大气探测开放性实践教学的探索

王巍巍 严家德

(南京信息工程大学 大气物理学院，江苏 南京 210044)

0 引言

随着气象观测仪器自动化程度的提高，越来越多的自动站设备取代了已使用数十年的机械式仪器[1-3]。根据气象业务“十一五”发展规划[4]，到2010年止，全国已布点建设了3万多套自动气象站，有人值守和无人值守的自动站结合，完善城市、农村和重点林区、重点江河流域和水旱灾害频发区、高速公路以及海域的气象监测站网的建设，自动气象站在气象部门得到了非常广泛的应用，在气象要素获取上体现了无可比拟的时空密度优势。

作为以气象为特色的学校，人才的培养不但要顺应科技发展，更要注重行业需求。大气探测课程是面向本科大气科学、大气物理、应用气象、大气探测等多个气象及相关专业的必修课，是专业基础课。该课程不但需要学生掌握基本的理论知识，还要具有数据处理技能和实践操作能力。但随着自动气象站的普及，给实践教学的实施带来了很大的问题：自动化、智能化仪器虽然操作简单，可视性好，可直接从电脑或显示界面读取数据，但学生动手操作的机会大大降低了。若要充分利用课时，加强对技能、创新技能的锻炼，就必须对大气探测相关实践教学和理论教学进行改革。

1 实验项目开放形式

开放性实验教学是进行实践教学改革活动中的一个重要措施，对于拓宽学生的思维方式，进行更深层次的思考和设计，培养学生的实验技能和创新能力等起着不可替代的作用。通过此种实验方式学生掌握的知识深度或受益远高于一般的课程实验。近几年，随着学校基础设施的完善[5]，我们也在积极挖掘，促进教师加强设计性、综合性、探索性实验的比重，鼓励学生积极利用学校实验室资源，激发独立思考、动手设计的兴趣，进行探索性工作。针对学生的多样性，设计了多元化的开放模式。

1.1 硬件制作实验

针对理科学生电路基础参差不齐、仪器维护能力较差等因素，设计了小型自动站设计项目。该项目通过制作小型自动站学习板，能有效地帮助学生了解气象要素测量的基本方法，掌握气象传感器的基本原理，了解气象仪器的基本结构。主要包括理论和实践两部分，首先由教师讲解电路的基本知识、自动站的设计方案、数据通信等理论知识；并给学生示范电流表、电烙铁的使用方法，特别强调注意用电安全。之后让学生3～4人作为一个小组进行元件焊接、电路测试等实验内容。完成后的自动站学习板成品应该能够实现温度、相对湿度、气压等要素的测量和显示。教师根据学生作品能够显示要素的数量和美观度进行评分。

该类实验的特点是对学生自身动手能力、小组协作能力要求较高，实验学时在3～4个学时。学生参与热情高，但缺点是实验材料耗损大。容纳学生人数一般在20～30人左右。

1.2 软件改良或开发实验

为体现我校气象特色，在校园网、户外显示屏显示气象数据，由学生在教师的指导下完成常规气象资料实时显示功能，通过数据入库、动态图形显示、统计算法等步骤，实现了观测资料实时显示和动态发布功能[6]。此外，学生通过编程实现日常观测中较为耗时间的操作，比如仪器的订正系数显示软件、数据读取软件等。虽然软件功能没那么齐全、界面不漂亮，但正是在这一点一滴的积累中，锻炼了自己的能力。

该类实验特点对学生编程能力、设计能力要求高，基本无耗材投入，完成度一般较高。

1.3 探索性研究实验

针对毕业论文和实验室开放项目工作引导学生，结合在生活和学习中的所见、所感、所学，进行题目/项目的设计。例如，炎热的天气，人们总感觉天气预报给出的最高温度低于实际人们感受的温度。有些市民就会抱怨说气象局报不准或者为了某种利益故意温度报得比较低。基于这种现象，和学生一起设计并测试了不同下垫面材料下温度的变化情况，图3给出的是晴天，草地、裸土、沥青、水泥等不同材质下垫面和气温温度的24h变化，可以清楚地看到:人走在不同环境的路段上，温度有很大的差异。以14时为例，沥青路面的温度最高，达到45℃以上；裸土次之；水泥的温度最低。而同时刻的1.5m测量高度上的气温还不到20℃。此外，设计了积水对地面观测的影响、不同风向下污染区排放物对我校校园的影响等题目，培养了学生在学习中善于发现问题的能力。教师在指导过程中强调方案实施的严谨性，正视过程中出现的问题，积极寻找解决方法，切实保证数据的可靠性，建立起认真的科研态度。

该类实验的特点是完成实验时间不定，数据积累一般为半年到一年的时间，该类实验项目可以和大学生实践创新项目、实验室开放项目等课题结合或参与教师科研课题，有一定经费支持。有利于创新性、科研探索精神的培养，对学生吸引力大，很受学生的欢迎。以实验成果(论文或总结报告)和指导教师的考核评价作为评定指标。

2 制度保障

实验室开放不仅仅是时间上、内容上的开放，还要建立相应的管理制度、稳定的团队和完备的实验平台。

2.1 管理制度完善

健全的制度是保证开放性实验顺利开展和效果的基本保障，针对开放实验实行申请流程审批形式，包括由教师或学生提出申请，实验中心组织专家进行审批，保证实验项目的可行性和开出率。实验开展实行提前预约、即时登记制度。严格执行仪器使用手续，保证设备的完好运行性和有效使用率。此外争取专项基金，用于仪器的维修费用，避免管理人员由于无经费修不起仪器，不敢开放仪器,导致仪器闲置。

2.2 团队优化

建立一支由理论课教师、实验教师、实验技术人员构成的，高级(38%)、中级(52%)、初级职称(10%)分布合理的开放实验项目师资团队。指导教师教学科研经验丰富。特别是近几年积极引入电子信息与工程、自动化专业等实验教师，加强了开发性、操作性实验项目的开发。此外，学校制定专门制度调整实验教师工作量考核机制，减少教学工作量的要求，使之有更多精力用于仪器设备维护、仪器开发、学生指导上。

2.3 实验平台建设

所在中心实验室建立了多个观测平台：气溶胶观测平台(大气微量成分、大气气溶胶粒子、雾滴到雨滴的物理、化学和光学特性设备)；地面气象观测仪器平台；全波段雷达系统平台(激光雷达、毫米波雷达、X波段双偏振天气雷达、C波段双偏振多普勒天气雷达、S波段多普勒天气雷达)；极轨和静止气象卫星资料接收处理与应用平台；中心各种大型贵重仪器设备均配备专人负责管理和维护，仪器设备完好率98%以上，有力地保障了教学和科研工作的正常进行。

3 结语

大气探测开放项目是我们进行实践教学改革的一次有益探索，经过2年多的实施、改进，已取得一些经验。该模式促进了教师和学生两方面的积极性,一方面促使教师充分挖掘现有的实验条件,增加和改进实验方法,促进了学生的参与意识;另一方面加大了学生对实验的兴趣，进而开展探索性研究,多方面锻炼学生的能力。开放方法也将在其他专业实验室进行推广。我们也将采取多种举措，最终形成“以学生为中心”的开放模式[7]，在接收知识过程中由被动变为主动，教师由施教者变为引导者。要搞好开放性实验。

在进行开放实验的过程中，有以下几点需要改进和注意的地方：

(1)开放实验管理制度有待进一步完善，开放实验的深入开展必须建立审批、评价、激励制度，建立起可持续发展、不断深化的开放性平台。

(2)做好实验预备工作。特别是硬件制作方面，课前进行些简单的电路训练工作，有利于实验成功率的提高，降低实验材料耗损，保证在规定的时间段完成项目。

(3)开放性实验可以和学生学分制度挂钩，而实验教师也通过指导实习，得到工作量，有利于提高教师和学生的积极性。

(4)实行实验项目预约制，让学生根据自己的实验课时间和学习进度，自主选择实验时间。可以解决学生因实验条件制约的学习选择权，做到真正意义上的开放。

参考文献：

[1]张庆阳,张沅,李莉,等.大气探测技术发展概述[J].气象科技,2003,31(2):119～123.

[2]刘学军,李亚军,李玉峰.自动气象站运行、维护及自动站数据与人工观测资料的对比分析[J].山西气象,2004,(2):35～39.

[3]游泳,王小兰,余海蓉,等.四川省自动气象站质量控制技术简介[J].四川气象，2007,27(2):40～44.

[4]气象事业发展“十一五”规划[N].中国气象报，2007-08-30(003).

[5]史金联.高校实习基地建设与管理探讨[J].陕西教育：高教版,2009,(5):21～22.

[6]王巍巍，杨军，严家德，吴迪.加强特色学科建设，提高实践教学质量[J].中国科教创新导刊，2012,(25):115～116.

[7]江捷.感悟英国高校多元化的教学方法[J].实验技术与管理,2009,26(2):175～177.