自主合作探究式方法在大學生科技競賽的應用

何陽++盛崢++展恩澤++陳鑫濤++彭明旭++張博宇++劉玨

【摘要】為綜合分析評估在株洲橡膠所施放的新型臨近空間氣象氣球探測資料精度，分別利用經驗預報模式資料和衛星遙感資料進行對比。參加項目的本科生對這一全新課題采用自主合作探究式研究方法，明確研究目標，合理確定分工，對新型臨近空間氣象氣球探測資料精度進行綜合分析，研究表明，相比于經驗預報模式資料和衛星遙感資料，探空氣球的資料精度更高，數據更具有連續性，可靠性更強，它也可以作為其他探測結果的標定值。

【關鍵詞】自主合作 探究式方法 臨近空間 探空氣球 誤差分析

【中圖分類號】G642 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2017）09-0231-01

在以往的大學生科技競賽（小論文，小軟件，小創作）中，經常會出現老師為主完成科技競賽項目，全程包辦的情況，反而學生不能得到較好的鍛煉和提高，針對此問題，指導老師在“臨近空間氣象大球探測數據分析”這一全新研究課題中，全過程中讓學生動手，完成資料的收集、數據的分析比對和論文的編寫過程。實踐表明大學生自主探究式教學是促進學生學習方式轉變的有效手段。新世紀課程改革提出，“積極倡導自主、合作、探究的學習方式”，“改變課程過于注重知識傳授的傾向，強調形成積極主動的學習態度，使獲得基礎知識與技能的過程同時成為學生學會學習和形成正確價值觀的過程”，“引導學生質疑、調查、探究，在實踐中學習，促進學生在教師指導下主動地、富有個性地學習”。

臨近空間是指距地面20～100公里的空域。隨著新型航空器、航天器和浮空器等的不斷研發與升級，該區域已成為用來開展高科技應用和國防安全活動的新領域，被越來越多的國家所重視。為了在該區域順利開展各項任務，臨近空間的氣象保障就顯得尤為重要。在以往的高空探測中，由于我國氣球能達到的最大高度不能滿足臨近空間的數據探測需要，所以一般是用氣象火箭對該高度區間的大氣環境進行原位直接精準測量。但是株洲橡膠所研發的新型探空氣球卻為探測該區間提供了新的參考。正常探空氣球750g能探測的最大高度約為30km、1500g能探測的最大高度約為35km，而3000g新型探空氣球的有效探測高度能達到40km，能包括平流層中下部，對相關高度的臨近空間能進行更有效的探測。

本文利用我國新型氣象探空氣球升空的實驗數據（能達到40km高度），運用綜合分析評估，將其與衛星數據和經驗預報模式進行對比，對獲取資料進行數據處理，通過誤差分析并編程繪圖來說明高空探測大球數據的優越性，并指明外國的經驗模式在我國并不適用。我國要基于自己的氣象火箭和氣象氣球的綜合數據來建立切實可靠高效的“本土經驗模式”。

一、氣球探測資料與NRLMSISE-00經驗模式資料的對比分析

我們通過對比，發現高空氣球探測資料的溫度隨高度曲線與NRLSISE-00經驗模式雖然大體趨勢一致，但在平流層底層及中層部分高度區域偏差較大。高空氣球探測資料曲線與經驗模式的偏差基本上一直存在，且大部分高度上偏差較明顯，偏差普遍超過2℃。相比之下，大氣密度的偏差并不明顯。通過具體計算，求出氣球探測資料與NRLSISE-00經驗模式溫度的最大偏差為 4.13℃，平均誤差率為3.8%；空氣密度的最大偏差為2.13g/m3，平均誤差率為7.9%。考慮到NRLSISE-00經驗模式由國外開發，對于中國地區的探測數據不是很完善、準確，特別是平流層中上部以上的探測數據，更為缺乏，所以對于中國區域平流層中上部的大氣參數的變化特征，并不能準確描述。下面我們通過一張表格來具體對比氣球資料與經驗模式資料。

二、氣球探測資料與SABER衛星資料的對比

利用4次氣象氣球的探測資料，分別與相對應的SABER衛星資料進行對比分析，可知氣球探測資料與標準值之間均存在一定的偏差。其中，溫度的偏差最大，最大偏差達到9.66℃，平均誤差率最大能為6.1%，均方根誤差最大為2.95℃；而氣壓及密度偏差較小，均方根誤差最大僅為2.21hpa、1.95g/m3。下面在表2列出4次探空氣球探測資料與SABER衛星資料的詳細對比結果，其中Tem是指溫度，單位為℃；Pre是指氣壓，單位為hpa；Den是指大氣密度，單位為g/m3。

三、結論

新型臨近空間氣象氣球最大上升高度能達到40km，能夠作為獲取臨近空間大氣參數的重要儀器，為探測臨近空間提供了新的切實有效的方式。它能夠獲取15km-40km空間內的大氣參數——溫度、氣壓和濕度。通過進一步的數值處理，可以得到密度和高度等值。通過對比我們發現，用氣球進行臨近空間的大氣探測是切實有效的，數據也是準確可靠的，可以采用氣球探測結果作為預報數據。目前氣球能到達到的有效探測高度為40km左右，但對于之上的平流層空間，還無法探測，這將是下一步努力的方向。

本課題以我國首次試驗的氣象大球探測數據分析為目的，其研究重視學生的氣象背景，發展學生的創造性思維，培養自學能力，力圖通過自我探究引導學生學會學習和掌握科學方法，為自主學習和研究工作開展奠定基礎。指導教師作為自主探究式課堂教學的導師，其任務是調動學生的積極性，促使他們自己去獲取知識、發展能力，做到自己能發現問題、分析問題、解決問題，促進探究的開展，把握探究的深度，以評價學生探究過程的效果。