大型儀器在氣象類專業本科實踐教學中的應用

李永秀

摘 要：大型儀器設備是高校開展教學和研究工作的重要工具，該文以行業特色高校南京信息工程大學為例，分析了大型儀器設備在氣象類專業本科教學中的應用現狀，指出了目前存在的主要問題，并針對專業特點提出了可行的應對措施，對未來大型儀器教學可能的發展方向進行了展望，以期為提高大型儀器在本科教學中的使用效益、提升人才培養質量提供參考。

關鍵詞：大型儀器 氣象 實踐教學 創新能力 實踐能力

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）06（b）-0144-02

大型精密儀器設備是培養高層次人才、開展科學研究及技術創新的重要工具和手段，也是高等學校辦學實力和科研水平的重要標志[1，2]。南京信息工程大學是江蘇省政府、教育部與中國氣象局共建的一所具有鮮明行業特色的高校，其氣象類專業在國內外享有很高的聲譽[3，4]。近年來，在各共建部門支持下，學校購置了一大批國際領先的大型儀器設備，單價40萬元以上大型貴重儀器設備數量達到800多套，這些設備在促進科研成果產出的同時，其教學功能也得到了一定的開發利用，為本科生創新能力、實踐能力的培養提供了硬件支持。然而，由于管理制度、技術支持及功能開發方面尚存在較多問題，導致目前大型儀器在本科教學中的應用仍然停留在嘗試階段，其教學效益有很大提升空間。該文以該校應用氣象學院為例，對大型儀器設備在本科教學中的應用現狀及存在的問題開展分析和探討，立足于學校氣象類專業特點提出相應的改進措施及發展方向，以期為高校合理配置資源、提高大型儀器在本科教學中的使用效益、提升人才培養質量提供參考。

1 大型儀器設備在本科教學中的應用現狀及存在問題

目前，該校氣象類專業的很多大型儀器設備已經在本科教學中得到應用，如應用氣象學專業的必修課“應用氣象儀器”專門講授該專業相關的大型儀器設備（自動氣象站、土壤CO2通量連續多點觀測系統、光合作用儀等），通過對大型儀器的操作實踐，學生不僅掌握了儀器的原理、功能及操作方法，而且驗證了他們在其他專業課上所學的理論知識，并在此基礎上嘗試自主設計實驗，有效培養了學生的創新能力。學生在學習中，當發現文獻中許多高水平的科研成果均出自與自己實習所用相同型號的儀器設備時，其學習的積極性和主動性都得到了有效激發，提升了他們對科學研究的興趣。在“微氣象學實習”課程的教學中，也應用了大型儀器渦度相關通量觀測系統，通過學習該系統的工作原理、系統組成及數據處理，進一步鞏固了微氣象學中有關湍流通量的理論知識，并對湍流通量的觀測及計算有了深入的了解。相較于抽象的理論公式，這樣的教學實踐能使學生對湍流交換有更加直觀的認識，改進了教學效果，啟發了學生的科研思維。此外，學校還通過開設學生自主型的開放實驗項目來鼓勵學生參與創新性實驗，這類項目大都涉及到大型儀器設備的應用，使他們學會了利用高科技的精密儀器來探索科學規律，鍛煉了他們的獨立思考能力。

盡管大型儀器設備已經較多地應用于氣象類專業的本科教學，但受單個儀器臺套數及操作復雜性的限制，大型儀器應用的廣度和深度還遠遠不夠，主要存在以下3方面的問題：（1）僅限于部分專業課程，并未普遍應用于本科教學。（2）實驗項目主要是演示性和驗證性的，創新性的實驗項目數量較少。（3）由于大型儀器大都比較復雜，學生要熟練掌握大型儀器非一朝一夕之事，在有限的課時內要學生獨立運用大型儀器開展實驗是很難實現的。

2 提升大型儀器本科教學應用水平的措施

要提升大型儀器在氣象類專業本科教學中應用的廣度和深度，必須立足于氣象類專業實踐教學的特點，制定有針對性的應對措施。氣象類專業相關的實踐教學活動幾乎都在室外進行，所觀測的要素都具有很強的時空變化規律，實驗數據的處理分析是實驗中非常重要的一部分。針對上述特性，可以從以下4個方面來進行應對：（1）在實驗項目的設置上，可以設置兩個層次的項目：第一個層次是必修項目，以教師演示及學習儀器操作為主，主要目的是讓學生了解儀器的原理、功能、基本操作方法及初級的數據處理；第二個層次是選修項目，可以讓學有余力或感興趣的學生選修，在第一層次學習的基礎上，啟發學生自主設計實驗項目，通過獨立開展實驗、處理數據來發現科學規律。（2）在實踐教學活動中，可靈活安排實驗過程，來解決儀器數量少及課時數不足的問題。例如：在氣象要素的觀測實驗中，需要進行全天24小時或數天的連續觀測，但每次觀測的方法都是相同的，因此，可以利用周末時間，將學生分組排班，每組學生只進行幾個時刻的觀測等觀測全部完成后，將幾組的數據集中起來分析，這樣每個學生都有機會獨立操作大型儀器，且工作強度適中，獲取的數據量大，有利于后期的數據處理及結果分析。（3）在豐富教學課件和錄像的同時，通過引入模擬軟件，讓學生在操作儀器前，先通過模擬軟件對系統的功能和菜單有全面了解，對測量步驟進行預演，最后再運用儀器完成實驗任務，這種教學方法不僅有效提高了實驗效率，而且有助于強化學生對教學內容的記憶，改善了教學效果[5]。（4）定期開設大型儀器設備培訓班，并通過理論考試、實驗操作及數據分析三個方面來進行考核，為合格者頒發證書，在實驗室開放項目、實踐創新項目的申報上給他們優先權，鼓勵優秀學生利用大型儀器開展課外實驗項目。

3 結語

氣象類學科具有實驗性強、應用性強的特點，主要依靠先進的探測手段來獲取可靠的觀測數據，進而推動理論分析計算的發展和突破，因此，實驗實習教學在氣象類專業創新人才培養中具有十分重要的地位，尤其是大型儀器設備代表了最先進的技術手段，能夠幫助氣象工作者獲得高時空分辨率的、高精度的觀測資料，因此，在本科教學中廣泛應用大型儀器設備是我國氣象事業對人才的需求，也是行業特色高校進一步發展的需求。虛擬儀器技術是一種利用個人計算機強大的圖形環境和在線幫助功能，通過建立虛擬儀器面板對儀器進行控制、顯示及數據分析的先進技術手段，它可以有效輔助傳統儀器教學，提高儀器的使用效率，降低儀器維護成本[6]。未來，虛擬儀器可與真實儀器相結合，用于大型儀器的本科教學，從而有效解決大型儀器數量少、維護成本高的問題[7]。可以預見，在不久的將來，氣象類大型儀器普遍、深入地用于本科教學將會變得更加簡單、可行。

參考文獻

[1] 王力清，毛榮，劉青，等.行業高校大型儀器開放共享現狀及原因分析[J].實驗室科學，2015，18（4）：181-184.

[2] 李云峰，汪成楚，李劍峰，等.理工類高校大型儀器設備共享模式的探討[J].實驗技術與管理，2010，27（3）：288-291.

[3] 楊沈斌，申雙和，景元書.現代應用氣象人才實踐能力培養體系建設的思路與實踐[J].高等教育研究，2013， 30（2）：45-47.

[4] 楊再強，申雙和，景元書，等.面向社會需求，應用氣象專業創新實踐能力培養與實踐[J].科技創新導報，2010（3）： 230.

[5] 于洋，苑瑋琦.在線分析儀器課程教學改革探索[J].中國大學教學，2013（1）：68-69.

[6] 孫德軼.虛擬儀器在實驗教學中的應用研究[D].長春理工大學，2007.

[7] 姜洪喜，鄧慧，任敦亮，等.基于虛擬儀器與真實儀器整合的大學物理教學改革[J].科技資訊，2015（12）：185.