刁一偉 楊 孟 錢 博

無錫學院大氣與遙感學院 江蘇無錫 214105

中國氣象局在《全國氣象現(xiàn)代化發(fā)展綱要(2015—2030年)》[1]中指出建設具有世界先進水平的氣象現(xiàn)代化體系，明確提出要全面提升氣象人才素質，強化綜合氣象服務能力，建立高度集約共享的氣象信息化體系，發(fā)展高分辨率精細化氣象與環(huán)境服務技術，加強氣象防災減災，提高應對氣候變化和履行國際公約的能力。同時，現(xiàn)代氣象業(yè)務高度自動化，預報工具復雜化，氣象服務多元化，服務產品精細化，對現(xiàn)代氣象人才的培養(yǎng)提出了新的要求。

無錫學院大氣科學專業(yè)依托國家“雙一流”建設高校南京信息工程大學大氣科學專業(yè)而建，2021年已建設成為江蘇省一流本科專業(yè)，為我國氣象與大氣環(huán)境建設事業(yè)輸送了大量專業(yè)人才。結合地方建設和行業(yè)需求，大氣科學在天氣預報、氣象災害監(jiān)測與預警、交通物流氣象保障、機動車無人駕駛氣象安全保障、飛行器飛行安全保障、大氣環(huán)境監(jiān)測與治理、風力與光伏新能源發(fā)電等諸多領域有著重要應用。大氣科學的發(fā)展是無錫學院建成高水平應用型本科高校的內在需求，同時也是適應區(qū)域經濟高質量發(fā)展和未來產業(yè)發(fā)展的重大需求。

大氣物理學是教育部大氣科學類專業(yè)教學指導委員會認定的大氣科學本科專業(yè)核心基礎課程[2]。大氣物理學是大氣科學專業(yè)本科生第一門核心基礎課程，擔負著專業(yè)興趣啟迪、基礎知識建立和專業(yè)價值觀引領的重要作用，對了解大氣過程和規(guī)律，深入理解氣象行業(yè)內涵和行業(yè)發(fā)展具有重要意義[3-4]。該課程的學習有利于學生具備大氣物理現(xiàn)象分析的基本能力，能夠建立簡單大氣模型及計算，掌握氣象資料分析的基本技能，能夠將基礎理論應用于創(chuàng)新實踐，具有綜合運用知識、獨立分析和解決問題能力。

一、課程存在的問題及教學難點

(一)課程特點

大氣物理學課程教學內容包含了各種大氣熱力學過程(如垂直升降過程、絕熱混合過程)、大氣輻射過程(如大氣吸收、大氣散射)和輻射傳輸過程。作為大氣科學專業(yè)的第一門理論課，大氣物理學課程有些概念比較抽象、控制方程多、各種原理也相對復雜，對數(shù)理基礎不夠扎實的學生來講，會感到學習上困難重重。因此要特別注意學習方法的建立，尤其注重數(shù)學和物理的有機結合，要將抽象概念與其所在的大氣實際過程相聯(lián)系，將數(shù)學方程的每一項都與其物理意義對應起來。其次，學習過程中必須建立一套由“系統(tǒng)(或對象)—過程(或條件)—控制方程—物理意義”形成的閉環(huán)模型，例如一旦確定目標系統(tǒng)為飽和濕空氣系統(tǒng)，讓它做絕熱抬升，則其必然為一等熵過程，通過對系統(tǒng)各部分熵值的計算，結合絕熱條件，即可得到濕絕熱方程，最后理解濕絕熱方程中各項的物理意義，即顯熱、潛熱和膨脹功在絕熱抬升過程中的相互轉化。

(二)教學難點

大氣物理學課程理論抽象、公式繁雜，學生理解困難并缺乏學習興趣；概念和知識點較多，知識體系有廣度和一定深度，但仍缺乏知識轉化吸收的辦法；傳統(tǒng)教學方式無法提升學生解決問題技能和探索創(chuàng)新的能力。

教學過程中大量數(shù)學推導可能會導致與物理概念脫節(jié)，大氣過程內在機理抽象，數(shù)學表達式(如空間輻射場)高度復雜，無法通過文字描述說清楚其外在具體表現(xiàn)形式，使得課程理論強、概念抽象、數(shù)理基礎要求高。因此，想辦法實現(xiàn)數(shù)學方程與物理意義的融合互通是課程教學改革的關鍵問題。

而且，大氣物理學偏理論，在實踐應用方面相對薄弱，教學中大量方程推導往往使學生重方程本身而忽略方程所表達的物理意義。例如，由方程參數(shù)變化引起氣象要素變化，這種變化又是通過哪些實際大氣現(xiàn)象來證實。以上問題急需理論教學與應用實踐緊密結合，也指明了本課程的改革方向，即理論與實踐結合、虛擬(氣象過程模擬)與實際(真實大氣)結合、產教融合，將枯燥的問題放到課外實踐任務中，利用任務來強化對概念和原理的理解和吸收，借助氣象業(yè)務部門的具體工作將理論轉化為現(xiàn)時應用。

二、教學設計與方法改革

(一)教學目標與教學內容

課程教學目標分為知識目標、能力目標和素質目標等三個部分。知識目標：系統(tǒng)掌握大氣物理學的基礎理論，熟悉大氣結構和成分特征，能運用相關理論深入分析大氣狀態(tài)、基本熱力學和輻射傳輸，熟悉典型大氣物理現(xiàn)象并能解釋其成因，理解云霧降水物理的宏微觀特征，了解大氣物理學理論前沿和發(fā)展動態(tài)。能力目標：具備大氣物理現(xiàn)象分析的基本能力，能夠建立簡單大氣模型及計算，掌握氣象資料分析的基本技能，能夠將基礎理論應用于創(chuàng)新實踐，具有綜合運用知識、獨立分析和解決問題能力。素質目標：具有良好的政治品格與社會責任感，具備進一步發(fā)展中國氣象事業(yè)的使命感，勇于堅持真理，堅持實事求是的科學道德，熱愛科學事業(yè)，弘揚謙虛、合作精神，具有較強的學習能力，樹立終身學習觀，具有不斷學習和發(fā)展的能力。

課程教學內容主要包括大氣的物理現(xiàn)象、物理過程及其演變規(guī)律，具體為地球大氣演化和結構、基本氣象要素、大氣熱力學過程、大氣輻射及其能量傳輸、大氣聲光電現(xiàn)象以及云霧降水物理等。同時本課程根據大氣科學專業(yè)人才培養(yǎng)方案，結合高年級后續(xù)諸多專業(yè)課程如天氣學原理、動力氣象學、云降水物理學等相關知識，進行適當?shù)膬热萃卣?，使教學內容能夠與后續(xù)課程有機銜接，為高級專業(yè)知識學習打下扎實的理論基礎。

通過分層梳理大氣科學類專業(yè)知識體系，教學內容上采取“有所取舍而又側重加強”的安排，不講“大而全”，提出針對大氣科學專業(yè)學生所必須掌握的專業(yè)基礎知識建立深入淺出、理論完整的教學內容框架。根據知識點重要性和難易程度，教學過程中設置對應難度的習題，對難點問題，結合教材所述概念，通過實際大氣現(xiàn)象和現(xiàn)實業(yè)務應用案例來闡明解決問題的過程。圍繞核心知識點，建立豐富的概念圖、原理模型和大氣過程圖解，為學生深入理解和實際應用提供幫助。教學內容的革新也促成了課程自編教材《大氣物理學》的出版[5]。

(二)教學模式改革

1.四路閉環(huán)式教學模式

為達成“知識體系—思維模式—應用創(chuàng)新”三位一體的教學目標，圍繞教學思路、科研教學、實踐應用和效果評價等四個方面，形成教學質量閉環(huán)模式。

強化師生在教學中的共同主體地位，通過師生溝通，準確設計課程總體教學方案。教學開展過程中，基于教學目標、內容和學情等要素測算課堂教學具體設計。將學生能勝任的極少量任務作為課前導學，課內教學的主要重心放到重點、難點問題的剖析和理解，課內教學突出師生互動與案例示范，課后答疑和師生討論是對知識點的鞏固，達成課前、課內和課后的循環(huán)結合?；谠摻虒W循環(huán)模式，實現(xiàn)學生和教師的雙主體地位和雙向激勵，提升知識學習和思維模式的高階融合。

課程知識點與教學體系相融合。遵循先易后難、由局部到整體的邏輯進行授課，例如不同章節(jié)是從不同角度對大氣物理過程的總結分析，不同知識內容之間又相互關聯(lián)，最終組成一個完整的大氣熱力學、大氣輻射等知識圖譜。因概念和原理復雜，所以采用思維導圖方式，引導學生理解知識點之間的相互關系，建立自己的學習方法，實現(xiàn)課程內容的系統(tǒng)化認識，進而融會貫通。

利用科學思維反哺教學，教學中體現(xiàn)科學思維的培養(yǎng)。大氣是一個復雜的混沌系統(tǒng)，且時空尺度變化多樣。在進行知識傳授的過程中，更加要注重學習前輩大師們對方程大膽合理簡化的科學思維，提煉出大氣物理學研究的普遍方法。例如，空氣分子在尺度上遠小于大氣熱輻射波長，當研究地氣系統(tǒng)長波輻射傳輸時，只有抓住決定長波輻射的主要因子(大氣吸收)，忽略那些次要因子(散射作用)，牢牢把握大氣中長波輻射的基本性質，則可通過對一般輻射傳輸方程的簡化，建立符合物理意義的數(shù)學方程?；谶@種科學思維，大氣物理學經典理論才得以建立，所以課程教學有必要對科學思維進行引導學習。

多種教學方式體現(xiàn)因材施教，將課堂教學、線上線下混合和現(xiàn)代數(shù)字教學平臺有機融合，實現(xiàn)信息化教學手段常態(tài)化?；诔菍W習通或中國大學慕課等線上平臺作輔助教學，與常規(guī)線下課堂教學有機融合，使用這些“互聯(lián)網+”技術統(tǒng)計課程考勤、整理課堂參與度和提問、作業(yè)和練習題完成度等反饋數(shù)據，達成教學全過程數(shù)據采集，實時了解學生表現(xiàn)和心理狀態(tài)，適時調整教學進度、優(yōu)化教學方法，提升課程改革目的性和科學性。

基本概念和原理通過線上傳授，線上分配主題任務，課堂以任務導向進行思維訓練和應用能力培養(yǎng)，激發(fā)學習興趣，實現(xiàn)多元化教學目標。線上保證課程完整性，課堂通過任務導向、案例教學和過程考核等方式實現(xiàn)“學習深度”挖掘，引導學生對知識點的深層次理解。充分利用互聯(lián)網資源，結合教學內容安排拓展任務，例如使用中國氣象局、歐洲氣象中心等站點了解氣象要素觀測數(shù)據、全球地面輻射資料，建立從概念到實際數(shù)據之間的聯(lián)系，利用MICAPS系統(tǒng)中大氣層結分析產品，理解有效勢能、條件不穩(wěn)定等基本概念，掌握大氣靜力穩(wěn)定度分析方法的業(yè)務實踐，實現(xiàn)感性和理性認識的結合。根據知識點教學需要，適時引入前沿學術成果和國內外科學實驗開展情況，學生通過校園電子圖書館查閱文獻和撰寫課程報告，將大氣物理學發(fā)展前沿引入課堂，實現(xiàn)經典內容與前沿的統(tǒng)一和課程的延伸。

依托于中國氣象局共建實踐教學基地與平臺，通過課外實踐任務，豐富和延伸大氣科學理論和實踐教學功能與能力，將課程教學內容做進一步拓展和應用。作為應用型本科高校，學生的應用實踐能力培養(yǎng)是關鍵，通過局校共建、校企合作的形式，組成學校專任教師和校外專家教學團隊，由教學內容孵化大學生學科競賽主題，提升學生實踐創(chuàng)新能力，再由課程內容的實踐擴展來反向鞏固理論知識，形成理論與實踐的雙向促進。

2.教學質量評價方法

培養(yǎng)高素質應用型人才必須對傳統(tǒng)單一的教學評價方式與考核機制進行改革。重視對教學過程的考核、考試形式的改革，采取多元化的教學評價方式對教師進行考核，例如教學資源建設、教材內容的更新、信息化教學手段的應用等。對應用型高校學生學習成果的考查應該綜合考慮平時成績、考試成績、課外實踐成果等多個方面，例如形式性考核與考試成績相結合，即以平時成績(包括課程考勤、文獻閱讀與課程報告)占20%、課程實踐(包括課程互動討論與任務達成)占30%和期末考試占50%的比例得到最終成績?？茖W合理的考核方式能夠真實地反映學生過程性學習狀況。

三、課程改革特色和實施成效

(一)改革特色

依托氣象行業(yè)優(yōu)勢和國內外開源氣象資料，局校專家共同參與大綱指定、課程內容優(yōu)化、課程設計等，通過線上任務分發(fā)、線下導師制下小組研討、氣象虛擬實驗和業(yè)務體驗等形式，打造獨具行業(yè)特色的實踐教學模式。

課程團隊采取了“四四二”教學理念，即“四策略”：從易到難策略、結合實際策略、團隊學習策略、因學施教策略；“四方法”：理論講授、課堂討論、現(xiàn)場教學、業(yè)務實踐等多種課堂教學方法；“二融合”：行業(yè)專家與本校教師的校企融合教學、科學研究反哺教學的研學融合。在學生、校內教師和行業(yè)專家的共同努力下，不斷強化教學本領、豐富課程教學內涵、提升課程的教學質量。

(二)實施成效

課程教學體系進一步完善，課程靈活度和拓展性大幅提高，課堂氣氛明顯改善，學生積極性與主動性顯著提高，線上線下互動活躍。局校雙教師改革，結合多種實踐教學平臺，全方位提升了學生的應用創(chuàng)新能力，體現(xiàn)了地方應用型高校人才培養(yǎng)的定位。

課程模式改革受到同行專家的好評，在全國同類專業(yè)中起到了示范作用。通過多年的發(fā)展和積累，形成了獨具特色和完備的知識體系和教學內容，出版的教材和制作的多媒體教學課件認可度高，被氣象培訓中心、國內大氣科學專業(yè)高校和各級氣象部門廣泛使用。行業(yè)依托下的“四四二”教學模式受到業(yè)務部門高度認可，建設完成了業(yè)務需求導向的數(shù)字化精品開放課程，極大提高了業(yè)務培訓的工作效率和教學效果。

結語

大氣物理學課程作為地方應用型本科高校大氣科學專業(yè)學生的首門專業(yè)基礎課程，經過多年的建設，在教學內容更新優(yōu)化、教學模式改革、產教融合等方面持續(xù)探索和實踐，取得了初步成效。依托和繼承了南京信息工程大學課程建設基礎，本課程在地方應用型高校獲得快速發(fā)展，教學改革模式初見成效，先后獲得校級多媒體課件獎、江蘇省在線精品開放課程、國家在線精品開放課程和國家一流本科生課程，出版江蘇省重點教材《大氣物理學》并獲氣象出版社優(yōu)秀科技圖書獎。