王穎，陳 強(qiáng)

（蘭州大學(xué) 大氣科學(xué)學(xué)院，蘭州 730000）

教學(xué)和科研是高等教育的兩項(xiàng)基本任務(wù)。教學(xué)是大學(xué)的根與本，科研是教學(xué)的應(yīng)用與實(shí)踐，兩者是相輔相成、互為補(bǔ)充、相互促進(jìn)的辯證統(tǒng)一關(guān)系。教學(xué)和科研在高等教育的地位和作用一直是大學(xué)教育爭(zhēng)論的焦點(diǎn)，受學(xué)校排名、職稱(chēng)評(píng)審等多方面因素影響，大部分高校存在“重科研、輕教學(xué)”的情況，導(dǎo)致教學(xué)質(zhì)量不斷下降[1]。為了平衡發(fā)展高水平研究支撐高水平教學(xué)的教育理念、創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式、深化課程體系改革，并為提高本科教育質(zhì)量提供強(qiáng)力支撐，國(guó)內(nèi)大學(xué)進(jìn)行了大量探索性工作[2]，逐步形成了多種教學(xué)科研融合的方式，包括：在辦學(xué)理念上突出本科教學(xué)的重要性，培養(yǎng)體系中不斷加強(qiáng)本科生科研訓(xùn)練，教學(xué)方法上逐步推廣研究性教學(xué)，在教學(xué)隊(duì)伍上推動(dòng)科研高水平教師承擔(dān)本科教學(xué)工作，職稱(chēng)晉升及獎(jiǎng)勵(lì)體系中突出教學(xué)指標(biāo)的比重等[3]。很多高校教師結(jié)合多年教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，不斷將科技創(chuàng)新成果融入課堂、動(dòng)態(tài)更新教學(xué)內(nèi)容，積極探索并提升教學(xué)質(zhì)量[4]，充分發(fā)揮大學(xué)在培養(yǎng)全方面人才中的作用。

國(guó)內(nèi)、外高水平大學(xué)的實(shí)踐表明，將科研實(shí)踐融入課堂教學(xué)，實(shí)施教學(xué)與科研融合引領(lǐng)高等教育人才培養(yǎng)模式的變革，既是高校辦學(xué)實(shí)踐的產(chǎn)物[5]，也是高校培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的重要手段和主要途徑[6]。教育部在《關(guān)于深化本科教育教學(xué)改革全面提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的意見(jiàn)》（教高〔2019〕6 號(hào)）中提出并要求在本科教育中要立足經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需求和人才培養(yǎng)目標(biāo)；加強(qiáng)課程體系整體設(shè)計(jì)；提高課程建設(shè)規(guī)劃性、系統(tǒng)性；推動(dòng)科研反哺教學(xué)，強(qiáng)化科研育人功能；推動(dòng)高校及時(shí)把最新科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)興趣；加強(qiáng)對(duì)學(xué)生科研活動(dòng)的指導(dǎo)，以高水平科學(xué)研究提高學(xué)生創(chuàng)新和實(shí)踐能力?？茖W(xué)研究與教育教學(xué)相互融合已經(jīng)成為我國(guó)各高等院校培育高層次、高能力和高素質(zhì)人才的重要手段和主要路徑之一，對(duì)培養(yǎng)高水平的創(chuàng)新型、應(yīng)用型人才具有十分重要的意義[7]。

大氣環(huán)境問(wèn)題的嚴(yán)重性和大氣環(huán)境保護(hù)工作的重要性，迫切需要高校通過(guò)科研與教學(xué)融合，培養(yǎng)創(chuàng)新型、應(yīng)用型和復(fù)合型人才。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展規(guī)模不斷擴(kuò)大，經(jīng)濟(jì)環(huán)境矛盾日益突出，能源和資源的需求不斷增長(zhǎng)，導(dǎo)致大氣污染問(wèn)題日益突出，呈現(xiàn)出以PM2.5和O3為特征污染物的區(qū)域大氣復(fù)合污染特征。大氣污染不僅危害人群健康，影響正常生產(chǎn)生活活動(dòng)，其對(duì)天氣和氣候的影響也不容忽視。因此，大氣環(huán)境保護(hù)事關(guān)人民群眾根本利益，事關(guān)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)健康高質(zhì)量發(fā)展，事關(guān)全面建成小康社會(huì)和美麗中國(guó)建設(shè)。

大氣污染成因的復(fù)雜性和大氣環(huán)境治理的艱巨性，決定了大氣污染防治工作的科學(xué)性。精準(zhǔn)施策、靶向治理，迫切需要科教融合模式培養(yǎng)的專(zhuān)業(yè)人才。大氣環(huán)境質(zhì)量由污染源排放和氣象條件決定，污染源排放是造成大氣污染的根本原因，氣象條件是誘因。大氣污染來(lái)源復(fù)雜，受人為源排放和自然源排放雙重影響[8-9]，污染物種類(lèi)繁多，在各種尺度大氣過(guò)程作用下，呈現(xiàn)不同的時(shí)空變化特點(diǎn)，大氣污染成因復(fù)雜，迫切需要高校培養(yǎng)專(zhuān)業(yè)型人才，服務(wù)于國(guó)家大氣環(huán)境保護(hù)戰(zhàn)略，服務(wù)于區(qū)域和城市大氣污染防治。

污染氣象學(xué)是近代大氣科學(xué)研究的一個(gè)新的分支學(xué)科，也是大氣環(huán)境問(wèn)題研究與應(yīng)用的重要領(lǐng)域，其應(yīng)用型學(xué)科性質(zhì)決定了教學(xué)環(huán)節(jié)實(shí)施科教融合具有重要意義。污染氣象學(xué)的主要教學(xué)內(nèi)容是研究大氣環(huán)境中污染物擴(kuò)散、輸送和沉降等物理過(guò)程和化學(xué)轉(zhuǎn)化過(guò)程的基本特征及變化規(guī)律，并通過(guò)模擬的方法預(yù)測(cè)空氣污染物的濃度分布及其對(duì)環(huán)境空氣質(zhì)量的影響。污染氣象學(xué)研究的目的是指導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用氣象學(xué)原理和方法，處理以大氣擴(kuò)散和轉(zhuǎn)化為核心的空氣污染問(wèn)題，更好地服務(wù)于經(jīng)濟(jì)與社會(huì)可持續(xù)發(fā)展。

一、空氣污染氣象學(xué)教學(xué)現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)高校普遍使用的空氣污染氣象學(xué)教材是南京大學(xué)蔣維楣等編著、氣象出版社出版的《空氣污染氣象學(xué)教程》[10]，該教材于1993 年第一次出版，2004 年3 月發(fā)行了第二版，刪減了污染氣象學(xué)在廠址選擇和煙囪高度設(shè)計(jì)等方面的應(yīng)用，并在復(fù)雜地形污染擴(kuò)散模擬方面增加了一些新的研究方法，但教程的核心內(nèi)容仍然是描述高斯擴(kuò)散體系的污染擴(kuò)散模擬。這種方法可以較好地解決以燃煤型污染為特征的空氣污染問(wèn)題，是我國(guó)大氣污染防治早期階段的主要技術(shù)方法。但隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步及大氣科學(xué)的發(fā)展，污染物濃度監(jiān)測(cè)和大氣污染問(wèn)題研究方法推陳出新，現(xiàn)有的教材已無(wú)法滿(mǎn)足復(fù)雜大氣污染問(wèn)題應(yīng)用型研究人才培養(yǎng)的需要。在課程講授中結(jié)合學(xué)科前沿和應(yīng)用研究進(jìn)展，將科研成果融入教學(xué)中，踐行理論知識(shí)與科研實(shí)踐結(jié)合，全面提升理論基礎(chǔ)教學(xué)水平。

二、空氣污染氣象學(xué)教學(xué)內(nèi)容

空氣污染氣象學(xué)的主要目的是培養(yǎng)解決實(shí)際大氣環(huán)境問(wèn)題的應(yīng)用型專(zhuān)業(yè)人才。因此，緊密結(jié)合國(guó)家環(huán)境保護(hù)政策和地方大氣污染防治需求，增加區(qū)域污染擴(kuò)散模擬、污染過(guò)程分析等應(yīng)用技術(shù)內(nèi)容，突出教學(xué)理論的實(shí)際應(yīng)用性，使學(xué)生更為全面、具體和深入地理解課程的基礎(chǔ)理論、應(yīng)用方向和研究意義，為未來(lái)從事環(huán)境科學(xué)研究和污染防治工作打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

空氣污染氣象學(xué)的基本理論體系包括空氣污染氣象學(xué)基本概念、污染擴(kuò)散的基本理論、污染擴(kuò)散模擬的基本方法及污染氣象學(xué)的應(yīng)用等四部分內(nèi)容，主要教學(xué)內(nèi)容如圖1 所示。

圖1 空氣污染氣象學(xué)教學(xué)內(nèi)容體系圖（下劃線為與科研結(jié)合的教學(xué)內(nèi)容）

（一）空氣污染氣象學(xué)基本概念

空氣污染問(wèn)題的基本概念包括空氣污染的定義、污染物來(lái)源、污染物濃度表示方法、影響污染物散布的主要因子，以及污染氣象學(xué)的研究?jī)?nèi)容、意義及研究進(jìn)展。教學(xué)目的是讓學(xué)生掌握污染氣象學(xué)的基本概念，形成對(duì)污染氣象學(xué)的整體認(rèn)識(shí)。該部分知識(shí)點(diǎn)應(yīng)增加環(huán)境空氣質(zhì)量和環(huán)境管理體系的背景知識(shí)，使學(xué)生全面了解我國(guó)的環(huán)境空氣質(zhì)量管理體系。在教學(xué)中結(jié)合國(guó)家大氣污染防治法、環(huán)境污染控制方法、環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和環(huán)境質(zhì)量指數(shù)等基本知識(shí)，讓學(xué)生深層次理解污染氣象的基本概念、研究方法和防治目標(biāo)，了解大氣污染治理的方向和需求，逐步形成對(duì)大氣環(huán)境保護(hù)研究和大氣污染防治體系的認(rèn)識(shí)。

（二）污染擴(kuò)散的基本理論

描述污染物在大氣中的擴(kuò)散的方法主要有拉格朗日方法和歐拉方法，以及三種基礎(chǔ)理論——梯度輸送理論、統(tǒng)計(jì)理論和相似理論，教學(xué)的目的是讓學(xué)生掌握污染擴(kuò)散體系的基本原理和物理機(jī)制，要求學(xué)生具備流體力學(xué)、大氣環(huán)境化學(xué)和邊界層氣象學(xué)等基礎(chǔ)。課程講授中應(yīng)緊密結(jié)合我國(guó)目前PM2.5和O3的復(fù)合型污染的特征，增設(shè)二次顆粒物生成和O3形成的大氣環(huán)境化學(xué)機(jī)理的介紹，讓學(xué)生了解污染物在大氣中的化學(xué)過(guò)程，為后期數(shù)值模式學(xué)習(xí)及污染氣象成因分析奠定基礎(chǔ)。

（三）污染擴(kuò)散模擬的基本方法

污染擴(kuò)散模擬是這門(mén)課程的重點(diǎn)與核心，主要講授理想條件下高斯點(diǎn)源、面源和線源擴(kuò)散公式及擴(kuò)散公式兩個(gè)重要參數(shù)（擴(kuò)散參數(shù)和抬升高度）的計(jì)算方法?？諝馕廴練庀髮W(xué)教材的高斯擴(kuò)散體系是我國(guó)第一代空氣質(zhì)量模型[11]，是污染擴(kuò)散相關(guān)理論知識(shí)體系中最基礎(chǔ)的內(nèi)容。高斯擴(kuò)散模型（GAUSS 模式）通過(guò)簡(jiǎn)化質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程和熱通量守恒方程等控制方程，獲得物理概念清晰的擴(kuò)散公式。該模式是目前廣泛應(yīng)用的AERMOD 模式、CALPUFF 模式的基礎(chǔ)模型。為了培養(yǎng)學(xué)生具備污染擴(kuò)散模擬的能力，講授中應(yīng)增加大氣環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則推薦的空氣質(zhì)量模型，如AREMOD 模型、CALPUFF 模型以及美國(guó)多尺度空氣質(zhì)量模型系統(tǒng)CMAQ（Community Multiscale Air Quality）模式、WRF-Chem 模式等模式的物理框架與模擬，緊跟學(xué)科研究進(jìn)展和研究熱點(diǎn)，為學(xué)生畢業(yè)后從事相關(guān)研究工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力，提升就業(yè)能力，擴(kuò)展就業(yè)范圍。

（四）污染氣象學(xué)的應(yīng)用

充分結(jié)合科研項(xiàng)目與科研成果豐富污染氣象學(xué)教學(xué)內(nèi)容，深入踐行科教融合。一是增加與實(shí)際應(yīng)用密切相關(guān)的大氣環(huán)境影響評(píng)價(jià)內(nèi)容。環(huán)境影響評(píng)價(jià)制度是我國(guó)的環(huán)境保護(hù)的一項(xiàng)基本制度，大氣環(huán)境影響評(píng)價(jià)和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是環(huán)境評(píng)價(jià)的重要內(nèi)容之一，這兩部分評(píng)價(jià)內(nèi)容均與大氣擴(kuò)散模擬預(yù)測(cè)密切相關(guān)，教學(xué)中應(yīng)補(bǔ)充大氣環(huán)境影響評(píng)價(jià)的相關(guān)內(nèi)容和方法，既可以提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)也拓展了知識(shí)面，利于本科畢業(yè)后從事環(huán)境咨詢(xún)工作。二是增加地方污染防治研究案例，通過(guò)研究地方大氣污染問(wèn)題和污染特征，分析污染物排放、氣象條件與空氣質(zhì)量的關(guān)系，對(duì)城市監(jiān)測(cè)站監(jiān)測(cè)的各主要污染物時(shí)刻變化特征和污染特征進(jìn)行綜合研判，分析大氣污染問(wèn)題成因，鍛煉學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，培養(yǎng)學(xué)生科研思維，達(dá)到學(xué)以致用的目的。

三、踐行科教融合完善課程教學(xué)體系

（一）增加計(jì)算機(jī)模擬學(xué)時(shí)，深入踐行科研與教學(xué)融合

污染氣象學(xué)的培養(yǎng)目的之一是培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用模擬的方法，對(duì)各種大氣污染物濃度進(jìn)行預(yù)測(cè)?？諝赓|(zhì)量數(shù)值模式是運(yùn)用氣象學(xué)原理及數(shù)學(xué)方法，描述污染物在大氣中的輸送、擴(kuò)散、遷移和轉(zhuǎn)化規(guī)律，從水平和垂直方向在大尺度范圍內(nèi)對(duì)空氣質(zhì)量進(jìn)行模擬，預(yù)測(cè)各種氣象條件下的污染物濃度和環(huán)境空氣質(zhì)量的方法，已逐漸成為研究區(qū)域和城市尺度的污染擴(kuò)散問(wèn)題的主要方法。在分析大氣污染的時(shí)空演變規(guī)律、內(nèi)在機(jī)理和成因來(lái)源，建立“污染減排”與“質(zhì)量改善”間定量關(guān)系等方面有廣泛的應(yīng)用，將空氣質(zhì)量數(shù)值模擬內(nèi)容融入到空氣污染氣象學(xué)教學(xué)中，是培養(yǎng)大氣污染防治方面應(yīng)用型人才的關(guān)鍵。

無(wú)論是基本的GAUSS 擴(kuò)散模式，還是大氣環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則推薦的AERMOD 模式、CALPUFF 模式等，都是計(jì)算機(jī)模擬的方法，通過(guò)模擬教學(xué)能夠讓學(xué)生熟練運(yùn)行各種大氣擴(kuò)散模式，掌握大氣擴(kuò)散模型物理框架和模式性能參數(shù)，把生硬、枯燥的擴(kuò)散公式與科研實(shí)踐聯(lián)系起來(lái)，利于學(xué)生深入理解污染擴(kuò)散原理和機(jī)理，起到融會(huì)貫通的作用。以AERMOD 模式軟件運(yùn)行為例，通過(guò)輸入污染源參數(shù)（圖2（a），包括排放速率、煙囪高度、出口內(nèi)徑、煙氣溫度與環(huán)境溫度）和地形特征，并導(dǎo)入氣象數(shù)據(jù)（圖2（b），地面和高空氣象資料），輸出模式的運(yùn)行結(jié)果（圖2（c）），一系列模擬運(yùn)行過(guò)程有助于學(xué)生掌握影響污染擴(kuò)散的氣象過(guò)程和排放源參數(shù)，直觀地了解污染擴(kuò)散特征，加深學(xué)生對(duì)污染氣象學(xué)基本知識(shí)體系的認(rèn)識(shí)。

圖2 大氣污染擴(kuò)散模式應(yīng)用軟件示例

（二）將科研實(shí)踐和科研成果融入教學(xué)內(nèi)容

科研與教學(xué)融合是學(xué)生系統(tǒng)、全面掌握綜合性知識(shí)和發(fā)展高水平、專(zhuān)業(yè)性技能的有效方法[12]?？諝馕廴練庀髮W(xué)的主要目的是培養(yǎng)解決實(shí)際大氣環(huán)境問(wèn)題的應(yīng)用型人才，通過(guò)地方污染防治科研項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，將最新的研究成果應(yīng)用于教學(xué)。緊跟國(guó)家大氣環(huán)境保護(hù)政策和污染防治需求，增加應(yīng)用于地方環(huán)境保護(hù)和污染防治工作的污染擴(kuò)散模擬、污染過(guò)程分析等案例，豐富教學(xué)內(nèi)容，有助于開(kāi)拓學(xué)生視野，使學(xué)生更為全面、深入地理解這門(mén)課的應(yīng)用方向和研究意義，培養(yǎng)學(xué)生科研思維，為未來(lái)從事環(huán)境科學(xué)研究和污染防治工作打下基礎(chǔ)，達(dá)到培養(yǎng)大氣科學(xué)應(yīng)用型人才的目的。

將科研成果融入教學(xué)課堂，讓學(xué)生系統(tǒng)地掌握從污染氣象分析到空氣質(zhì)量模擬的學(xué)科理論體系，指導(dǎo)學(xué)生利用污染氣象學(xué)的知識(shí)解決局地污染問(wèn)題，充分體現(xiàn)理論與實(shí)踐結(jié)合的特點(diǎn)。如在教學(xué)中，以天水市大氣污染防治項(xiàng)目為例[13-14]，通過(guò)當(dāng)?shù)丨h(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，繪制污染物濃度時(shí)空變化的箱形圖，分析污染物的超標(biāo)因子及污染時(shí)段，掌握污染物時(shí)空分布及變化規(guī)律；利用大氣擴(kuò)模式對(duì)區(qū)域空氣質(zhì)量進(jìn)行數(shù)值模擬，識(shí)別空氣質(zhì)量可能超標(biāo)的區(qū)域和范圍；最后利用后向軌跡模擬分析外來(lái)源輸送對(duì)當(dāng)?shù)乜諝赓|(zhì)量的影響，判斷可能影響的該地區(qū)空氣質(zhì)量的污染源，為區(qū)域大氣污染防治提供科學(xué)依據(jù)。

（三）組織多元化的授課方式，完善科研與教學(xué)融合方法

大氣科學(xué)屬于理學(xué)大類(lèi)，要求學(xué)生具有堅(jiān)實(shí)的數(shù)學(xué)、物理和計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)理論知識(shí)，對(duì)部分學(xué)生來(lái)講學(xué)習(xí)內(nèi)容比較枯燥，通過(guò)組織多元化的授課方式提升教學(xué)效果。

1.堅(jiān)持講授為主的教學(xué)方式保障學(xué)生掌握基礎(chǔ)知識(shí)理論體系

按照教學(xué)計(jì)劃，逐步推進(jìn)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)進(jìn)度，根據(jù)學(xué)生上課反饋情況，適當(dāng)調(diào)整教學(xué)方案。將大部分學(xué)生沒(méi)有掌握的、理解難度較大的知識(shí)點(diǎn)，通過(guò)科研案例舉一反三，讓學(xué)生透徹地掌握污染氣象學(xué)的基礎(chǔ)理論、基本原理和擴(kuò)散模型，系統(tǒng)地形成學(xué)科知識(shí)體系。

2.通過(guò)演示法加深學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)理論知識(shí)的理解

組織學(xué)生觀察不同氣象條件的煙氣抬升過(guò)程，從煙氣提升高度和形狀判斷大氣穩(wěn)定度狀況，突出實(shí)用性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，形成對(duì)污染氣象過(guò)程的直觀認(rèn)識(shí)。通過(guò)演示擴(kuò)散模式應(yīng)用軟件運(yùn)行過(guò)程，幫助學(xué)生生動(dòng)地理解影響污染擴(kuò)散的污染源參數(shù)和氣象過(guò)程。

3.組織課堂小組討論鍛煉學(xué)生主動(dòng)思考的能力

以地方污染物濃度變化特征和空氣污染問(wèn)題為題，分小組討論影響地區(qū)空氣質(zhì)量的因素，探討大氣污染成因及污染防治方向。從不同角度了解學(xué)生對(duì)學(xué)科知識(shí)點(diǎn)的掌握情況，鍛煉學(xué)生獨(dú)立思考、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，形成空氣污染防治的基本思路。

四、結(jié)束語(yǔ)

強(qiáng)化教學(xué)實(shí)踐，將科教融合的理念貫穿到空氣污染氣象學(xué)專(zhuān)業(yè)課教學(xué)培養(yǎng)方案的教學(xué)內(nèi)容、授課形式等各個(gè)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐應(yīng)用相結(jié)合，不僅可以豐富教學(xué)內(nèi)容、激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，有利于學(xué)生掌握有效的學(xué)習(xí)方法、系統(tǒng)知識(shí)和專(zhuān)業(yè)性技能；同時(shí)也可以培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的科研思維。以科教融合為原則構(gòu)建專(zhuān)業(yè)課程教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)模式，是提升高校教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)創(chuàng)新型應(yīng)用型人才的重要途徑。在課程教學(xué)中，逐步探索科研訓(xùn)練與基礎(chǔ)理論在教學(xué)中的比例，在取得最佳的教學(xué)效果的同時(shí)也將達(dá)成培養(yǎng)應(yīng)用型人才的教學(xué)目標(biāo)。