基于科研导师制度的实验教学模式创新探讨

陈科艺 郑佳锋 刘琰琰

[摘 要] 基于科研导师制度，提出对现有本科实验教学模式的创新探讨，将气象观测和数值天气预报教学与导师科研工作有效融合的教学形式，可使学生的学习动力及效率、专业知识综合应用，以及气象业务能力等方面均显著提升;科研论文、创新大赛成果较以往更为丰硕，形成“教”“学”互助的良性循环机制。创新性实验教学理念和方法为支持学院学科建设，培养既熟练掌握大气科学基本理论和观测应用技能，又能够在业务单位迅速熟悉气象预报系统的高素质应用人才，奠定了坚实的基础。

[关键词] 科研导师制度;实验教学模式;创新培养

[基金项目] 2019—2022年国家自然科学基金项目“卫星微波观测资料的全天候同化关键技术研究”（41875039）;2020—2021年成都信息工程大学本科教学工程项目“‘农业气象学’勞动教育示范课程”（BKJX2020051）

[作者简介] 陈科艺（1980—），女，四川攀枝花人，理学博士，成都信息工程大学大气科学学院副教授，硕士生导师，主要从事卫星资料同化及数值天气预报研究;郑佳锋（1988—），男，福建莆田人，理学博士，成都信息工程大学大气科学学院副教授，硕士生导师，主要从事雷达气象学研究;刘琰琰（1982—），女，河南南阳人，农学博士，成都信息工程大学大气科学学院副教授，硕士生导师，主要从事农业气象学研究。

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2022）15-0057-04 [收稿日期] 2021-10-25

随着计算机技术的发展和科学研究的深入，数值天气预报成为天气预报的主要手段。其利用一定的初值和边界条件，通过高性能计算机进行数值计算，求解描写天气演变过程的动力学和热力学的方程组，进而预测未来一定时段内的大气运动状态和天气现象，为社会生产和人民生活提供气象保障服务[1]。要提高数值天气预报的准确率，除了要有高密度的地面和高空气象观测网为数值模式初始场提供质量可靠的气象要素数据以外，培养熟悉气象观测和熟练掌握数值天气预报模式运行及数值产品释用的本科人才亦是不可缺少的重要教育环节。而在高等院校，教学和科研是两大支柱，利用教师自身的科研优势和科学素养，将科研融入实验教学的模式，对于开发学生的实践和创新能力，培养符合用人单位需求的创新型复合型人才，已成为当今高等教育改革探索的核心[2]。《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）》明确强调高等教育要重视培养在校大学生的创新能力、实践能力和创业精神[3]。因此，立足于科研并有利于科教融合的本科生导师制度促进实验教学模式的创新和质量提高均值得探讨。

一、本科生科研导师制度

成都信息工程大学大气科学专业是本校的传统优势学科，2004年被评为四川省重点建设学科，2017年获批四川省一流建设学科，2020年入选国家级一流本科专业建设点，气象行业特色鲜明。为培养本科生的科研意识，提高学生的科研素质和科研能力，提升气象人才的创新实践能力，大气科学学院从2015年开始在大气科学和应用气象两个专业的本科生中实行科研导师制度。

该科研导师制度实施时间从本科第四学期开始，导师范围为我院专职教师和参与指导我院本科论文的教师。实施方式为师生双向选择，基本前提是学生自身需具备浓厚的兴趣和意愿接受创新和科研训练，教师需具备培养和指导学生的条件和意愿。学生按个人研究兴趣或未来职业倾向报选对应的导师，而导师也可通过学生成绩、兴趣、创新创业经历和未来规划等，综合考虑并接纳学生。双方一旦都达成意愿后即可向学院报备并确立关系。为确保成效，每个学生仅能报选1名导师，而每个导师指导学生不超过5个。确立关系后，导师将逐步从文献查阅、实践操作、程序编写、科研绘图和论文写作等方面对学生进行指导和训练，而学生可加入导师的课题或项目组，同时可参加全国大学生创新创业比赛等项目，积极参加国内外学术活动等。整体而言，我院科研导师制度旨在保证学生在学有余力的前提下，根据学生的兴趣和未来职业倾向，培养更专和精的创新性本科气象人才。

二、优化实验教学体系

学院要求选择科研导师的本科生均要随导师进行业务学习和科学研究，导师则对学生从科研或业务上进行专业和实践的指导，使学生能够把握理论前沿，学习新方法和新技能，并能熟练运用于未来的研究和工作中[4]。实验教学作为是知识转化、拓展和应用的重要手段，是全面提高学生综合素质的重要教学环节，也是高等教育创新体系中的重要组成部分[5]。基于科学研究的实验教学是将学生置于研究者的地位，使其通过探索未知，实现“要我做”到“我想做”“我要做”的转变[6];亦使其在科学实验中，提高实践和创新能力。

（一）优化观测实验教学体系

人类对大气运动规律和云雨现象的认识始于气象观测，气象观测最重要的目标就是为数值天气预报提供数据基础，使预报员和计算机更好地获悉大气的状态和水汽条件、动力学条件、热力学条件等，从而减少误差，做出准确的预报。根据天气预报的需要，气象观测对象通常包括温度、气压、湿度、风和云雨宏微观参数等气象要素。气象观测服务于天气预报，但它属于交叉学科范畴，其与气象设备直接相关;而气象设备又以电子信息和遥感原理等为基础，具有操作性强、理论和实践结合紧密等特点。传统实验教学中，教师通常以课堂讲授和软件操作为主要手段，学生较为被动，且抽象难以掌握。国内大气科学类专业的本科生课程体系中，与气象观测相关的课程还是以讲授为主，实验环节课时有限且较为分散，学生通常难以扎实掌握，也无法与天气预报等有机结合。

鉴于科研导师制度中学生角色的主动性，导师以思路指导和实际业务或科研问题驱动来补充气象观测的实验教学。如气象观测中的雷达观测，气象雷达是目前能够以高时空分辨率观测空中云雨三维信息的主要手段，它对数值模式的短时临近天气模拟和预报具有关键作用。我校虽开设了“雷达气象学”课程，但由于课堂讲授的“电磁波”“遥感”和“三维扫描”等都具有很强的抽象性，学生很难具体掌握雷达资料并灵活应用。另一方面，我校具有中国气象局大气探测重点开放实验室，拥有多部地基和移动式的气象雷达，因此通过科研导师制度可为实验教学进一步提供设备和资源。在导师的指导下，学生不仅可加强对气象雷达的深入理解，甚至还可延扩至研究领域。首先，由于气象雷达在雨季需全天候运行，学生可通过导师提供的资源，学习雷达观测规范和实际操作手册，参与雷达汛期的值班和气象保障，充分接触雷达的硬件实体和软件操控，结合课堂理论所学加深对雷达观测的认识。其次，学生可参与到导师的雷达野外科研试验中，野外试验通常是为明确的科学问题而开展的观测任务，除气象雷达外，还通常配备其他不同的气象观测设备;在导师的指导下，学生积极参与野外观测，明确观测为天气研究和数值预报提供何种资料，如何与其他设备相互配合等。这不仅使学生掌握了雷达观测，还培养了对气象科学问题的理解。

实行科研导师制度以来，在学校和气象部门的支持下，我院每年都选拔科研导生在我校中国气象局大气探测重点开放实验室、温江气象局、西南空管局等开展观测值班实习;也在国家和省部级科研项目的支持下，由导师带领学生前往青藏高原、川西和华南等地，开展气象野外观测试验，利用课堂外的科研实践补充对数值天气预报中气象观测实验的教学。

（二）科研融入数值预报教学体系

1958年，英国科学家、哲学家Michael Polanyi将人类知识分为两类，一类为言传知识，包括书面文字、图表、公式等，另一类为隐性知识，包括各种非系统阐述的、无法连贯起来的知识，其主要是在具体的实践过程中，尤其是失败中获得的[7]。数值天气预报实验技能正是属于这类隐性知識范畴，其对于学生设计实验能力和操控大型计算机能力要求很高。气象专业的本科院校通常开设了“数值天气预报”和“数值计算方法”两门课程，然而实验教学部分课时量少，学生只能浅尝辄止，难以满足人才培养的需求，必须要有足够时长的训练和反复进行各类天气的数值预报实验，才能获得操作体验，并积累足够的实践经验，此过程无法通过书本或者他人的经验获取和替代。根据Michael Polanyi的隐性知识理论，获取此类知识是在“干中学”，是在实验、出错、纠正的循环往复的过程中形成的。数值预报实验能力的培养也不是一蹴而就的，而是通过多次重复、循环进行实验的螺旋上升式的培养模式达成的。因此，在培养过程中，导师应充分利用自身丰富的知识储备和实践经验，指导学生在课余时间有条不紊地一步步动手实践，学会设计针对各类天气的预报实验，运行数值天气预报模式，分析数值计算结果，将课堂所学知识与数值实验有机结合起来，做到专业课知识与实验实践知识的融会贯通，既可优化数值预报教学体系，也可通过反复的实验实践提高学生进行数值天气预报的综合能力，从而提升进入业务单位的毕业生质量和用人单位的满意度，对于学院的学科建设亦是极大的支持。

对于本科生而言，利用WRF模式进行数值实验的整套流程不仅要求熟悉Linux/Unix操作系统，并进行模式系统的安装和编译，而且要求在清楚每个操作模块功能的前提下进行模式的各模块运行，灵活利用相关文件进行各类天气个例实验相关参数设置和物理参数化方案的选取，能够将实验运行结果可视化（绘图），解释所得预报结果，并进行相应的天气学分析。这一系列实验操作对学生的动手能力、逻辑思维能力及大气科学专业知识的融会贯通都是一个极好的综合实践训练，也使学生不仅站在预报员的角度，也站在科研工作者的角度对天气个例实验进行探讨和分析，亦能更加深入地理解和综合应用所学专业知识。由此可见，科研导师制度不仅可以提高学生进行数值天气预报实验和对数值预报产品释用的能力，而且也是对传统课堂教学的有力补充和良性支持。

三、科研导师制效果评定

通过合理设计天气学实验，鼓励学生带着社会对天气预报服务的需求和提高天气预报准确性的心态做实验，将极大地提高学生进行气象观测和数值天气预报实验的兴趣和积极性;同时，利用导师的科研基础和科研成果反哺数值天气预报教学，通过这种开放式、自主式、探索式的教学模式和师生双方的积极参与，培养学生的创新思维和实践能力，并且有可能通过这样的实验及实验内容的延伸获取初步的科研成果，申报大学生创新创业等项目，撰写毕业论文，甚至发表科研论文，提升本科生的业务能力和科研能力。以我校大气科学学院2016级本科生为例，截至2020年6月毕业前，共计39人次获得73项各类科技竞赛和大学生创新创业大赛奖项，其中国家级37项，省部级8项，校级28项;7人发表科研论文9篇，其中SCI收录1篇，国内核心期刊收录4篇，本科生培养质量较往届有了非常明显的提升。大气科学学院的大学生创新创业训练计划项目立项数目，也从2017年的6项逐年递增到2020年的27项，这些均与科研导师制度的实施密切相关。

结语

基于科研导师制度的大气科学学科的实验教学模式，紧紧围绕我国气象服务现代化和业务单位对气象预报人才培养的综合需求，将科研融入气象观测和天气预报实验教学，使本科生从被动接受较为僵化的课堂教学，转换为在科研导师的引导下，以预报员和科研工作者的角度进行探索性的实验实践学习，在科学实验中提高学生的学习积极性、思考能力、创新能力及团队合作能力，进而提升气象事业预备人才的综合业务水平和素质。创新性实验教学理念和教学方法对于支持学院学科建设，培养既熟练掌握大气科学基本理论和观测应用技能，又能够在当下数值天气预报普及的业务单位迅速熟悉气象业务系统的高素质应用人才，奠定了良好而坚实的基础。

参考文献

[1]田永祥，沈桐立，葛孝贞，等.数值天气预报教程[M].北京：气象出版社，2017：276-298.

[2]肖雄，王炜，兰茜，等.科研与教学相融合的模式在兽医产科学实验教学中的应用[J].职业教育，2019（12）：76-79.

[3]郄芳.教育质量政策的设计与思考：解读《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020）》[J].当代教育科学，2011（23）：29-31.

[4]华维，周筠珺.气象预报实验教学中心实验教学体系的改革与探索[J].实验技术与管理，2018，35（5）：225-228.

[5]朱昌兰，欧阳林娟，钟蕾.培养创新能力为核心的农学类实验教学体系构建[J].实验室研究与探索，2013（6）：124-127.

[6]曹瑞明，冉清文.关于深化大学生创新创业教育的思考[J].中国青年社会科学，2016，35（1）：104-108.

[7]吕念玲，袁炎成，黄晓梅，等.实验教学重在过程[J].实验技术与管理，2017，34（6）：154-156.

Exploration on the Innovation of the Experimental Teaching Mode Based on the Tutorial System of the Scientific Research for Undergraduates： Taking the Courses of Numerical Weather Prediction and Radar Meteorology as Examples

CHEN Ke-yia， b， ZHENG Jia-fenga， b， LIU Yan-yana

（a.School of Atmospheric Sciences; b. The Key Laboratory of Plateau Atmosphere and Environment of Sichuan Province， Chengdu University of Information & Technology， Chengdu， Sichuan

610225， China）

Abstract： Based on the tutorial system of scientific research for undergraduates， the innovation of the experimental teaching mode is proposed. By effectively integrating the teaching of meteorological observation and numerical weather forecast with the tutor’s scientific research work， we can significantly improve the students’ learning motivation and efficiency， the comprehensive application of professional knowledge， and the meteorological professional ability. The achievements of scientific research papers and innovation competitions are more fruitful than before， forming a virtuous circle mechanism of mutual assistance between teaching and learning. We have adopted innovative experimental teaching ideas and methods to train talents who are proficient in the basic theory and observation application skills of atmospheric science.

Key words： tutorial system of scientific research; experimental teaching mode; innovative training