人工影响天气虚拟仿真实验及课程体系建设

刘晓莉，吕晶晶，陆春松，杨素英，陈景华

（南京信息工程大学a.中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室；b.大气科学与气象信息虚拟仿真实验教学中心，南京 210044）

0 引言

人工影响天气作为大气科学的重要分支，是一门理论和实践紧密结合的学科。人工影响天气指用人为手段使天气现象朝着人们预期的方向转化，主要包括人工增加降水、人工消雹、人工消云雾等人类对天气有意识的影响活动［1］。近年来，我国人工影响天气工作快速发展，作业能力和管理水平不断提升，在服务农业生产、支持防灾减灾救灾、助力生态文明建设和保障重大活动等方面发挥了重要作用［2］。整体上看，我国目前已经形成了较为完备的人工影响天气相关技术、业务与管理体系，综合实力与科技水平不断提高［3］。

人工影响天气实际工作中，不同作业区域、作业对象可能需要采取不同催化工具、催化剂及催化剂量开展人工催化作业。这些催化方案的设计需要基于自然云降水宏微观特征提出。然而，自然云降水过程具有较大的时空变率，在催化方案设计中对催化云区开展云中水凝物粒子浓度、粒径、相态、形状等微物理特征的直接认识显得非常必要。目前，对自然云微结构认识最直接有效的手段是采取机载探测系统在催化云区开展观测。而机载观测体验涉及仪器品类繁多、价格高昂、空域限制等问题都是实体实验课程中难以解决的问题。

同时，人工影响天气涉及催化方案设计、方案实施、效果评估及方案优化等多重环节，在传统实验教学中因为云降水、人工催化活动时空跨度大及云降水过程的不可重复性，受到诸多限制，几乎不可能在高校建设系统性的人工影响天气实体实验教学平台。以往基于实验室针对催化剂活化、冰核浓度、降水粒子谱等内容的实验教学缺乏系统性、真实性和可探究性，学生难以建立起人工影响天气的完整知识体系。

多年来，在人工影响天气理论和实体实验教学中一直存在着学生对人工催化的云微物理环境缺乏感性认识，对于人工影响天气业务操作关键环节缺乏体验，使得学生难以将人工影响天气的基本科学原理与催化技术及业务操作有效结合。在教学过程中虽然也通过实际案例介绍、文献调研、课堂翻转等方式调动学生学习的主观能动性，但是学生在课程学习中还是缺乏情景体验、实际操作及主观探索。由于不是所有的云降水过程都适合于人工影响天气作业，使得学生在相关业务单位开展实践学习的过程中也不能保证遇到合适的天气过程，得以开展人工影响天气实践活动。

基于以上考虑，以学生自主解决实际问题为出发点，针对人工影响天气课程的重点和难点，在“能实不虚，虚实融合”的实践教学理念指导下，开发了虚拟仿真实验教学平台。虚拟仿真实验教学是实现教育信息化的重要内容［4］，是教育部着力打造的五大“金课”之一，其建设水平要坚持“高阶性、创新性、挑战度”的标准［5-7］。虚拟仿真实验可以弥补传统实体实验诸多不足［8-9］，相对抽象、枯燥、难以理解的知识以直观形象的方式有效呈现［10］，使得实验教学在空间和时间上得到拓宽［11］。目前，虚拟仿真实验教学已成为本科和研究生大气科学实验教学的重要手段［12-13］。

1 人工影响天气虚拟仿真实验建设

1.1 虚拟仿真实验建设目标

为了加深学生对人工影响天气原理、技术与方法的科学认识，提高学生科技创新能力，依托我校双一流学科、国家级和省级虚拟仿真实验教学平台，基于实际机载云物理探测及人工催化过程的虚拟仿真，建立虚拟仿真实验平台（见图1）。学生通过课前、课中及课后虚拟实验操作，完成人工催化方案设计、方案实施、效果评估和方案优化4 项、16 学时实验内容，能够从人工影响天气基本科学原理、人工催化技术及业务流程等方面的认识中得到全面提升，以达到以下教学目的：

图1 人工影响天气虚拟仿真实验设置及教学流程

（1）加深学生对于暖云、冷云降水及冰雹过程人工催化原理的理解。

（2）掌握人工影响天气中常用催化工具、催化剂及催化技术。

（3）熟悉并掌握人工影响天气业务作业流程，并能独立设计人工影响天气作业方案。

（4）掌握人工影响天气效果评估方法，能够对人工影响天气作业效果开展综合、客观和科学评估。

（5）基于效果评估结果，学生可通过自主探索、分组讨论、师生互动，深入开展项目式探究，对人工催化方案进行优化。

（6）加深学生对于人工影响天气知识结构的理解和认识，增强学生解决实际问题的能力及自主创新意识。

虚拟仿真教学平台将云微物理环境及催化后云的宏微观物理响应等校内实体实验中难以呈现的现象展示给学生，增强理论学习的新鲜感、立体感。将催化剂活化、冰核浓度、地面降水粒子谱观测等实体实验成果融入碘化银（AgI）催化剂在云中增加冰晶的催化效应及催化效果评估等虚拟实验内容。

从课前基础理论知识的牢固掌握，到人工影响天气业务操作流程，再到自主设计催化方案、开展人工催化方案优化，难度递进，虚拟仿真实验既保证了学生对基础理论和业务操作流程的牢固掌握，也有一定的难度和挑战性，并为学生开展自主探索提供足够空间。实验中，学生可以最大限度地实现自主实验方案设计，通过多次不同实验方案尝试，深入学习实验内容，探究实验方法，这是传统实验教学所不能比拟的。

最后，学生基于理论教学和实体实验中的疑问和思考，结合虚拟仿真实验结果，通过小组讨论和师生互动积极开展研讨，形成实验报告。通过虚拟仿真实验操作，实现“理论—虚拟仿真—理论”的循环学习模式，将探究式、合作式学习有效植入课程教学。

1.2 虚拟仿真实验建设特色

（1）突破时间、空间局限，完善课程知识体系。以中国气象局人工影响天气业务操作流程和云降水探测、数值模拟数据为基础，构建了云降水微物理环境及人工催化作业虚拟仿真实验（见图2）。通过实际操作，增强学生对于人工影响天气业务操作的立体感和体验感，引导学生将云降水物理学、人工影响天气中的理论知识融会贯通，将基础理论与实际云降水物理过程及人工催化紧密联系。

图2 人工影响天气虚拟仿真实验界面

（2）突破自然云降水及人工催化过程的不可逆及不可重复性。自然界中没有两块完全相同的云，自然云及催化过程具有不可逆及不可重复性。因此，不能在自然界中对同一块云反复实施不同催化部位、催化时间、催化工具及催化剂的播撒实验。虚拟仿真实验通过对同一次云降水过程实施多次不同部位、时间及剂量的催化实验，鼓励学生自主设计催化方案，并评估作业效果，加深学生对于人工催化作业流程、技术及方法的感官认识，提高学生独立思考问题与解决问题的能力。

2 课程体系和教学方法革新

2.1 充分发挥学生学习的主观能动性

在理论课及虚拟仿真教学中以问题为导向，极大限度地凸显学生的主体性、调动学生学习的主观能动性。教学中，对于云降水观测、数值模式在人工影响天气中的应用和人工影响天气业务平台建设等方面，从“如何搭建一个人工影响天气中的云降水探测平台？”“人工影响天气中的数值模式应该有哪些组成部分？”“人工影响天气业务平台与常规气象预报平台有何不同？”这样的问题展开。通过学生独立思考、小组讨论、课堂发言等环节，形成学生独立认识。教师对学生的讨论结果给予补充、完善、总结。经过这样的过程，学生即开展了独立思考、得到自己的独立认识，通过小组讨论和教师补充也对自我认识实现进一步完善。最后，学生组成研究小组，完成成果总结、撰写研究报告。通过极大程度调动学生学习的主观能动性，激发学生的学习兴趣与科技创新意识。

2.2 培养科研创新型人才

前沿科研成果应用于本科教学是科教融合和卓越育人的重要驱动力［14］。我国人工影响天气科技水平飞速发展，无形中对在校本科、研究生教学提出了新的要求。课程组教师均处于科研教学一线，具有丰富的人工影响天气科研教学经验，并主持相关领域科研项目。开发的虚拟仿真实验紧密结合“云降水物理学”“人工影响天气”课程基础理论知识，并不断引入最新研究成果，通过虚拟仿真教学平台对实际云降水观测、人工催化的流程体验，进一步增强学生学习的体验感。2020～2022 年间，课程组主要教学人员参加国家重点研发计划“人工影响天气基础理论、数值模式技术研究”第五课题“人工增雨效果综合检验”的研究工作，并取得众多创新性成果。基于相关科学研究的进展，课程组主要成员开发了“半干旱区生态保护虚拟仿真实验”“自然及催化云中粒子谱演变飞机观测虚拟仿真”等虚拟仿真实验，进一步丰富了虚拟仿真实验教学内容。

同时，在同学们已经熟悉并掌握人工影响天气基础理论及业务流程的基础上，围绕云降水物理学及人工影响天气领域的前沿科学问题，形成了科技创新团队。团队指导老师以中青年教授、副教授及讲师为主，博士、硕士研究生和本科生共同参与科学问题探讨及科研工作的开展。在云、雾微结构观测认识、云降水机理数值研究、人工影响天气催化效果评估及云辐射、气候效应等方面形成了本科生创新团队。教师的指导及博士、硕士研究生的参与帮助本科生更快找准自己的科研方向，确立自己的科研目标，在研究方法上也可以得到具体指导，提高了科技创新效率。通过一段时间的努力，课程组带领多支队伍获批省级、国家级大学生科技创新项目。

3 学习资源建设

3.1 新版教材编写

教学团队以往多基于国内外云降水物理、人工影响天气相关专业书籍及课程组讲义开展教学工作。在教学过程中也暴露出一些亟待解决的问题。人工影响天气既有其科学原理，也有其技术方法和手段；既要考虑对云、降水宏微观特征的综合观测，也要借助数值模拟手段，还要对作业效果开展综合、客观的评价；还需包含业务组织、实施相关内容，可谓包罗万象。此外，伴随着观测和计算机技术的飞速发展，人工影响天气技术水平及科学性、有效性也在不断地发展成熟。因此，在人工影响天气相关的教学参考书中，一方面需要对该学科众多知识点组织得更为系统化，帮助初学者更快的认识到其中精髓；另一方面需要结合学科和认识的发展，对理论知识体系和催化技术手段进行内容上的更新。

基于以上考虑，课程小组的主讲教师分工合作、结合自身科研教学专长，编著出版一本适合于高校本科、研究生专业学习及业务人员参考使用的教材《当代人工影响天气原理与方法》［15］。

3.2 丰富的线上学习资源库建设

依托虚拟仿真实验和理论课线上教学平台，建设了丰富的线上学习资源。线上资源包含理论、室内实验及虚拟仿真实验教学课件、主要知识点讲解视频、室内实验介绍及课程思考题相关的视频资源、课后习题及测试题、中英文文献等。学生可以根据线上学习资源随时、随地开展理论知识学习，了解室内实验内容及主要结果。通过虚拟仿真实验的开展，可进一步实现理论联系实际。

4 结语

综上所述，人工影响天气虚拟仿真实验平台构建了从高空到地面的虚拟实验环境和实验对象，能使学生较好地掌握人工影响天气相关基础理论知识和技术方法，有助于形成课程知识体系的完整知识图谱。通过建设丰富的线上资源及编著教材，实现了教学内容的丰富及教学空间的延展。基于已有课程体系建设，有助于学生夯实理论基础，锻炼动手能力，形成感性认识。先进教学成果在教学体系中的引入及本科生在科研团队的加入，充分调动学生学习及科技创新能力。在今后的教学过程中，将进一步增强学生的主观能动性，尝试形成学生为主体、教师为引导的教学模式。通过从被动接受到主动索取求知的转变，激发学生的学习兴趣与探索能力。