，該圖形表達(dá)方式綜合運(yùn)用了線條、形狀和色調(diào)等，把氣象能見(jiàn)度概念、觀測(cè)原理、換算方法清晰完整形象地表達(dá)出來(lái)。該圖表采用了雙縱坐標(biāo)和三橫坐標(biāo)框架，可以顯示相關(guān)要素在大量程范圍內(nèi)的數(shù)值，對(duì)數(shù)坐標(biāo)繪制曲線組并配合精確密集的坐標(biāo)網(wǎng)格線，在一張圖內(nèi)完成了能見(jiàn)度的夜間觀測(cè)與白天觀測(cè)結(jié)果。此外，利用此圖表還可以開(kāi)展氣象能見(jiàn)度觀測(cè)誤差分析方面的教學(xué)，提高了氣象能見(jiàn)度觀測(cè)誤差理論分析的直觀性。

圖2 能見(jiàn)度的換算圖示法

三、氣象輻射測(cè)量圖示法

氣象輻射對(duì)于環(huán)境、氣候、大氣遙感等具有重要價(jià)值，重要性日益提高。輻射物理量包括輻射能、輻射通量、輻射通量密度和輻射亮度等，氣象輻射觀測(cè)量包括直接輻射、總輻射、散射輻射、長(zhǎng)波輻射、凈輻射、全輻射和反射輻射等，這些量的定義較復(fù)雜且對(duì)輻射觀測(cè)十分重要。太陽(yáng)輻射能是地球及大氣最重要的能量來(lái)源，地球收到太陽(yáng)輻射能的同時(shí)也不斷地支出輻射能[1]。按照輻射來(lái)源分類(lèi)，地面測(cè)量輻射能包括太陽(yáng)輻射和地球輻射，由于太陽(yáng)輻射和地球輻射的光譜分布重疊很少，因此在輻射能觀測(cè)中可以對(duì)不同的波長(zhǎng)的輻射分別進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)儀器安裝方式不同，需要測(cè)量向上或向下的輻射通量分量，還有某些行業(yè)部門(mén)所感興趣的可能不是水平面而是傾斜方向。輻射測(cè)量?jī)x器中，直接輻射表由進(jìn)光筒、傳感器、跟蹤架組成，應(yīng)具有能瞄準(zhǔn)太陽(yáng)的手動(dòng)或自動(dòng)跟蹤裝置，進(jìn)光筒對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)，感應(yīng)面垂直于入射光。把總輻射表中來(lái)自太陽(yáng)直接輻射部分遮蔽后測(cè)得的輻射值即為散射輻射，因此用總輻射表配上合適的遮光部件即可測(cè)量散射輻射。

針對(duì)氣象輻射量的定義和觀測(cè)方法進(jìn)行圖示設(shè)計(jì)[5]，如圖3 所示，該圖示法案例包括圖形和圖表。其中的圖表，是運(yùn)用單元格的合并和拆分設(shè)計(jì)的二維表，表格的行和列分別表示輻射的方向和來(lái)源。為了更準(zhǔn)確地表示輻射的來(lái)向，在向下和向上的輻射量分別加注向下和向上的箭頭。表格中的行或列的排列，還可以揭示行向或列向的輻射參數(shù)之間的量值關(guān)系，該圖表全面系統(tǒng)地揭示了輻射來(lái)源和輻射方向結(jié)合起來(lái)進(jìn)行分類(lèi)的內(nèi)在邏輯，清晰地描述了直接輻射、總輻射、散射輻射、長(zhǎng)波輻射、凈輻射、全輻射、反射輻射的物理含義。并且表格的行向和列向可以分別揭示相關(guān)氣象輻射量之間的數(shù)值關(guān)系，便于理解和掌握輻射能測(cè)量要素的定義及其測(cè)量方法。其中的圖形，采用通俗的三維顯示方式，形象地給出了不同季節(jié)情況下每天太陽(yáng)的運(yùn)行軌跡及晨、昏地方時(shí)刻，直觀反映輻射測(cè)量?jī)x器跟蹤太陽(yáng)或遮蔽太陽(yáng)的原理和技術(shù)實(shí)現(xiàn)途徑，便于從總體上結(jié)合大氣物理知識(shí)理解氣象輻射測(cè)量?jī)x器的原理和結(jié)構(gòu)。

圖3 氣象輻射測(cè)量圖示法

四、氣象雷達(dá)探測(cè)圖示法

氣象雷達(dá)是大氣探測(cè)的重要技術(shù)和重要內(nèi)容，氣象雷達(dá)探測(cè)能力與其技術(shù)參數(shù)密切相關(guān)，掌握參數(shù)的含義及其關(guān)系對(duì)于了解氣象雷達(dá)的探測(cè)原理和性能十分重要[1]。氣象雷達(dá)的技術(shù)參數(shù)較多，各個(gè)參數(shù)之間及其與氣象雷達(dá)探測(cè)性能的關(guān)系比較復(fù)雜，且相互約束。比如，發(fā)射脈沖寬度與雷達(dá)最大作用距離有關(guān)，脈沖寬度越大，最大作用距離也越大。脈沖寬度又和雷達(dá)距離分辨率有關(guān)，脈沖寬度越小距離分辨率越高。盲區(qū)半徑是指雷達(dá)能有效探測(cè)的最小范圍，脈沖寬度的大小決定了雷達(dá)盲區(qū)半徑。前一個(gè)發(fā)射脈沖回波從最大距離處回到雷達(dá)后才可以發(fā)射下一個(gè)脈沖，兩個(gè)脈沖的間隔叫做脈沖重復(fù)頻率，這就決定了雷達(dá)最大探測(cè)距離。在氣象雷達(dá)回波中檢測(cè)到的最高多普勒頻率分量取決于雷達(dá)脈沖重復(fù)頻率，這就決定了雷達(dá)最大可測(cè)速度。徑向范圍內(nèi)的氣象目標(biāo)粒子的后向散射回波，能同時(shí)到達(dá)天線的空間長(zhǎng)度稱(chēng)為有效照射深度，也就是雷達(dá)探測(cè)的空間分辨率。

針對(duì)氣象雷達(dá)技術(shù)參數(shù)與探測(cè)性能的關(guān)系進(jìn)行圖示設(shè)計(jì)[5]，如圖4 所示。該圖示法案例以綜合圖形給出，圖內(nèi)同時(shí)融合給出了三個(gè)坐標(biāo)系，即徑向距離與回波延時(shí)坐標(biāo)系、回波強(qiáng)度與回波延時(shí)坐標(biāo)系、徑向距離與散射系數(shù)坐標(biāo)系。配合精心設(shè)計(jì)的線條、形狀、圖標(biāo)和圖例，直觀顯示了發(fā)射脈沖前沿和發(fā)射脈沖后沿的傳輸，以及發(fā)射脈沖前沿和發(fā)射脈沖后沿回波的傳輸。以此為基礎(chǔ)，展示了氣象雷達(dá)主要技術(shù)參數(shù)，并揭示了它們對(duì)氣象雷達(dá)探測(cè)性能的影響。在一張綜合圖內(nèi)描繪了雷達(dá)技術(shù)參數(shù)及雷達(dá)探測(cè)性能，便于理解氣象雷達(dá)的基本原理。比如，根據(jù)圖中回執(zhí)的輔助網(wǎng)格線，可以直觀形象地看出當(dāng)雷達(dá)脈沖寬度確定之后，雷達(dá)波束徑向內(nèi)的氣象目標(biāo)粒子的散射回波同時(shí)到達(dá)天線。當(dāng)目標(biāo)距離雷達(dá)很近時(shí)，目標(biāo)回波前沿將同發(fā)射脈沖后沿混合在一起以致于無(wú)法分辨。當(dāng)脈沖重復(fù)頻率較小時(shí)，容易發(fā)生測(cè)距模糊現(xiàn)象?？梢苑磸?fù)觀摩該圖，可以強(qiáng)化氣象雷達(dá)探測(cè)的基本原理，以及雷達(dá)參數(shù)含義和相互之間的約束關(guān)系。

圖4 氣象雷達(dá)探測(cè)圖示法

五、結(jié)束語(yǔ)

在大氣探測(cè)學(xué)教學(xué)改革建設(shè)中，根據(jù)課程的重點(diǎn)和難點(diǎn)知識(shí)，結(jié)合圖示法教學(xué)一般方法，需要進(jìn)一步深入系統(tǒng)地研究課程教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)，面向?qū)W生認(rèn)知的一般過(guò)程，切實(shí)提高圖示的準(zhǔn)確性、啟發(fā)性、藝術(shù)性[6-7]，使教學(xué)有所依托、思考有所指向、創(chuàng)新有所遵循。實(shí)踐表明，圖示法教學(xué)可以化抽象為形象、化繁為簡(jiǎn)、化難為易，達(dá)到以圖激趣、以圖增記、以圖啟智、以圖感美的效果，有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率、創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)，是一種貫穿于教學(xué)全過(guò)程的有效而高效的教學(xué)方法。

需要補(bǔ)充說(shuō)明，圖示教學(xué)法和建構(gòu)主義教學(xué)法不謀而合[8]，圖示教學(xué)法是踐行建構(gòu)主義教學(xué)法有效途徑。建構(gòu)主義認(rèn)為學(xué)習(xí)是基于原有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)生成意義和建構(gòu)理解的過(guò)程，其中的同化過(guò)程是指把外部環(huán)境中的有關(guān)信息吸收進(jìn)來(lái)并結(jié)合到已有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)中，順應(yīng)過(guò)程是指外部環(huán)境發(fā)生變化而原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)無(wú)法同化時(shí)所引起的認(rèn)知結(jié)構(gòu)發(fā)生重組與改造。基于本文的案例分析可以看出，圖示法可以成為同化和順應(yīng)過(guò)程的重要教學(xué)抓手，圖示可使大腦保持對(duì)知識(shí)圖景的整體展望，加深對(duì)所學(xué)知識(shí)全面系統(tǒng)理解，增強(qiáng)大腦的知識(shí)渴望使知識(shí)結(jié)構(gòu)向縱深處延伸，有助于相關(guān)新知識(shí)的吸納和融合。