《大氣氣溶膠》課程設(shè)置與實(shí)踐教學(xué)探索

邱玉珺　楊軍

摘要：《大氣氣溶膠》課程是針對大氣物理學(xué)與大氣環(huán)境相關(guān)專業(yè)本科生和研究生開設(shè)的特色專業(yè)課程之一。本文首先從課程設(shè)置闡述了該課程的主要教學(xué)內(nèi)容，指出不同章節(jié)教學(xué)內(nèi)容重點(diǎn)和難點(diǎn)的安排。其次，本文提出了各章節(jié)理論教學(xué)過程中可開展的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，為加強(qiáng)該課程教學(xué)效果提供了參考。

關(guān)鍵詞：課程設(shè)置；實(shí)踐；能動性；學(xué)習(xí)興趣

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）15-0109-03

一、前言

大氣氣溶膠是指大氣與大氣中的各種固態(tài)和液態(tài)粒子組成的混合體系，狹義上特指各種固態(tài)（干）和液態(tài)（濕）粒子。自上個(gè)世紀(jì)第二次世界大戰(zhàn)以來，氣溶膠因?qū)Νh(huán)境以及氣候變化產(chǎn)生了深刻的影響而廣受關(guān)注。氣溶膠嚴(yán)重污染人類賴以生存的大氣環(huán)境，影響大氣物理與大氣化學(xué)過程，對大氣輻射、大氣光學(xué)現(xiàn)象和電學(xué)過程都有較大影響，因此，大氣科學(xué)和環(huán)境相關(guān)專業(yè)的學(xué)生有必要學(xué)習(xí)和普及大氣氣溶膠相關(guān)知識。

然而，各大高校大氣科學(xué)以及環(huán)境相關(guān)專業(yè)很少專門針對大氣氣溶膠科學(xué)設(shè)置相關(guān)課程。實(shí)際上，自18世紀(jì)工業(yè)革命以來，氣溶膠相關(guān)研究已成為基礎(chǔ)和應(yīng)用科學(xué)中的一項(xiàng)特殊課題，吸引了物理學(xué)、化學(xué)和氣象學(xué)等多學(xué)科專家的關(guān)注，進(jìn)而推動了該學(xué)科的發(fā)展[1]。1955年，前蘇聯(lián)學(xué)者[2]出版了《氣溶膠力學(xué)》，為氣溶膠科學(xué)奠定了理論基礎(chǔ)。20世紀(jì)中后期，各國高速發(fā)展的經(jīng)濟(jì)造成了環(huán)境的嚴(yán)重污染，世界性環(huán)境問題日益嚴(yán)重，學(xué)科發(fā)展對氣溶膠測量技術(shù)提出了新的要求，伴隨著各種微電子、激光以及計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代分析化學(xué)和分析電鏡技術(shù)的介入，氣溶膠科學(xué)得以快速發(fā)展。

南京信息工程大學(xué)針對大氣科學(xué)與大氣環(huán)境相關(guān)專業(yè)本科生和研究生開設(shè)了《大氣氣溶膠》特色專業(yè)課，課程內(nèi)容與當(dāng)前全球面臨的氣候變化與環(huán)境問題密切相關(guān)，課程涉及到的氣溶膠基礎(chǔ)知識、研究方法以及基本理論為深入研究氣候效應(yīng)和環(huán)境問題奠定了基礎(chǔ)，相關(guān)知識還廣泛應(yīng)用在軍事、衛(wèi)生、工業(yè)和農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。該課程側(cè)重氣溶膠動力學(xué)、光學(xué)理論知識學(xué)習(xí)，同時(shí)還要求學(xué)生能理解和掌握氣溶膠相應(yīng)測量技術(shù)。在講授過程中，通過結(jié)合實(shí)際問題，設(shè)置與理論知識相關(guān)的研究課題，引導(dǎo)學(xué)生動手實(shí)踐，提高學(xué)習(xí)樂趣，從而做到實(shí)踐與理論學(xué)習(xí)相結(jié)合，提高教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生研究素質(zhì)[3，4]。

二、課程設(shè)置

《大氣氣溶膠》課程要求學(xué)生能全面掌握氣溶膠基本概念、分類、尺度譜、主要形成機(jī)制等基礎(chǔ)知識，并且能夠從動力學(xué)理論出發(fā)，理解Brown運(yùn)動、Stokes定律、Brown運(yùn)動碰并、切變、重力沉降等內(nèi)容，熟悉氣溶膠粒子的一般動力學(xué)方程，理解干沉降和濕沉降過程，并在大氣氣溶膠消光原理基礎(chǔ)上，理解氣溶膠對輻射傳輸過程的影響，進(jìn)而在輻射強(qiáng)迫和氣候效應(yīng)概念基礎(chǔ)上，熟悉氣溶膠輻射強(qiáng)迫特征，最后從測量分析方法上，要求學(xué)生掌握氣溶膠濃度、光學(xué)特性以及化學(xué)成分測量分析的基本方法。

該課程分別從大氣氣溶膠基礎(chǔ)知識、大氣氣溶膠的來源與化學(xué)特征、氣溶膠粒子動力學(xué)、對流層氣溶膠、平流層氣溶膠、大氣氣溶膠光學(xué)特性、氣溶膠氣候效應(yīng)以及氣溶膠測量與分析8個(gè)章節(jié)開展研究性學(xué)習(xí)的實(shí)踐模式教學(xué)。

前3章內(nèi)容主要介紹氣溶膠相關(guān)基礎(chǔ)知識。其中，緒論內(nèi)容要求學(xué)生掌握大氣氣溶膠概念，理解大氣氣溶膠研究意義，了解大氣氣溶膠的研究歷史和研究方法。大氣氣溶膠基礎(chǔ)知識內(nèi)容要求學(xué)生掌握大氣氣溶膠的尺度、分類和濃度的表示方法，利用氣溶膠譜觀測資料畫圖，熟悉三模態(tài)氣溶膠數(shù)濃度分布特征、常用的幾類譜分布函數(shù)，理解氣溶膠粒子譜分布特征參量，了解譜分布函數(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀。大氣氣溶膠的來源與化學(xué)特征內(nèi)容中，需掌握大氣氣溶膠粒子的主要形成機(jī)制、幾種常用的源解析方法，熟悉大氣氣溶膠的主要化學(xué)組成特征，理解不同來源的氣溶膠尺度分布特征，了解全球氣溶膠產(chǎn)生率。

氣溶膠粒子動力學(xué)是本課程的重要基礎(chǔ)理論，包括單個(gè)氣溶膠粒子動力學(xué)和粒子群動力學(xué)。單個(gè)粒子動力學(xué)內(nèi)容中，要求學(xué)生掌握平均自由程、Stokes定律和重力沉降等概念，理解Brown運(yùn)動和相關(guān)概念（擴(kuò)散、遷移），了解外力場單粒子運(yùn)動。氣溶膠粒子群動力學(xué)內(nèi)容要求學(xué)生掌握Brown運(yùn)動碰并、層流切變和湍流中的聚合、重力沉降聚合，熟悉氣溶膠粒子一般動力學(xué)方程，了解外力場對粒子聚合的作用。

對流層氣溶膠內(nèi)容要求學(xué)生掌握干濕沉降過程、氣溶膠標(biāo)高、沉降速度概念，熟悉典型氣溶膠類型垂直分布特征、干沉降速度測量方法、濕沉降清除系數(shù)，理解干沉降阻力模型、云內(nèi)清除和云下清除過程，了解大氣氣溶膠分布的時(shí)間變化特征、滯留時(shí)間。

平流層氣溶膠內(nèi)容需要學(xué)生掌握平流層氣溶膠基本特征，熟悉火山氣溶膠主要成分、極地平流層云形成過程，理解平流層氣溶膠與對流層氣溶膠特征差異，了解全球平流層氣溶膠研究進(jìn)展。

大氣氣溶膠的光學(xué)特性相關(guān)內(nèi)容中，要求學(xué)生掌握大氣氣溶膠的消光原理和相關(guān)表征參量（消光系數(shù)、單次散射反照率、相函數(shù)等），熟悉大、小尺度粒子的散射特征，大氣能見度與消光系數(shù)的關(guān)系，理解氣溶膠對輻射傳輸過程的影響及其參數(shù)化，了解全球和區(qū)域氣溶膠光學(xué)特征。大氣氣溶膠的氣候效應(yīng)內(nèi)容中，掌握大氣氣溶膠輻射強(qiáng)迫基本概念及分類，熟悉氣溶膠直接輻射強(qiáng)迫過程，理解對流層和平流層輻射強(qiáng)迫效應(yīng)，了解云的輻射強(qiáng)迫。

大氣氣溶膠的測量和分析教學(xué)內(nèi)容中，需要學(xué)生掌握氣溶膠濃度、光學(xué)特性以及化學(xué)成分測量分析的常用方法，熟悉氣溶膠空氣動力學(xué)和光學(xué)測量原理，理解氣溶膠遙感探測技術(shù)，了解全球大氣氣溶膠遙感探測資料及相關(guān)產(chǎn)品。

三、實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容

理論課程教學(xué)過程中，需要同時(shí)結(jié)合實(shí)踐教學(xué)才能達(dá)到較好的教學(xué)效果[5-7]?！洞髿鈿馊苣z》基礎(chǔ)知識的授課內(nèi)容中，講授氣溶膠粒子尺度、分類及其譜相關(guān)知識時(shí)，可結(jié)合不同類型氣溶膠粒子譜儀觀測資料，對各種等效直徑、氣溶膠粒子譜相關(guān)知識開展實(shí)踐教學(xué)，增強(qiáng)學(xué)生對氣溶膠基本概念的理解。如，可利用氣溶膠寬范圍粒子譜儀（WPS）的電遷移率和光學(xué)計(jì)數(shù)測量對不同粒徑數(shù)濃度進(jìn)行對比分析，指出空氣動力學(xué)等效直徑與光學(xué)等效直徑的差別；還可利用該儀器觀測資料，作出尺度在0.01～10μm范圍的粒子譜分布，增強(qiáng)學(xué)生對不同模態(tài)氣溶膠譜分布特征的形象認(rèn)識，從而調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

“大氣氣溶膠來源”相關(guān)內(nèi)容可結(jié)合氣溶膠單一類型源數(shù)值模式開展。如，通過編寫沙塵和海鹽等單一類型源數(shù)值模式估算沙塵和海鹽產(chǎn)生通量，實(shí)踐過程中可增強(qiáng)學(xué)生的動手能力，同時(shí)調(diào)動學(xué)生對氣溶膠相關(guān)科研的認(rèn)識和興趣。此外，在對“大氣氣溶膠化學(xué)組分及其來源解析”的教學(xué)中，利用離子色譜監(jiān)測儀氣溶膠觀測資料，教師課堂演示結(jié)合學(xué)生課后練習(xí)，加深學(xué)生對授課內(nèi)容的理解，同時(shí)通過自身實(shí)踐的成就感提高學(xué)生專業(yè)學(xué)習(xí)的興趣[8，9]。

“氣溶膠粒子動力學(xué)”相關(guān)章節(jié)理論性較強(qiáng)，涉及Strokes粒子層流運(yùn)動、Brown擴(kuò)散、聚合方程等內(nèi)容，內(nèi)容中的理論公式及其推導(dǎo)過程占了很大篇幅，在此情況下，要盡可能結(jié)合圖形講授相關(guān)公式內(nèi)涵。如，不同尺度氣溶膠粒子對應(yīng)的聚合系數(shù)有較大差別，結(jié)合圖形能更好地展現(xiàn)粒徑尺度與聚合系數(shù)之間的關(guān)系。在介紹布朗擴(kuò)散規(guī)律時(shí)，可對比學(xué)生比較熟悉的布朗運(yùn)動，結(jié)合動畫課件演示，加深學(xué)生對概念的理解。

課程對對流層和平流層氣溶膠分布特征展開較詳細(xì)介紹，結(jié)合目前地面和衛(wèi)星遙感探測資料，全面介紹大氣氣溶膠垂直分布和全球及其區(qū)域分布特征。此外，還可以讓學(xué)生參與編寫和運(yùn)行干沉降模式，量化評價(jià)氣溶膠滯留時(shí)間和沉降通量特征。在平流層氣溶膠中，結(jié)合典型的火山氣溶膠事例講授其特征，加深學(xué)生對理論知識內(nèi)涵的把握，從而強(qiáng)化學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

此外，該課程還可對氣溶膠光學(xué)特性講授內(nèi)容開展實(shí)踐教學(xué)。如，可根據(jù)濁度儀、太陽光度計(jì)等探測資料，講授單次散射反照率、后向散射系數(shù)、氣溶膠波長指數(shù)等光學(xué)參量，使學(xué)生通過感性認(rèn)識能很快掌握相關(guān)理論知識。還可以通過簡單的一維輻射模式介紹，提高學(xué)生對氣溶膠光散射與吸收過程的理解。

該課程可結(jié)合目前國際上的研究前沿，對大氣氣溶膠的氣候效應(yīng)開展實(shí)踐教學(xué)。授課內(nèi)容結(jié)合五次聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）評估報(bào)告相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行講授，講授內(nèi)容從課堂學(xué)習(xí)到動手實(shí)踐，都可與相關(guān)研究課題聯(lián)系起來，使學(xué)生在科學(xué)研究實(shí)踐過程中培養(yǎng)專業(yè)綜合素質(zhì)，達(dá)到高校實(shí)踐教學(xué)目標(biāo)。研究過程中，各小組成員互相配合，團(tuán)結(jié)合作，既能節(jié)省時(shí)間，又能高效地解決問題，還能體現(xiàn)每個(gè)成員的重要性，從而提升學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作意識，培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作精神。

該課程最后章節(jié)中，設(shè)置了“大氣氣溶膠的測量和分析技術(shù)”教學(xué)內(nèi)容，章節(jié)內(nèi)容全面開展實(shí)踐教學(xué)，從氣溶膠樣品采集技術(shù)、氣溶膠濃度測量技術(shù)、氣溶膠化學(xué)組成測量分析方法以及氣溶膠光學(xué)和遙感探測技術(shù)全面開展理論和實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)模式，在氣溶膠相關(guān)測量和分析技術(shù)理論知識指導(dǎo)下，開展氣溶膠碰撞采樣器、氣溶膠粒子譜儀器操作、氣溶膠光學(xué)參量觀測等實(shí)踐環(huán)節(jié)，使學(xué)生形成理性和感性認(rèn)識，通過自己的親身實(shí)踐，增強(qiáng)學(xué)習(xí)的能動性，從而達(dá)到較好的學(xué)習(xí)效果。

四、小結(jié)與展望

本文全面介紹了《大氣氣溶膠》課程設(shè)置和各章節(jié)實(shí)踐教學(xué)相關(guān)內(nèi)容，通過氣溶膠基礎(chǔ)知識、氣溶膠動力學(xué)、氣溶膠光學(xué)等理論知識與實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合，對研究性學(xué)習(xí)的實(shí)踐模式進(jìn)行探索，以加強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐能力和理論知識應(yīng)用能力為目標(biāo)，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的同時(shí)，提高教學(xué)質(zhì)量。

在實(shí)踐教學(xué)過程中，需要注意協(xié)調(diào)學(xué)生課堂和課后練習(xí)時(shí)間，實(shí)際參與的時(shí)間不宜過長，要保證學(xué)生既能動手實(shí)踐，又能在有效的時(shí)間內(nèi)完成。此外，還要及時(shí)對學(xué)生的實(shí)踐效果進(jìn)行評價(jià)，實(shí)踐內(nèi)容較多時(shí)，需要學(xué)生組成團(tuán)隊(duì)合作完成實(shí)踐課程內(nèi)容。此時(shí)要保證每個(gè)成員都能發(fā)揮自己的能力，做到各成員間的合作，建立合理的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，讓每個(gè)學(xué)生都感覺到公平合理，從而提高他們的學(xué)習(xí)積極性。

總之，本課程各章節(jié)教學(xué)內(nèi)容都能與大氣氣溶膠相關(guān)科研資源配合開展實(shí)踐性教學(xué)，使學(xué)生能更好地理解相關(guān)理論知識，增強(qiáng)學(xué)生對該學(xué)科的研究興趣，為學(xué)生進(jìn)一步開展氣溶膠相關(guān)研究和工作奠定基礎(chǔ)，達(dá)到高校專業(yè)課程的教學(xué)目標(biāo)。

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