王巍巍 嚴(yán)家德

(南京信息工程大學(xué) 大氣物理學(xué)院，江蘇 南京 210044)

0 引言

隨著氣象觀測(cè)儀器自動(dòng)化程度的提高，越來(lái)越多的自動(dòng)站設(shè)備取代了已使用數(shù)十年的機(jī)械式儀器[1-3]。根據(jù)氣象業(yè)務(wù)“十一五”發(fā)展規(guī)劃[4]，到2010年止，全國(guó)已布點(diǎn)建設(shè)了3萬(wàn)多套自動(dòng)氣象站，有人值守和無(wú)人值守的自動(dòng)站結(jié)合，完善城市、農(nóng)村和重點(diǎn)林區(qū)、重點(diǎn)江河流域和水旱災(zāi)害頻發(fā)區(qū)、高速公路以及海域的氣象監(jiān)測(cè)站網(wǎng)的建設(shè)，自動(dòng)氣象站在氣象部門得到了非常廣泛的應(yīng)用，在氣象要素獲取上體現(xiàn)了無(wú)可比擬的時(shí)空密度優(yōu)勢(shì)。

作為以氣象為特色的學(xué)校，人才的培養(yǎng)不但要順應(yīng)科技發(fā)展，更要注重行業(yè)需求。大氣探測(cè)課程是面向本科大氣科學(xué)、大氣物理、應(yīng)用氣象、大氣探測(cè)等多個(gè)氣象及相關(guān)專業(yè)的必修課，是專業(yè)基礎(chǔ)課。該課程不但需要學(xué)生掌握基本的理論知識(shí)，還要具有數(shù)據(jù)處理技能和實(shí)踐操作能力。但隨著自動(dòng)氣象站的普及，給實(shí)踐教學(xué)的實(shí)施帶來(lái)了很大的問(wèn)題：自動(dòng)化、智能化儀器雖然操作簡(jiǎn)單，可視性好，可直接從電腦或顯示界面讀取數(shù)據(jù)，但學(xué)生動(dòng)手操作的機(jī)會(huì)大大降低了。若要充分利用課時(shí)，加強(qiáng)對(duì)技能、創(chuàng)新技能的鍛煉，就必須對(duì)大氣探測(cè)相關(guān)實(shí)踐教學(xué)和理論教學(xué)進(jìn)行改革。

1 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開放形式

開放性實(shí)驗(yàn)教學(xué)是進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)改革活動(dòng)中的一個(gè)重要措施，對(duì)于拓寬學(xué)生的思維方式，進(jìn)行更深層次的思考和設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能和創(chuàng)新能力等起著不可替代的作用。通過(guò)此種實(shí)驗(yàn)方式學(xué)生掌握的知識(shí)深度或受益遠(yuǎn)高于一般的課程實(shí)驗(yàn)。近幾年，隨著學(xué)?；A(chǔ)設(shè)施的完善[5]，我們也在積極挖掘，促進(jìn)教師加強(qiáng)設(shè)計(jì)性、綜合性、探索性實(shí)驗(yàn)的比重，鼓勵(lì)學(xué)生積極利用學(xué)校實(shí)驗(yàn)室資源，激發(fā)獨(dú)立思考、動(dòng)手設(shè)計(jì)的興趣，進(jìn)行探索性工作。針對(duì)學(xué)生的多樣性，設(shè)計(jì)了多元化的開放模式。

1.1 硬件制作實(shí)驗(yàn)

針對(duì)理科學(xué)生電路基礎(chǔ)參差不齊、儀器維護(hù)能力較差等因素，設(shè)計(jì)了小型自動(dòng)站設(shè)計(jì)項(xiàng)目。該項(xiàng)目通過(guò)制作小型自動(dòng)站學(xué)習(xí)板，能有效地幫助學(xué)生了解氣象要素測(cè)量的基本方法，掌握氣象傳感器的基本原理，了解氣象儀器的基本結(jié)構(gòu)。主要包括理論和實(shí)踐兩部分，首先由教師講解電路的基本知識(shí)、自動(dòng)站的設(shè)計(jì)方案、數(shù)據(jù)通信等理論知識(shí)；并給學(xué)生示范電流表、電烙鐵的使用方法，特別強(qiáng)調(diào)注意用電安全。之后讓學(xué)生3～4人作為一個(gè)小組進(jìn)行元件焊接、電路測(cè)試等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。完成后的自動(dòng)站學(xué)習(xí)板成品應(yīng)該能夠?qū)崿F(xiàn)溫度、相對(duì)濕度、氣壓等要素的測(cè)量和顯示。教師根據(jù)學(xué)生作品能夠顯示要素的數(shù)量和美觀度進(jìn)行評(píng)分。

該類實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)是對(duì)學(xué)生自身動(dòng)手能力、小組協(xié)作能力要求較高，實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)在3～4個(gè)學(xué)時(shí)。學(xué)生參與熱情高，但缺點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)材料耗損大。容納學(xué)生人數(shù)一般在20～30人左右。

1.2 軟件改良或開發(fā)實(shí)驗(yàn)

為體現(xiàn)我校氣象特色，在校園網(wǎng)、戶外顯示屏顯示氣象數(shù)據(jù)，由學(xué)生在教師的指導(dǎo)下完成常規(guī)氣象資料實(shí)時(shí)顯示功能，通過(guò)數(shù)據(jù)入庫(kù)、動(dòng)態(tài)圖形顯示、統(tǒng)計(jì)算法等步驟，實(shí)現(xiàn)了觀測(cè)資料實(shí)時(shí)顯示和動(dòng)態(tài)發(fā)布功能[6]。此外，學(xué)生通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)日常觀測(cè)中較為耗時(shí)間的操作，比如儀器的訂正系數(shù)顯示軟件、數(shù)據(jù)讀取軟件等。雖然軟件功能沒那么齊全、界面不漂亮，但正是在這一點(diǎn)一滴的積累中，鍛煉了自己的能力。

該類實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)對(duì)學(xué)生編程能力、設(shè)計(jì)能力要求高，基本無(wú)耗材投入，完成度一般較高。

1.3 探索性研究實(shí)驗(yàn)

針對(duì)畢業(yè)論文和實(shí)驗(yàn)室開放項(xiàng)目工作引導(dǎo)學(xué)生，結(jié)合在生活和學(xué)習(xí)中的所見、所感、所學(xué)，進(jìn)行題目/項(xiàng)目的設(shè)計(jì)。例如，炎熱的天氣，人們總感覺天氣預(yù)報(bào)給出的最高溫度低于實(shí)際人們感受的溫度。有些市民就會(huì)抱怨說(shuō)氣象局報(bào)不準(zhǔn)或者為了某種利益故意溫度報(bào)得比較低?；谶@種現(xiàn)象，和學(xué)生一起設(shè)計(jì)并測(cè)試了不同下墊面材料下溫度的變化情況，圖3給出的是晴天，草地、裸土、瀝青、水泥等不同材質(zhì)下墊面和氣溫溫度的24h變化，可以清楚地看到:人走在不同環(huán)境的路段上，溫度有很大的差異。以14時(shí)為例，瀝青路面的溫度最高，達(dá)到45℃以上；裸土次之；水泥的溫度最低。而同時(shí)刻的1.5m測(cè)量高度上的氣溫還不到20℃。此外，設(shè)計(jì)了積水對(duì)地面觀測(cè)的影響、不同風(fēng)向下污染區(qū)排放物對(duì)我校校園的影響等題目，培養(yǎng)了學(xué)生在學(xué)習(xí)中善于發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的能力。教師在指導(dǎo)過(guò)程中強(qiáng)調(diào)方案實(shí)施的嚴(yán)謹(jǐn)性，正視過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，積極尋找解決方法，切實(shí)保證數(shù)據(jù)的可靠性，建立起認(rèn)真的科研態(tài)度。

該類實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)是完成實(shí)驗(yàn)時(shí)間不定，數(shù)據(jù)積累一般為半年到一年的時(shí)間，該類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可以和大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新項(xiàng)目、實(shí)驗(yàn)室開放項(xiàng)目等課題結(jié)合或參與教師科研課題，有一定經(jīng)費(fèi)支持。有利于創(chuàng)新性、科研探索精神的培養(yǎng)，對(duì)學(xué)生吸引力大，很受學(xué)生的歡迎。以實(shí)驗(yàn)成果(論文或總結(jié)報(bào)告)和指導(dǎo)教師的考核評(píng)價(jià)作為評(píng)定指標(biāo)。

2 制度保障

實(shí)驗(yàn)室開放不僅僅是時(shí)間上、內(nèi)容上的開放，還要建立相應(yīng)的管理制度、穩(wěn)定的團(tuán)隊(duì)和完備的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

2.1 管理制度完善

健全的制度是保證開放性實(shí)驗(yàn)順利開展和效果的基本保障，針對(duì)開放實(shí)驗(yàn)實(shí)行申請(qǐng)流程審批形式，包括由教師或?qū)W生提出申請(qǐng)，實(shí)驗(yàn)中心組織專家進(jìn)行審批，保證實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的可行性和開出率。實(shí)驗(yàn)開展實(shí)行提前預(yù)約、即時(shí)登記制度。嚴(yán)格執(zhí)行儀器使用手續(xù)，保證設(shè)備的完好運(yùn)行性和有效使用率。此外爭(zhēng)取專項(xiàng)基金，用于儀器的維修費(fèi)用，避免管理人員由于無(wú)經(jīng)費(fèi)修不起儀器，不敢開放儀器,導(dǎo)致儀器閑置。

2.2 團(tuán)隊(duì)優(yōu)化

建立一支由理論課教師、實(shí)驗(yàn)教師、實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員構(gòu)成的，高級(jí)(38%)、中級(jí)(52%)、初級(jí)職稱(10%)分布合理的開放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目師資團(tuán)隊(duì)。指導(dǎo)教師教學(xué)科研經(jīng)驗(yàn)豐富。特別是近幾年積極引入電子信息與工程、自動(dòng)化專業(yè)等實(shí)驗(yàn)教師，加強(qiáng)了開發(fā)性、操作性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開發(fā)。此外，學(xué)校制定專門制度調(diào)整實(shí)驗(yàn)教師工作量考核機(jī)制，減少教學(xué)工作量的要求，使之有更多精力用于儀器設(shè)備維護(hù)、儀器開發(fā)、學(xué)生指導(dǎo)上。

2.3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)

所在中心實(shí)驗(yàn)室建立了多個(gè)觀測(cè)平臺(tái)：氣溶膠觀測(cè)平臺(tái)(大氣微量成分、大氣氣溶膠粒子、霧滴到雨滴的物理、化學(xué)和光學(xué)特性設(shè)備)；地面氣象觀測(cè)儀器平臺(tái)；全波段雷達(dá)系統(tǒng)平臺(tái)(激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、X波段雙偏振天氣雷達(dá)、C波段雙偏振多普勒天氣雷達(dá)、S波段多普勒天氣雷達(dá))；極軌和靜止氣象衛(wèi)星資料接收處理與應(yīng)用平臺(tái)；中心各種大型貴重儀器設(shè)備均配備專人負(fù)責(zé)管理和維護(hù)，儀器設(shè)備完好率98%以上，有力地保障了教學(xué)和科研工作的正常進(jìn)行。

3 結(jié)語(yǔ)

大氣探測(cè)開放項(xiàng)目是我們進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)改革的一次有益探索，經(jīng)過(guò)2年多的實(shí)施、改進(jìn)，已取得一些經(jīng)驗(yàn)。該模式促進(jìn)了教師和學(xué)生兩方面的積極性,一方面促使教師充分挖掘現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件,增加和改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方法,促進(jìn)了學(xué)生的參與意識(shí);另一方面加大了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的興趣，進(jìn)而開展探索性研究,多方面鍛煉學(xué)生的能力。開放方法也將在其他專業(yè)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行推廣。我們也將采取多種舉措，最終形成“以學(xué)生為中心”的開放模式[7]，在接收知識(shí)過(guò)程中由被動(dòng)變?yōu)橹鲃?dòng)，教師由施教者變?yōu)橐龑?dǎo)者。要搞好開放性實(shí)驗(yàn)。

在進(jìn)行開放實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，有以下幾點(diǎn)需要改進(jìn)和注意的地方：

(1)開放實(shí)驗(yàn)管理制度有待進(jìn)一步完善，開放實(shí)驗(yàn)的深入開展必須建立審批、評(píng)價(jià)、激勵(lì)制度，建立起可持續(xù)發(fā)展、不斷深化的開放性平臺(tái)。

(2)做好實(shí)驗(yàn)預(yù)備工作。特別是硬件制作方面，課前進(jìn)行些簡(jiǎn)單的電路訓(xùn)練工作，有利于實(shí)驗(yàn)成功率的提高，降低實(shí)驗(yàn)材料耗損，保證在規(guī)定的時(shí)間段完成項(xiàng)目。

(3)開放性實(shí)驗(yàn)可以和學(xué)生學(xué)分制度掛鉤，而實(shí)驗(yàn)教師也通過(guò)指導(dǎo)實(shí)習(xí)，得到工作量，有利于提高教師和學(xué)生的積極性。

(4)實(shí)行實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目預(yù)約制，讓學(xué)生根據(jù)自己的實(shí)驗(yàn)課時(shí)間和學(xué)習(xí)進(jìn)度，自主選擇實(shí)驗(yàn)時(shí)間。可以解決學(xué)生因?qū)嶒?yàn)條件制約的學(xué)習(xí)選擇權(quán)，做到真正意義上的開放。

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