《氣象數據分析與可視化》課程教學的思考

康娜+于興娜+楊素英

摘要：氣象數據分析與可視化是大氣物理和大氣環境相關專業本科生重要的課程，筆者提出“一個注重，一個精心，一個加強”的教學方法，即注重理論教學授課方式，精心設計實驗教學內容，加強課程小組團隊建設的綜合提升模式，以達到好的教學效果。

關鍵詞：GrADS；Origin；教學方法；教學效果

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）16-0216-02

一、引言

本校針對于大氣物理、大氣環境相關專業本科生開設了《氣象數據分析與可視化》課程，開設任務是使學生能掌握氣象上常用的幾種繪圖軟件（GrADS、Origin），以適應未來學習和工作的需要。GrADS是一款在氣象界應用廣泛的數據處理和顯示的繪圖軟件，其專業性強，是專門為從事大氣、海洋研究的科研和業務人員設計的。它適用于多種常用的系統，通過其集成環境對氣象數據進行讀取、加工、圖形顯示和打印輸出，所有數據在GrADS中視為經度、緯度、層次和時間的4維場，數據既可以是格點資料，也可以是站點資料，數據格式可以是二進制或GRIB碼等。GrADS系統具有操作簡便、功能強大、顯示快速、出圖類型多樣化、圖形美觀等特點，并且提供了一種解釋型描述語言以幫助高級功能的開發。通過學習GrADS軟件，使學生掌握命令行輸入的交互式顯示圖形的方式，掌握數據的處理、ctl文件和gs文件的編寫及應用，掌握各種常用的繪圖指令，使得繪圖效果精致完美。Origin軟件是美國OriginLab公司推出的具有強大功能的數據分析和科技作圖軟件，其采用直觀、圖形化、面向對象的窗口菜單和工具欄進行操作，無需編寫程序代碼，簡便易學，不僅能滿足一般的作圖要求，滿足出版社對科技繪圖格式的要求，而且能夠處理復雜的數據分析、圖形處理以及函數擬合等。它的另外一個優點是可以直接使用和處理Microsoft Excel表中的數據。Origin軟件主要講授科技圖表繪制、實驗數據分析，此外Origin還可以對各種數據進行擬合以及對各種譜圖進行分析，是科技工作者必備的工具之一，深受廣大科技工作者的歡迎。通過對Origin的學習，使學生掌握目前最先進的科技繪圖軟件，為學生日后學習和工作或在各種科技論文及著作中繪圖應用打下基礎。在大氣環境研究中需要對許多表示變化趨勢的數據資料分析處理，尤其是對比較復雜的連續變量的趨勢分析處理，Origin軟件能通過尋找變量與效應指標之間的擬合關系，同時采用圖的形式直觀表達，提供給氣象學科研人員準確、直觀而且豐富的數據信息。

該課程是一門實踐性很強的課程，如何將理論的學習與實踐相結合，達到良好的教學效果尤為重要。筆者通過幾年的教學與摸索有如下幾點思考。

二、注重理論教學授課方式，優化理論教學方法

在本門課程中，理論授課必不可少，在此階段如何激發學生的學習興趣，如何以深入淺出的講解讓學生快速的領悟繪圖軟件的基礎及技巧是關鍵。

以GrADS軟件為例，該軟件是交互式的顯示圖形，它不同于學生以往比較熟悉的圖形界面操作。基于此特點，教師在課程之初可由學生喜聞樂見的繪圖題材及可視形式展現個例，引起學生的興趣；以結合專業課程的精選個例演示繪圖操作過程，激發學生的求知欲。在循序漸進的示例過程中，逐步強調此繪圖軟件使用過程中的難點和重點，從而得到好的授課效果。在此過程中要避免一味地灌輸式講解，要從分析問題、解決問題、設計繪圖入手，啟發學生的思維，增加課堂的互動，使每位學生都參與到課堂講解的過程中來，達到事半功倍的效果。課堂講授的主要內容包括：繪圖數據的前處理，數據描述文件“*.ctl”文件的組成、每條語句的含義和描述方法，可執行文件“*.gs”文件的作用及構成。將全部的繪圖命令寫入到“*.gs”文件中，完成對圖形的批處理，在此過程中使圖形更加美觀。對于Origin軟件，學生接受起來相對容易，但因為其功能強大，涉及到的操作很多，所以首先結合學生的專業課程學習以及已發表學術論文中挑選出的圖形進行展示，讓學生對該軟件繪圖效果有一個整體的了解，再通過個例從細節上加以仔細講授，達到良好的效果。在此過程中要避免就圖論圖，要啟發培養學生的綜合繪圖素質，使學生能夠舉一反三，具有獨立分析問題解決問題的能力，同時掌握積累繪圖能力和技巧。

結合課堂教學，鼓勵學生使用網上資源，登陸專業論壇中有探討相關軟件的使用、遇到的問題及解決方案的版塊。學生在瀏覽或參與討論的過程中會有極大收獲，還可收集很多重要繪圖資源，是課堂教學的重要補充。

三、精心設計實驗教學內容，加強學生動手能力

實驗教學的實習內容要精心設計，一方面結合授課學生的具體專業方向，選擇覆蓋全面的實習實例，另一方面注重對學生繪圖基礎的夯實以及動手能力的培養。結合教師自身的科研經歷，以及大氣物理、大氣環境學生相關的專業課程內容，設計出16學時的實習內容。課堂講授與實驗操作穿插進行，可以使學生在課堂上學到的繪圖技巧及時得到實踐，實踐當中遇到的問題及時得到解決，相互促進，達到良好的教學效果。以GrADS軟件為例，設計具體案例，如使用NCEP資料繪制天氣形勢的流場圖；利用數值模擬的結果展示氣象要素的垂直分布；等等。通過繪圖展示成果，此過程可以加強學生對專業知識的理解和轉化。此部分的具體案例，難度水平和內容要求與課堂講解一致，這樣學生在課堂的講授中獲得的知識可以在實習中加以檢驗及拓展。實習的內容主要涉及軟件使用數據的前處理，站點資料繪圖和格點資料繪圖，其中又以格點資料繪圖及詳細繪圖命令的使用和掌握為重點。

結合專業知識學習Origin軟件，既激發了學生的興趣，也加深了學生對圖形繪制要求的認識。比如Origin軟件可以繪制氣象部門必用的風玫瑰圖。風玫瑰圖是消防監督部門根據國家有關消防技術規范在開展建審工作時必不可少的工具。在城市規劃中，可以根據風玫瑰圖正確確定大型易燃、可燃氣體等甲類生產廠房或甲類物品庫房及生活區的位置；同時可以根據風玫瑰圖考慮風向對生產裝置、工藝流程以及相鄰企業的生產和工廠生活區的影響。因此，風玫瑰圖的正確繪制非常重要。我們將不同風速級別和不同風向的風速頻率拷入Origin軟件，通過選擇該軟件中的極坐標系統（polar）處理，可以獲得不同風速級別下的風玫瑰圖。另外，Origin軟件還可以輕松實現雙Y坐標，如要求學生進行DOUBLE Y圖繪制的時候，結合氣象要素（如溫度、相對濕度、氣壓和風）對空氣污染物濃度的影響分析，可以同時得到某地區某一時段的氣象條件以及空氣污染情況。通過這些具體繪圖實例的練習和分析，學生更加明確對于什么樣的問題應該作什么類型的圖，什么樣的圖形需要使用什么樣的數據。另外在此階段，要求學生通過互聯網下載數據，利用自己下載的數據繪圖，在練習使用軟件的同時提高動手能力，提高學生對軟件及專業知識的理解能力。endprint

注重反饋，是本課程的特色之一。通過實習課程的鍛煉，學生每次繪圖實習之后教師要給予點評，使學生對繪圖的細節有更加充分的掌握，使繪圖效果更加符合科技文章寫作及大眾的審美要求。

四、加強課程小組團隊建設，提高整體水平

《氣象數據分析與可視化》課程小組教師隊伍是一支年齡結構和知識結構較為合理的隊伍，平均年齡37歲；其中副教授2人，講師1人，所有成員均具有博士學位，其中1人入選江蘇省青藍工程優秀青年骨干教師，2人獲得省部級科學技術進步三等獎。課程小組成員分別畢業于中國科學院大氣物理研究所、復旦大學、南京信息工程大學等國內著名高校和科研機構，研究領域包括空氣污染氣象學、大氣化學、大氣環境等。同時，課程團隊成員積極參與各種學術活動，其中1人為中國氣象學會會員，2人為江蘇省顆粒學會會員。所有成員先后主持完成多項國家級或省部級科研項目，先后在國內外知名SCI和權威刊物發表多篇高水平論文。教師隊伍利用各種途徑和資源開展有關課程理論知識的培訓和學習，為課程建設提供必要的理論支持，以提高課程管理的質量。課程小組還與其他相關學院的相關課程的授課教師進行教學探討，以拓寬眼界，發現講授中的問題以及使教學更加完善。同時，建立了相應的管理與評價制度，為課程管理的高效實施提供支持和制度保障。課程負責人積極邀請高校課程管理人員、院系領導、教師和學生，引進氣象和環保部門以及學術團體參與到課程管理中來，為課程設置提供建議、對課程實施進行監督和評價，促進了學校課程管理水平的顯著提高。教師隊伍先后多次去國內其他高等院校和科研機構進行短期訪學交流與合作研究，為本團隊在教學和研究方面的發展與創新鑄筑了扎實的工作基礎和較大的發展潛力。三名年輕博士投入到氣象數據分析的教學科研工作中，使氣象數據分析與可視化走向一個新的水平與階段。

五、結語

本文總結了筆者在多年的教學中的經驗和體會，也使得該門課程的教學收到了良好的效果。教學是師生配合，相互促進的過程，教師把精心設計的課程內容通過理論教學給學生加以講授，在此過程中需要學生的互動，要積極思考提問，教師給予解答；通過實習課程的鍛煉，將理論課上學到的內容得以應用，并且結合專業知識，使得對繪圖軟件的理解及使用更加深刻。同時，學生在課外獲得的資源又作為課堂內容的補充；課程小組的研討更加提升了團隊的教學水平。

參考文獻：

[1]馬紅云，李麗平.GrADS軟件基礎教程[M].北京：氣象出版社，2011.

[2]LASG GrADS使用手冊[EB/OL].endprint