大型仪器在气象类专业本科实践教学中的应用

李永秀

摘 要：大型仪器设备是高校开展教学和研究工作的重要工具，该文以行业特色高校南京信息工程大学为例，分析了大型仪器设备在气象类专业本科教学中的应用现状，指出了目前存在的主要问题，并针对专业特点提出了可行的应对措施，对未来大型仪器教学可能的发展方向进行了展望，以期为提高大型仪器在本科教学中的使用效益、提升人才培养质量提供参考。

关键词：大型仪器 气象 实践教学 创新能力 实践能力

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）06（b）-0144-02

大型精密仪器设备是培养高层次人才、开展科学研究及技术创新的重要工具和手段，也是高等学校办学实力和科研水平的重要标志[1，2]。南京信息工程大学是江苏省政府、教育部与中国气象局共建的一所具有鲜明行业特色的高校，其气象类专业在国内外享有很高的声誉[3，4]。近年来，在各共建部门支持下，学校购置了一大批国际领先的大型仪器设备，单价40万元以上大型贵重仪器设备数量达到800多套，这些设备在促进科研成果产出的同时，其教学功能也得到了一定的开发利用，为本科生创新能力、实践能力的培养提供了硬件支持。然而，由于管理制度、技术支持及功能开发方面尚存在较多问题，导致目前大型仪器在本科教学中的应用仍然停留在尝试阶段，其教学效益有很大提升空间。该文以该校应用气象学院为例，对大型仪器设备在本科教学中的应用现状及存在的问题开展分析和探讨，立足于学校气象类专业特点提出相应的改进措施及发展方向，以期为高校合理配置资源、提高大型仪器在本科教学中的使用效益、提升人才培养质量提供参考。

1 大型仪器设备在本科教学中的应用现状及存在问题

目前，该校气象类专业的很多大型仪器设备已经在本科教学中得到应用，如应用气象学专业的必修课“应用气象仪器”专门讲授该专业相关的大型仪器设备（自动气象站、土壤CO2通量连续多点观测系统、光合作用仪等），通过对大型仪器的操作实践，学生不仅掌握了仪器的原理、功能及操作方法，而且验证了他们在其他专业课上所学的理论知识，并在此基础上尝试自主设计实验，有效培养了学生的创新能力。学生在学习中，当发现文献中许多高水平的科研成果均出自与自己实习所用相同型号的仪器设备时，其学习的积极性和主动性都得到了有效激发，提升了他们对科学研究的兴趣。在“微气象学实习”课程的教学中，也应用了大型仪器涡度相关通量观测系统，通过学习该系统的工作原理、系统组成及数据处理，进一步巩固了微气象学中有关湍流通量的理论知识，并对湍流通量的观测及计算有了深入的了解。相较于抽象的理论公式，这样的教学实践能使学生对湍流交换有更加直观的认识，改进了教学效果，启发了学生的科研思维。此外，学校还通过开设学生自主型的开放实验项目来鼓励学生参与创新性实验，这类项目大都涉及到大型仪器设备的应用，使他们学会了利用高科技的精密仪器来探索科学规律，锻炼了他们的独立思考能力。

尽管大型仪器设备已经较多地应用于气象类专业的本科教学，但受单个仪器台套数及操作复杂性的限制，大型仪器应用的广度和深度还远远不够，主要存在以下3方面的问题：（1）仅限于部分专业课程，并未普遍应用于本科教学。（2）实验项目主要是演示性和验证性的，创新性的实验项目数量较少。（3）由于大型仪器大都比较复杂，学生要熟练掌握大型仪器非一朝一夕之事，在有限的课时内要学生独立运用大型仪器开展实验是很难实现的。

2 提升大型仪器本科教学应用水平的措施

要提升大型仪器在气象类专业本科教学中应用的广度和深度，必须立足于气象类专业实践教学的特点，制定有针对性的应对措施。气象类专业相关的实践教学活动几乎都在室外进行，所观测的要素都具有很强的时空变化规律，实验数据的处理分析是实验中非常重要的一部分。针对上述特性，可以从以下4个方面来进行应对：（1）在实验项目的设置上，可以设置两个层次的项目：第一个层次是必修项目，以教师演示及学习仪器操作为主，主要目的是让学生了解仪器的原理、功能、基本操作方法及初级的数据处理；第二个层次是选修项目，可以让学有余力或感兴趣的学生选修，在第一层次学习的基础上，启发学生自主设计实验项目，通过独立开展实验、处理数据来发现科学规律。（2）在实践教学活动中，可灵活安排实验过程，来解决仪器数量少及课时数不足的问题。例如：在气象要素的观测实验中，需要进行全天24小时或数天的连续观测，但每次观测的方法都是相同的，因此，可以利用周末时间，将学生分组排班，每组学生只进行几个时刻的观测等观测全部完成后，将几组的数据集中起来分析，这样每个学生都有机会独立操作大型仪器，且工作强度适中，获取的数据量大，有利于后期的数据处理及结果分析。（3）在丰富教学课件和录像的同时，通过引入模拟软件，让学生在操作仪器前，先通过模拟软件对系统的功能和菜单有全面了解，对测量步骤进行预演，最后再运用仪器完成实验任务，这种教学方法不仅有效提高了实验效率，而且有助于强化学生对教学内容的记忆，改善了教学效果[5]。（4）定期开设大型仪器设备培训班，并通过理论考试、实验操作及数据分析三个方面来进行考核，为合格者颁发证书，在实验室开放项目、实践创新项目的申报上给他们优先权，鼓励优秀学生利用大型仪器开展课外实验项目。

3 结语

气象类学科具有实验性强、应用性强的特点，主要依靠先进的探测手段来获取可靠的观测数据，进而推动理论分析计算的发展和突破，因此，实验实习教学在气象类专业创新人才培养中具有十分重要的地位，尤其是大型仪器设备代表了最先进的技术手段，能够帮助气象工作者获得高时空分辨率的、高精度的观测资料，因此，在本科教学中广泛应用大型仪器设备是我国气象事业对人才的需求，也是行业特色高校进一步发展的需求。虚拟仪器技术是一种利用个人计算机强大的图形环境和在线帮助功能，通过建立虚拟仪器面板对仪器进行控制、显示及数据分析的先进技术手段，它可以有效辅助传统仪器教学，提高仪器的使用效率，降低仪器维护成本[6]。未来，虚拟仪器可与真实仪器相结合，用于大型仪器的本科教学，从而有效解决大型仪器数量少、维护成本高的问题[7]。可以预见，在不久的将来，气象类大型仪器普遍、深入地用于本科教学将会变得更加简单、可行。

参考文献

[1] 王力清，毛荣，刘青，等.行业高校大型仪器开放共享现状及原因分析[J].实验室科学，2015，18（4）：181-184.

[2] 李云峰，汪成楚，李剑峰，等.理工类高校大型仪器设备共享模式的探讨[J].实验技术与管理，2010，27（3）：288-291.

[3] 杨沈斌，申双和，景元书.现代应用气象人才实践能力培养体系建设的思路与实践[J].高等教育研究，2013， 30（2）：45-47.

[4] 杨再强，申双和，景元书，等.面向社会需求，应用气象专业创新实践能力培养与实践[J].科技创新导报，2010（3）： 230.

[5] 于洋，苑玮琦.在线分析仪器课程教学改革探索[J].中国大学教学，2013（1）：68-69.

[6] 孙德轶.虚拟仪器在实验教学中的应用研究[D].长春理工大学，2007.

[7] 姜洪喜，邓慧，任敦亮，等.基于虚拟仪器与真实仪器整合的大学物理教学改革[J].科技资讯，2015（12）：185.