研究型教学在“数值天气预报”课程中的应用

王云峰 邹力

【摘要】研究型教学，是指教师以课程内容和学员的学识积累为基础，引导学员创造性地运用知识和能力，自主地发现问题、研究问题和解决问题，在研讨中积累知识、培养能力和锻炼思维的新型教学模式。本文通过对研究型教学模式进行探讨，并应用在“数值天气预报”课程的教学实施中，通过授课教员有机整合授课内容，有序展开课外创新活动，达到了明显改进教学质量、培养学员创新意识、提高学员创新能力的效果。

【关键词】研究型教学 数值天气预报 教学质量 创新能力

【资助课题】国家自然科学基金（41375106），江苏省自然科学基金（BK20131065）。

【中图分类号】G64 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2015）03-0228-02

一、引言

研究型教学，也称研讨式教学，是指教师以课程内容和学员的学识积累为基础，引导学员创造性地运用知识和能力，自主地发现问题、研究问题和解决问题，在研讨中积累知识、培养能力和锻炼思维的新型教学模式[1]。

研究型教学的目的，在于培养本科生的创新意识和创新能力。用批判的态度继承，用创新的精神学习，树立为创新而继承、为创新而学习的精神[2]。与单纯的课堂讲授教学模式相比，研究型教学具有鲜明的特征，并充分体现了创新教育的理念。在研讨式教学中，教师与学员的关系逐渐从“主动-被动”的单向关系转变为“主动-主动”的双向关系，学员可以通过自主研究与老师的共同探讨实现知识的获取和能力的提高。

我国的高校教育改革始于1998年，高校扩招政策使更多学子有机会接受高等教育，保障了广大人民群众平等接受教育的权利，有利于社会整体素质的提高。经过连续十多年的扩招，我国高校教育的规模已经跃居世界第一，高校教育进入了大众化的阶段。为了更好地提升国民素质，高校的学历教育不仅是一种知识的学习，而更应该是一种思维的训练；不仅是一门科学技能的锻炼，而更应该是一种创新能力的训练。因此，加强研究型教学这种教学模式的应用，对于培养高校学员的综合素质、提高创新能力具有非常重要的意义。

数值天气预报是依据初始时刻的大气状态，通过数值求解大气运动方程组预报未来天气的方法。这种方法无论是在大气动力学理论研究还是在业务天气预报中都有广泛应用，已经成为天气预报现代化的一个重要方面。开设《数值天气预报》课程的目的在于系统地介绍数值天气预报的基本原理，模式设计和格式构造的思路方法，为今后从事这方面的工作准备必要的基础[3]。因此，教学过程中，应该以研究型教学为主要手段，遵循实施素质教育、突出创新能力培养的指导思想，使学员夯实基本知识、掌握基本技能、培养基本能力、提高基本素质。

本文将研究型教学模式在《数值天气预报》课程中的实际应用情况展开分析，并就取得的经验及未来的改进途径展开思考。

二、实际应用情况分析

任课教员结合《数值天气预报》课程的特色，通过在教学实践中不断摸索，确定了一种以研究型教学模式为主的教学模式，既促进了教员的进步，也明显提高了教学效果，培养了学员的创新意识和动手能力。具体体现在以下三个方面：

（一）授课教员自我素质的快速提高

传统的教学模式是单向传授模式，即“教师教什么，学员就学什么；教师怎么教，学员就怎么学”。研究型教学模式中，学员已成为学习真正的主人，教员主要的责任在于更好地引导，特别是在学员探索未知领域和社会实践等活动中，教师更要起到组织、引导、启发等作用。换言之，这种教学模式其实是对教员本身的学识积累、科研素养等提出了更高的要求。教员除了对本课程的内容有清楚的了解，而且要能够将教材内容与科学问题有机结合，将传统理论与科研课题相结合，通过研讨和争论，形成鲜明的学术见解。这样，才能脱离“照本宣科”，将课讲“好”、讲“活”，在拓宽学员知识面的同时，启迪学员的创新性思维，使学员能够自己发现和提出科学问题，自主获取知识。

《数值天气预报》课程的实施，需要教员对差分格式的设计、数值模式的架构、湿物理过程的参数化方案、初始场的调整等都要做到了然于心，同时对于这些知识的最新进展和科学前沿，也要非常熟悉，这样才便于更好地指导学员。而这些知识和能力的积累，需要教员参加各种科研项目，通过积累的科研实践、技术攻关的丰富经验，以研促教、以教促研，从而提高授课质量。

（二）授课内容的有机整合

教学模式的改变必然涉及到教学内容的有机整合。我国数值天气预报的研究工作开始的比较早，1955年在没有电子计算机的条件下，用图解法作出了准地转两层模式500hPa的24小时预报。在我国104电子计算机研制成功之后，建立在气象学、流体动力学和数学紧密结合基础上的数值天气预报得到了突飛猛进的发展。尤其是计算机和数值模式高速发展的今天，新的技术和新的方法如雨后春笋般出来。因此，《数值天气预报》课程最早使用的教材内容，发展到现在有很多已经不适合了。教学模式的改变，促进了教学内容的更新和有机整合。为此，教员必须非常注重理论内容更新，紧密追踪国内外最新研究进展，并时刻关注其他院校的教材更新，力争将最新的技术和方法引入到课堂中来。同时，对于《数值天气预报》课程的内容，也必须作出巨大调整，在遵照“人才培养方案”和“课程标准”的大前提下，对教学内容按照知识点群的架构进行重新组合，以新型气象保障系统中对数值天气预报的要求来选择课程内容，并以知识综合、创新设计为原则设计各种“小论文”题目，让学员通过围绕特定主题而展开调研的方式来获得更全面的知识，通过撰写创新研究型的小论文而训练出更全面的能力，通过辩论和做学术报告来培养更全面的素质。

研究型教学所传授的应该是活的知识，是实际与理论的结合体，因此授课教员在深刻领会好“是什么”，“为什么”的同时，更要从基层台站建设的特点规律上进行思考研究，紧密联系基层台站的实际需要，帮助学员回答好“怎么办”的问题。以数值天气预报模式的选择为例，各种不同的数值天气预报模式所需要的计算资源和资料来源都有着数量级上的差异，对于总部级的气象中心来说，由于超级计算机群和卫星接收装置的配备，运行全球模式是可行的，但是对于偏远地区的台站来说，运行区域数值预报模式都可能是奢望，只能运行一些简单的程序来进行解释应用。所以，在进行教学的过程中，要针对不同的情况，作出多种层次的讲解和对比，让学员通过研究型的调研，具备“举一反三”多条线路的思考方式，深刻理解学习这门课的重要意义和灵活方式，便于将这门课的知识和技能应用于日后的工作之中去。

总之，通过对授课内容的有机整合，在课堂中为学员提供了发现问题、研究和解决问题的基本程序，提供了丰富的实践机会，为学员在今后工作中开拓创新提供了可资借鉴的经验。

（三）课外实践活动的紧密结合

研究型教学的一个重要特点就是淡化了课内课外的时间观念，使教学不再仅仅是课内的事。课外实践活动成为教学过程的重要一环。

1.编写程序

作为《数值天气预报》这门课程，其最重要的实践活动就是编写数值预报程序。教员根据教学进展和学员的基础，从第一堂课开始，每次课都就布置了相应的小程序和小算法的课后编程训练任务，从水平插值算法、垂直插值算法、迭代计算、地图放大系数、平流差分格式设计、变量配置设计、守恒差分格式设计等等，一直到最后编写正压原始方程模式，一步步由浅入深，让学员完成了理论知识的积累和编程能力的锻炼。

2.图形显示

如何将计算结果用最合适的方式表现出来，对于科技工作者来说也是一个重要的关键问题。所以，教员也注重加强了图形显示方面的训练。通过教员引导，学员们收集了Grads、NCL、MatLab、Graph、IDL、AutoCAD等多种绘图软件，通过训练学会了如何根据不同的科学意图，合理地去使用它们，从而最有效地表达出最好的效果。根据教员和学员的努力，总结出如下一套画图的经验：

（1）图想表达什么，就要让人一眼看出；

（2）真实地表达资料，不要随便插值。最大、最小值要反映出来，特殊处理要说明；

（3）小值用浅色，大值用深色，颜色变化应该是连续的；

（4）出图的大小与出版的大小应该差不多；

（5）等值线、XY轴的字都必须清晰可见，大小应该为12号；

（6）每个图的图解都要写清楚，图解中不需要写画图目的和讨论内容。

3.创新活动

教员充分利用学校组织的大学生科技竞赛这个平台，根据学员的特点和能力，进行个性化的教学和培养，积极撰写科技小论文。

大学生科技竞赛的选题可以来源于学科研究热点问题，也可以来自相关业务实践工作的需求。例如结合北京2008年的奥运会气象保障，进行数值模拟和天气预报保障研究；结合影响中国的登录台风个例，进行台风路径的数值模拟和机理分析研究；结合北京“721”暴雨事件，进行暴雨个例的模拟与暴雨机理的分析研究；等等。通过竞赛，使学员训练了科研能力，增强了自信感。

课堂不仅是学习的基地，也是研究的基地，更是出现创新思想的基地。在实际的教学活动中，教员要充分利用大学生科技竞赛、毕业设计等契机，吸收学员参与科研，有利于学员们温故知新，无形之中加深了对理论的理解，巩固了所学知识。另外，通过参与科研活动，可以使学员有机会接触专业领域的最新动态，了解科技前沿和发展趋势，激励进一步学习和研究的兴趣，培养他们理论联系实际的能力以及团队合作意识和精神。

（四）总结及思考

研究型教学模式的应用是一个系统的工程，涉及到教员自身素养的不断提高、课程内容的有机整合、课外实践活动的紧密结合等。但是，在教学过程中，还需要考虑学员有效学习、研究时间的保证，科研场所和硬件条件的保证等实际存在的困难。因此，还需要不断摸索开展研究型教学的有效途径，做到理论和实践的有机结合，不断提高学员的综合素质，为国家培养更多的人才。

参考文献：

[1]韦寶平.创新教育视角下的研究型教学[J].江苏高教，2003，（4）：85-86.

[2]范群成，徐彤、席生岐等.研究型教学在“材料科学基础”课程的实践与思考[J].中国大学教育，2012，（8）：61-62.

[3]周毅，侯志明，刘宇迪等.数值天气预报基础，北京：气象出版社，2003.6（2013.8重印）