《大气边界层物理学》课程教学的几点思考

王咏薇 朱 彬

(南京信息工程大学 大气物理学院，南京 210044)

大气边界层指离地面1～2km范围的大气层最底下的一个薄层，它是大气与地球表面直接发生相互作用的层次，与天气、气候以及大气环境研究有非常密切的关系。由于人类的生命和工程活动绝大多数都是发生在这一层次内，所以大气边界层的研究又与工业、农业、军事、交通以及城市规划和生态环境保护等紧密相关。

《大气边界层物理学》课程为大气科学各专业本科及研究生的学科基础课，同时可作环境科学、海洋科学和应用力学等专业研究生选修课。该课程针对不同学科背景交叉的研究生，重点介绍大气边界层物理最基本的内容，包括大气边界层的特征，描述大气边界层的主要数学物理工具，大气湍流理论，大气边界层的半经验相似理论、数值模拟、大气污染扩散以及大气边界层探测的原理和方法等。

笔者根据近几年在本科和研究生课程教学过程中的经验及认识体会,分析和探讨当前课程状况以及亟需进行的教学改革工作，以期提高该课程的教学质量。

1 课程内容及课程设计

对于本科生，该课程内容设计为通过课程学习，使学生掌握大气边界层物理的基本概念、基本理论、基本的研究方法，为将来从事天气、气候、大气环境等相关领域的业务及研究工作打下基础。而对于研究生，在基本知识已经掌握的基础上，还应针对天气、气候、空气污染、环境工程、生态环境等学生不同学科背景交叉的状况，重点对大气边界层研究方法、相关进展、目前存在的难以攻克的问题等展开讲解，为学生能够从事相关研究提供良好的知识平台。

大气边界层的基本研究方法通常是采用理论和实验相结合，并以实验为主。理论上有以混合长理论和相似理论(量纲分析)为基础的半经验理论及以概率论数理统计为基础的湍流统计理论，在应用中又以半经验理论为主。实验方法则是以野外观测及室内模型实验同时进行。同时，近几十年来，由于计算机速度的不断提高，大气边界层的数值模拟研究方法成为一种常用的研究手段。

因此，该课程的特色应在于理论教学与野外观测及上机实习等实践课程并重，即在本科教学过程中除了应注重大气边界层理论教学外，进行相应的大气边界层探测实践，使学生掌握观测试验及数据分析的方法也是该门课程的关键。此外，对于研究生，还应加设一定课时的边界层数值模拟上机实践课程。即本科生课程设计主要包括基础概念与基础理论的学习，以及大气边界层平均场湍流场的观测实践、上机数据分析实践等环节。而硕士研究生本身具有基本概念和理论的基础，因此课程内容主要包括进一步的基本理论的学习、大气边界层平均场湍流场的观测实践、数据分析上机实践环节以及大气边界层数值模拟环节。

当前，本科与硕士研究生教学都偏重于基础概念及理论的教学，相应的实践环节还需从教学大纲、教学内容、相关教材等方面进行全面的改进。

2 讲义及教材编著

国内《大气边界层物理学》教学可选的参考书主要包括《边界层气象学导论》[1]、《边界层气象学教程》[2]、《边界层气象学基础》[3]、《大气边界层动力学》[4]等。

以上参考书中，《边界层气象学导论》[1]较为系统全面地阐述了早期大气边界层基本理论、观测手段、数值模拟等内容，概念清晰、推导严谨、由浅入深，并且包括相当数量的习题，是大气边界层入门学习的最佳教材，然而该书相对较为全面宽泛，内容较多，并且已绝版。《边界层气象学教程》[2]与《边界层气象学基础》[3]两本书内容相对集中、系统，适合大气科学类本科生教学，但是同样已绝版，无法作为理论课教材。赵鸣等2006年新版的《大气边界层动力学》[4]可购买，但是该书偏重边界层动力学方面，内容艰深，适合研究生教学。

同时，随着数理科学的发展，计算机技术及探测技术的发展，当前大气边界层研究有了长足的进展，一些新的较为成熟的理论需编纳进入新的教材。

目前本科生课程教学并无教材可用。同时，大气边界层物理实践课程，无论本科生及研究生都无合适的教材可选。因此，从最初的讲义入手编著本科生理论教学教材以及相应实践课程教材的工作亟待开展。

3 教学方法与手段

《大气边界层物理学》课程内容既包括边界层基础概念，例如湍流通量、雷诺应力、湍流基本概念等，又包括边界层动力学控制方程组，并且加以有混合长理论和相似理论(量纲分析)为基础的半经验理论及以概率论数理统计为基础的湍流统计理论等，内容较为繁杂艰深，难以理解，且内容相对枯燥，因此在课程讲解时，教学方法与手段显得尤为重要。应采取整体性、综合性、动态性、应用性、全体性和启发性的原则[5],对十分繁杂的教学内容和有限的教学时数，要先进行分析，列出哪些内容必须要在课堂上详细讲解，哪些内容可以通过学生自学完成，哪些内容通过学生查阅参考文献获得知识，再采用课堂答疑的方式讲解，让学生自己进行综合归纳，这样就摒弃了过去所有的章节都在课堂上详细讲解的方法，在有限的教学时间内极大地丰富了教学内容，将十分复杂的教学内容分出了层次，同时也锻炼了学生独立自主的学习能力。

针对少数学生缺乏学习主动性的情况，采用了设疑、课堂讨论、专题辩论、阶段小测验等方法活跃课堂气氛。通过实践,在这几种方法中,课堂讨论和专题辩论最能调动学生的积极性。因为为了完成某科学问题的讨论，学生要去准备相关的资料，不仅要去图书馆查阅相关文献,还要写成讲稿，在查阅、整理资料过程中，学生就认真主动地进入课程学习，在一定程度上避免了学生因其他因素造成对课程学习的消极和懈怠，调动了学生的学习积极性。

在课程内容讲解的过程中，加入一些时事热点以及教师现有研究内容、研究经历。例如,在讲授采用位温垂直廓线的演变分析高压大陆边界层结构的演变过程中，讲解完基本变化，辅以教师本人关于应用位温廓线分析随着城市发展，边界层结构变化的相关成果，使学生对课程内容增加兴趣，并且更好地掌握。

4 科学研究及气象业务发展对该课程的要求

大气边界层的研究与天气预报、气候预测以及大气物理研究有非常密切的关系。由于人类的生命活动几乎都是发生在这一层次内，所以大气边界层的研究又与工农业生产、环境保护等紧密相关。近年来，由于大量与大气运动有关的实际问题日益受到重视，国内外许多非气象领域的科学工作者，尤其是力学工作者，也对大气边界层研究产生了兴趣，与此相关的有工程气象学、工业空气动力学、环境流体力学等新的交叉学科。人们在解决航空安全保障、高层建筑物设计、风能利用以及空气污染防治等问题的过程中，都需要对大气边界层的结构特征有深入的了解。

人为活动对气候变化的影响已是不争的事实。而人类活动对天气气候的影响首先以大气边界层作为输送通道。随着人为活动的增加，地球表面城市不透水地面的增多，建筑物的增高增密，绿地及庄稼植被相应减少，人为排放热量的增加，工厂、交通污染物排放的增加等等，这些因素都对天气气候的变化造成影响。但是影响机理如何，影响程度如何等等这些科学问题的解决都需首先对大气边界层的湍流输送等问题进行研究。从风工程、核电工程、以及如何利用风能、太阳能等自然绿色能源角度，也需要准确地把握大气边界层的风、温度、辐射等基本场的变化。

随着数理科学的发展，以及计算机和探测技术的发展，我们拥有更多的理论或者探测工具对大气边界层的波、涡、湍流、扩散等复杂运动进行研究，这些学科及技术的发展极大地促进了大气边界层学科的进展。要想更好地进行大气边界层课程的教授，为相关研究提供基础，就需要掌握当前新技术、科学发展对本学科的新贡献、新进展，而不是根据老的教材照本宣科。

同时，科学研究及气象业务发展要求高校教师在教学工作中，要不断提高自身教学能力和水平，不断用最新的科研成果充实自己的知识结构。这就要求教师要进行科研工作[6]。通过严谨的科学研究工作，教师的认识水平和解决科学问题的能力有了提高，从而有助于提高在相关知识点的教学质量和学生的学习兴趣。例如，在讲授大气边界层结构变化时,可以结合科研成果，针对不同下垫面边界层结构的日变化进行讨论，并对人们生活中夜间稳定边界层结构下污染浓度剧增的危害进行分析说明，使学生用课本知识解释日常生活中遇到的问题，提高对相关教学内容的理解。

5 结语

(1)当前《大气边界层物理学》课程内容应根据不同学科背景、不同专业方向的特点和课程体系中相关课程内容的衔接进行科学选择，以达到知识点覆盖全面,各专业课程之间内容互补的要求。当前课程内容实践教学部分不完善，且无合适教材可用。本科课程重点在基础理论，基于本课程特色，需进行实践课程的设计。研究生学习需注重边界层研究进展的阐述。

(2)该门课程内容艰深，理论枯燥，应针对课程的教学特点，在教学手段、课件制作、课堂教学方法上不断创新，选择适当的教学方式和方法，不断提高教学效果。

(3)当前科学研究及气象业务发展对该课程提出了更高的要求，专业课程教学应和相关科学研究活动紧密结合，教师需要通过科研活动不断提高自身教学水平，并使科研工作很好地服务于教学。

[1][美]R.B.Stull.边界层气象学导论[M].杨长新,赵鸣，等，译.北京:气象出版社,1991.

[2]赵鸣.边界层气象学教程[M].北京:气象出版社,1991.

[3]蒋维楣.边界层气象学基础[M].南京:南京大学出版社,1994.

[4]赵鸣.大气边界层动力学[M].北京:高等教育出版社，2006.

[5]张英彦.更新知识观念改革高校教学[J].中国高教研究,2006，(2):70～71.

[6]汪志勇,胡祥余,张祖德.高校教学与科研关系之讨论[J].教育与现代化,2002，(2):12～14.