大气物理学基础课程教学改革研究

王皓 何维

（成都信息工程大学 四川·成都 610225）

0 引言

大气物理学是大气科学的基础学科，是从物理学基本原理和数学方法出发去理解和分析大气过程与大气现象，该课程在培养学生对大气物理过程的理论分析能力和推理能力上具有重要作用。为了培养在掌握现代电子技术理论、通晓电子系统设计原理与设计方法、具有较强的计算机和相应工程技术应用能力的同时具备一定基础的气象学理论知识的“气电结合”人才，我校为电子信息工程专业气象探测方向的学生开设了必修课程“大气物理学基础”，为进一步学习天气学、大气探测及大气遥感等专业课奠定基础。

随着高等教育规模不断扩大，高等教育面临着科学技术飞速发展和知识迅速更替的挑战。全国调查显示，在专业教育中存在“双不足现象”，一方面是高等教育所培养的学生实践能力不足；另一方面是学生理论知识远离生产实践，并且储备不足[1]。这一现象反映出专业教育教学的效果仍需加强。目前“大气物理学基础”教学过程中暴露出课程内容理论性强且相对枯燥繁杂、部分学生缺乏主动性等问题。针对教学过程中存在的这些不足，结合课程和本校自身发展的特点，从改革教学思路、更新教学内容、加强实践和改革考核模式等多个方面，为“大气物理学基础”课程教学提供了主要的改革思路和改革内容，以此进一步提高教学质量，建设一流线下课程，提升学生学习的效果，培养面向气象、民航、国防等部门的气象高级人才。

1 课程主要存在问题

经过多年的“大气物理学基础”课程教学，总结了该课程在教学过程中存在的一些不足，主要有以下几个方面：

1.1 课程内容相对枯燥繁杂

该课程中包含大量复杂而抽象的物理学理论原理、数学方法和实验方法。对学生来说，需要具有数学物理功底的同时，还需要具备从现象到理论模型的建模分析能力和逻辑思维能力。在教学的过程中，教学手段和方法尤为重要。

1.2 实践环节不足

联系实际的实践，可以将抽象问题具体化。大气物理难点不仅在于学生自身具备的知识积累和认知能力不够，还在于学习内容本身过于抽象，实践环节的缺乏会导致学生更难理解部分理论原理。因此，可以在掌握基本理论的基础上开展实践工作，对大气物理过程开展更深入的理解和分析。

1.3 教学方式方法对气象探测方向的学生针对性不强

大气物理原来是大气科学专业的基础课程，结合课程和本校自身特点，为电子信息工程专业气象探测方向的学生开设了“大气物理学基础”。当课程所针对的专业发生了改变，所对应的课程设在教学大纲和教学方法也需要做出调整。

2 改革主要内容与措施

2.1 教学内容改革

教学内容设计是提升教学质量的重点环节，将直接体现教学目的和教学目标。为了学生今后的工作和能够开展相关科学研究提供良好的基础，正确处理单门课程和相关专业课程间的关系，应该根据专业研究领域不同和后续课程的结构，进行有侧重点的教学，同时科学选择教学内容，及时更新本学科领域的最新研究成果。

“大气物理学基础”是我校为电子信息工程专业气象探测方向开设的课程，本课程以大气中的基本物理过程和过程间的彼此关系为研究对象，培养学生在发掘问题、理解问题和处理问题上应有的科学方法。在教学内容侧重点上，根据本专业教学大纲和课程体系的构成，将大气概况、大气热力学基础和大气辐射学基础作为重点进行教学。使气象探测方向学生建立对大气层结构特征及气象要素的三维时空分布的认识，掌握大气物理过程和现象的物理机制，清楚大气层中辐射能量的传输特点，了解大气的热力过程。指引学生把物理学中的物理关系和物理规律应用到大气科学中，并使用普通物理和高等数学等课程中的基础知识认识到大气科学中的物理过程，为进一步学习相关专业课奠定基础。

根据近年来的教学实践经验，选择北京大学出版社出版的《大气物理学》作为教材。具体教学内容将结合本课程大纲要求把教材中的内容进行收集、选择与整理，在规定学时内，将各个章节的内容划分为需要在课堂上详解的重要内容和学生自学完成的内容，并自制成较为系统的电子课件。对于学生自学完成的内容，通过学生查阅参考文献进行自我归纳，以课堂答疑的方式进行讲解，利用较为有限的时间丰富与完善教学了教学内容，同时进一步锻炼了学生的自主学习能力。在向学生推荐参考书籍的选择上，以突出特点、避免同水平和同类别的重复为原则，有针对性的挑选著名出版社编写的优秀教材作为补充和辅助教学的参考书籍，通过对科学问题的不同解释说明，引导学生树立自己的观点和想法。

2.2 教学方法改革

提高教学质量和加强课程建设的重要途径是教学方法的改革。传统课堂教学往往是以教师为主体的教学[2]，学生往往只是被动的接收老师传授的知识，在这种教育方式使得师生之间缺少了有效的互动。成果导向教育（Outcome-based Education,OBE）是实现学生特定学习产出的教育过程[3]，OBE教学理念是一种以学生为中心的教育教学思想，强调的不仅仅是“教”和“学”，而是“教与教”“教与学”“学而学”和“学与评”之间的彼此循环的关系逻辑，在此基础上，进一步推动课堂上教师和学生间的交流，学生与学生之间的交流。根据目前“大气物理学基础”课程教学中存在的问题，可以采用OBE教学理念进行教学改革，从而提升课程的教学质量。

由于课程内容具有复杂而抽象的特点，在进行教学时，对于抽象的教学内容可以使用直观的教学法，联系实际生活，使学习对象具象化。随着现代化信息技术的发展，具象化教学手段上要充分发挥信息技术的优势，通过图片、视频等多媒体进行教学的演示，使抽象概念形象而直观的展示出来，以此提高课堂的信息量，不仅有助于理解难点问题，还可以大大提升学生的学习兴趣。例如，对于气象要素的起源和演变、大气现象的生消过程以及大气系统中各种不同尺度系统之间的相互作用等内容可通过多媒体进行直观展示。在使用形象化多媒体教学的同时，课堂板书环节还应适当的保留，通过板书的形式可以对教学内容进行补充与深入，以此增强学生对问题的认识和理解。特别是在一些大气物理方程、物理定律和数学公式的讲解上，以板书的形式对公式进行逐步推导，不仅有助于学生对公式的直观理解，更有助于学生对该知识点背后的物理过程的清晰认识。

教学过程中存在少部分学生缺乏学习主动性的情况，可以采用了适当的教学方法活跃课堂气氛，如课堂讨论、专题辩论和分阶段小测验等方法。在进行课堂讨论时，可以调动学生与学生间、学生和老师间的互动讨论，引导学生自主思考的同时敢于发表自己的观点。在进行专题辩论时，老师挑选教学过程中本学科的多个热点问题作为研究主题，学生分组讨论研究各个主题，并以小组为单位给出观点，最终提交相应的主题文献综述和以PPT演讲的形式进行总结答辩。在这一过程中，各个组的学生需要主动查阅和整理相关文献来支撑自己的观点，不仅可以锻炼学生查找文献和阅读文献的能力，还可以了解到最新的科研信息，并在主动的学习中调动学生的积极性，引导学生进行深层次的思考。在进行分阶段小测验时，一方面可以督促学生的平时学习，另一方面老师可以掌握学生的学习情况。

2.3 加强实践教学

实践对于培养和提高学生的创新能力有重要作用，需要重视实验、实习等实践性环节。该课程依托国家级大气探测实验示范中心实验资源，开展理论与实践教学活动。目前，拥有1台X波段双偏振多普勒天气雷达、3台X波段多普勒天气雷达、1台毫米波测云雷达、1个大气观测基地和许多高端仪器仪表，并拥有西南地区首个区域性组网雷达协同观测基地。此外，学校与四川省气象局建立了天气雷达回波数据、卫星遥感数据共享网络，这给课程的顺利开展和实施创造了非常有利的条件。根据目前已有的条件，为实践环节的开展提供较大支持，例如在大气观测基地开展大气物理特征量的观测实践、在雷达机房实时观测雷达回波数据等，并指导学生如何根据得到的观测数据进行分析。通过实践使学生把课堂的理论教学内容和实际业务使用相结合，培养理论基础扎实、强动手能力和能联系实际的专业技术人才。

2.4 教学与科研相结合

随着科学技术的不断发展，在不同的研究问题上可能出现了新的研究手段、研究方法或研究成果。但由于教学教材的编写到实际教学应用中，期间间隔的时间较长。在这段时间里，可能已有大量新的观测结果，新的研究方法以及新的科研成果的出现，因此在教学过程中要及时掌握大气物理学及其相关领域的最新科研发展动态，了解相关科研发展方向，使讲授的课程与当前国内外大气物理学领域的最新研究成果同步。在遵循教学大纲和课程结构的前提下，有选择性的将国内外最新的理论与技术成果纳入教学，始终保持课程内容的鲜活性，培养学生的科学意识。

在实际教学时，要做到教学与科研相结合，需要教师在教学过程中不断提高自身的业务能力和水平，不断学习最新的科研方法和科研成果让自己的知识结构更加充实。针对每个章节的重点和难点，选择将当前国内外相关研究进展和最新研究成果介绍给学生，引导学生将教学中的理论知识与实际科研相结合，这也有助于学生提高学习兴趣。根据学校现有的资源，比如正在进行或者已经完成的科研项目，可以将这些项目的完成过程作为案例向学生展示，让学生明白，面对科学问题，如何建立研究方法，怎样制定研究方案以及实施研究工作等详细流程，为学生后续进一步的毕业设计的设计、科研或工作提供解决问题的思路。

2.5 课程考核模式改革

课程考核对评价学习效果和教学目标的达成情况至关重要，以前的“大气物理学基础”的课程考核方式重点在于对知识内容的考核，而在学生能力的考核上仍有不足，这导致了部分学生不注重学习过程只应付考试、不注重实践只着重于理论知识的情况。为了避免这种情况，可以建立“多元化—重过程—考能力”的考核新模式[4]。

制定以闭卷考试为基础的多元考核形式，将专题辩论和分阶段小测验纳入平时成绩的考核。在专题答辩考核时，着重考查学生实践能力、自学能力、表达能力和小组的团队协作能力。另外将课堂讨论设立为加分项，鼓励学生在课堂上积极回答问题，参与更多的课堂互动环节，充分调动学生的学习主动性。在批改试卷及测验题时，需要将学生的逻辑方式和整体观点作为评分的重要一环，这不但可以展现学生对所学专业知识的掌握和应用情况，还可以进一步了解到学生运用相关理论知识进行分析和解决相关问题的能力，引导学生在思考问题时对解决问题逻辑和整体的认识。

在课程结束后，通过问卷调查的方式，从实际出发多角度设立问卷题目，让学生进行充分的自我评价，反馈学习过程中存在的不足，以此帮助教师了解学生情况，在后续的教学工作种进行相应的教学改进。最终，通过本次课程对学生的考核情况，反思学生能力的提升情况和专业知识的学习情况，对不足之处进行整改，从而不断改进和完善教学大纲、丰富教学内容和提升教学手段，更加有效的完成培养目标和毕业要求，推进专业教育质量的提升。

3 结语

在教育部全面振兴本科教育和新人才培养方案的大背景下，针对目前“大气物理学基础”教学过程中暴露出的问题，提升教学质量，在OBE理念的指导下，从以下五个方面进行改革探索：

（1）针对学校专业特点，根据专业研究领域不同和后续课程的结构，科学选择教学内容，进行有侧重点的教育，为学生后续相关专业课学习建立更好的联系。

（2）针对教学过程中课程内容理论性强且相对枯燥繁杂和部分学生缺乏主动性的情况，通过以OBE教学理念为指导，推动课堂上教师和学生间的交流，增加课堂讨论、专题辩论和分阶段小测验等环节，在增强学生学习的主动性的同时提高学生的综合素质发展。

（3）依托学校现有资源和平台，增加实验观测环节，不仅有助于学生对理论知识的理解，还有助于培养学生的实践动手能力。

（4）为了保证教学内容的鲜活性，将国内外的最新理论和研究成果有选择的纳入课程，在提高学生学习兴趣同时培养学生的科研意识。

（5）为了避免只注重学习结果而不注重学习过程的考核模式，建立多元考核形式，将学生的实践能力和学习过程都纳入考核，针对考核中的不足之处，进行后续教学改革，达到不断提升教学质量的目的。

教育教学改革之路任重而道远，只有循序渐进地解决教学过程中存在的各种问题，才能为社会培养更加优秀的专业技术人才。