西南低渦可視化教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)與開發(fā)

王騰蛟，張新華

西南低渦可視化教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)與開發(fā)

王騰蛟，張新華

（中國(guó)氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院四川分院，四川 成都 610072）

結(jié)合西南低渦教學(xué)需要和現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)教學(xué)技術(shù)的應(yīng)用情況，對(duì)西南低渦可視化教學(xué)平臺(tái)的設(shè)計(jì)和開發(fā)進(jìn)行了研究與探討，并詳細(xì)闡述了教學(xué)平臺(tái)的功能模塊設(shè)計(jì)與開發(fā)所采用的關(guān)鍵技術(shù)。通過學(xué)員試用來測(cè)試教學(xué)平臺(tái)的實(shí)用性和可靠性，收集反饋意見來不斷完善教學(xué)平臺(tái)的功能，提高培訓(xùn)教學(xué)效果。

西南低渦；教學(xué)平臺(tái)；個(gè)例分析；B/S架構(gòu)

1 教學(xué)平臺(tái)建設(shè)的背景介紹

西南低渦是在青藏高原特殊地形和一定環(huán)流條件下，發(fā)生于中國(guó)西南地區(qū)700 hPa或850 hPa等壓面上的氣旋性環(huán)流或有閉合等高線的低渦，是一個(gè)尺度為300～500 km的中α尺度系統(tǒng)[1-2]。西南低渦常常造成四川及長(zhǎng)江中下游、華南、華北地區(qū)的暴雨、大暴雨天氣，它是夏季造成中國(guó)重大降水天氣過程的重要天氣系統(tǒng)之一[3-4]。氣象科技工作者針對(duì)西南低渦活動(dòng)、結(jié)構(gòu)特征、形成維持機(jī)制及發(fā)展東移機(jī)制等開展了一系列研究，對(duì)西南地區(qū)強(qiáng)降水預(yù)報(bào)及相應(yīng)的防災(zāi)減災(zāi)決策具有重要的指導(dǎo)意義[5]，但研究成果較為零散且以文字描述為主，缺乏形象具體、綜合全面的展現(xiàn)形式，業(yè)務(wù)科研成果未充分轉(zhuǎn)化為培訓(xùn)學(xué)習(xí)資源，在一定程度上影響了成果推廣應(yīng)用效率和對(duì)預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)工作的指導(dǎo)作用。

近年來，隨著氣象現(xiàn)代化建設(shè)的推進(jìn)，天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)也發(fā)生了很大變化，學(xué)員學(xué)習(xí)預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)技術(shù)的需求日益旺盛。目前，中國(guó)氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院四川分院（以下簡(jiǎn)稱四川分院）主要承擔(dān)三種國(guó)家級(jí)預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)類班型：預(yù)報(bào)員崗位素質(zhì)和能力培訓(xùn)班、地市級(jí)預(yù)報(bào)員輪訓(xùn)班和高原山地氣象業(yè)務(wù)培訓(xùn)班。三種班型的學(xué)員對(duì)西南低渦知識(shí)的學(xué)習(xí)需求有所不同：預(yù)報(bào)員崗位素質(zhì)和能力培訓(xùn)班的學(xué)員具備一定專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，他們需要學(xué)習(xí)西南低渦預(yù)報(bào)相關(guān)知識(shí)，通過個(gè)例分析初步建立預(yù)報(bào)思路；地市級(jí)預(yù)報(bào)員輪訓(xùn)班的學(xué)員具備一定的預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)，他們需要了解西南低渦的前沿科研成果，擴(kuò)充知識(shí)體系，完善預(yù)報(bào)思路；高原山地氣象業(yè)務(wù)培訓(xùn)班的學(xué)員是西南地區(qū)的預(yù)報(bào)員，他們具備一定的預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)，但是需要了解新技術(shù)、新資料在西南低渦預(yù)報(bào)中的應(yīng)用進(jìn)展，提高預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)技術(shù)水平。可見，西南低渦作為四川分院的區(qū)域特色課，面向的學(xué)員不同，側(cè)重點(diǎn)也有所不同。

西南低渦培訓(xùn)通常采用“一對(duì)多”的集中講授方式，教師主要以口頭傳授、課件展示的方式講解培訓(xùn)內(nèi)容，教學(xué)形式比較單一，不利于學(xué)員直觀認(rèn)知和深入理解，教學(xué)效果不理想。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，基于多媒體網(wǎng)絡(luò)開展培訓(xùn)教學(xué)，可以拓展學(xué)習(xí)時(shí)空、共享培訓(xùn)學(xué)習(xí)資源，有利于開展個(gè)性化學(xué)習(xí)、協(xié)作式學(xué)習(xí)、交互式學(xué)習(xí)，更好地完成教學(xué)任務(wù)，提高教學(xué)質(zhì)量[6-7]。

2 教學(xué)平臺(tái)建設(shè)的意義

為充分發(fā)揮四川分院的區(qū)域優(yōu)勢(shì)，完善和豐富區(qū)域特色課的教學(xué)內(nèi)容與呈現(xiàn)形式，有必要利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)搭建一個(gè)形象具體、綜合全面、理論結(jié)合實(shí)踐的西南低渦可視化專題培訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)，提供豐富的專題學(xué)習(xí)資源，注重培訓(xùn)學(xué)習(xí)的針對(duì)性、趣味性和實(shí)效性，實(shí)現(xiàn)“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”的培訓(xùn)輔導(dǎo)，便于開展培訓(xùn)教學(xué)和學(xué)員學(xué)習(xí)實(shí)踐，達(dá)到改進(jìn)教學(xué)方法和提高教學(xué)效益的目的。

3 教學(xué)平臺(tái)的主要內(nèi)容

教學(xué)平臺(tái)的主要內(nèi)容包括四大模塊：西南低渦概況、典型個(gè)例分析、動(dòng)態(tài)模擬和資料庫(kù)（文獻(xiàn)資料及個(gè)例氣象資料），平臺(tái)導(dǎo)航結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 平臺(tái)導(dǎo)航結(jié)構(gòu)圖

西南低渦概況模塊全面地介紹了西南低渦的基礎(chǔ)理論知識(shí)，包括定義、移動(dòng)路徑、預(yù)報(bào)關(guān)注點(diǎn)和統(tǒng)計(jì)特征等，內(nèi)容主要以文字、表格和靜態(tài)圖片的形式呈現(xiàn)，適用于初步接觸西南低渦的學(xué)員，幫助其建立宏觀的知識(shí)體系。

典型個(gè)例分析模塊選擇了1999—2013年15個(gè)影響范圍廣泛的西南低渦暴雨個(gè)例進(jìn)行詳細(xì)分析。分析內(nèi)容包括過程摘要、雨情分析、環(huán)流背景分析（天氣圖和衛(wèi)星云圖）和物理量分析（渦度、散度、垂直速度以及水汽通量散量）。通過個(gè)例分析幫助新任預(yù)報(bào)員初步建立預(yù)報(bào)思路。該模塊采用文字和動(dòng)畫相結(jié)合的展現(xiàn)形式，便于學(xué)員直觀認(rèn)知。

動(dòng)態(tài)模擬模塊利用WRF中尺度數(shù)值模式和NCEP再分析資料對(duì)西南低渦結(jié)構(gòu)較為完整的2個(gè)個(gè)例進(jìn)行精細(xì)模擬（過程時(shí)間段分別是2013-06-29—07-02和2010-07-15—07-20的西南低渦暴雨過程），從水平和垂直兩個(gè)方向立體地展現(xiàn)西南低渦結(jié)構(gòu)隨時(shí)間的演變特征，并應(yīng)用Grads和Surfer數(shù)據(jù)分析及繪圖軟件制作西南低渦結(jié)構(gòu)演變過程教學(xué)動(dòng)畫。該模塊內(nèi)容應(yīng)用新技術(shù)、新資料研究西南低渦精細(xì)化結(jié)構(gòu)，并采用文字和動(dòng)畫相結(jié)合的展現(xiàn)形式，有助于具有一定預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)的預(yù)報(bào)員擴(kuò)充知識(shí)體系，完善預(yù)報(bào)思路。

資料庫(kù)模塊由重要參考文獻(xiàn)和個(gè)例氣象資料組成。其中，重要參考文獻(xiàn)部分展示1949—2014年國(guó)內(nèi)外有關(guān)西南低渦研究的重要參考文獻(xiàn)共計(jì)140篇；個(gè)例氣象資料部分提供典型個(gè)例分析對(duì)應(yīng)的氣象數(shù)據(jù)（包括MICAPS資料、雷達(dá)、衛(wèi)星、NCEP/NCAR再分析資料等）。學(xué)員可以根據(jù)自己的需要下載文獻(xiàn)和數(shù)據(jù)進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。

以上4個(gè)模塊的內(nèi)容從基礎(chǔ)理論向?qū)嵺`應(yīng)用逐步遞進(jìn)，較為全面地展現(xiàn)了西南低渦相關(guān)知識(shí)體系。教師在授課時(shí)可根據(jù)學(xué)員的實(shí)際情況選擇某一模塊著重講授，學(xué)員則可利用課余時(shí)間選擇感興趣的模塊自主學(xué)習(xí)。

4 教學(xué)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

4.1 技術(shù)架構(gòu)選擇

該平臺(tái)展示的內(nèi)容主要包括西南低渦基礎(chǔ)知識(shí)、西南低渦研究文獻(xiàn)資料庫(kù)、典型個(gè)例分析結(jié)果、模擬動(dòng)畫、個(gè)例氣象數(shù)據(jù)資料等，使用的用戶為培訓(xùn)班學(xué)員，系統(tǒng)運(yùn)行于局 域網(wǎng)，涉及的內(nèi)容更新操作較少。同時(shí)，鑒于學(xué)員在計(jì)算機(jī)水平上存在差異，平臺(tái)技術(shù)架構(gòu)選擇B/S（瀏覽器/服務(wù)器） 架構(gòu)。

B/S架構(gòu)是Web興起后的一種主流網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型，服務(wù)器提供Web訪問服務(wù)，客戶端使用Web瀏覽器。這種架構(gòu)統(tǒng)一了客戶端，具有零安裝、零維護(hù)、系統(tǒng)功能擴(kuò)展容易等特性。同時(shí)，將所有的功能模塊和呈現(xiàn)內(nèi)容放在服務(wù)器進(jìn)行集中管理，大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)開發(fā)維護(hù)的難度與成本。

4.2 平臺(tái)開發(fā)運(yùn)行環(huán)境

平臺(tái)建設(shè)采用了靜態(tài)網(wǎng)站搭建方案，服務(wù)器部署于單位網(wǎng)絡(luò)管理中心，服務(wù)器安裝了Windows Server 2008，Web服務(wù)采用Tomcat7，客戶端則通過瀏覽器訪問，瀏覽器插件為Adobe Flash Player 11及以上版本。

4.3 平臺(tái)功能模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

教學(xué)平臺(tái)的主界面如圖2所示，由平臺(tái)簡(jiǎn)介、西南低渦概況、典型個(gè)例分析、動(dòng)態(tài)模擬、資料庫(kù)5個(gè)導(dǎo)航按鈕組成，通過點(diǎn)擊導(dǎo)航按鈕可以進(jìn)入子頁(yè)面學(xué)習(xí)。

圖2 平臺(tái)主界面

平臺(tái)內(nèi)容包含了文字、圖像、動(dòng)畫、氣象資料數(shù)據(jù)、科研文獻(xiàn)等多種文件，為便于教師開展教學(xué)、學(xué)員進(jìn)行學(xué)習(xí)實(shí)踐，通過分析培訓(xùn)教師的教學(xué)需求和學(xué)員的學(xué)習(xí)需求，確定平臺(tái)主要應(yīng)實(shí)現(xiàn)以下六種功能：動(dòng)態(tài)目錄列表顯示、圖像等比例縮放顯示、多張靜態(tài)圖像瀏覽顯示控制、文獻(xiàn)在線瀏覽閱讀、動(dòng)畫文件播放控制、資源下載。各模塊的功能主要采用JavaScript腳本來實(shí)現(xiàn)，JavaScript是一種基于對(duì)象和事件驅(qū)動(dòng)并具有相對(duì)安全性的客戶端腳本語(yǔ)言，程序代碼運(yùn)行于客戶端，對(duì)服務(wù)器資源占用較少，能確保平臺(tái)穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行。平臺(tái)主要功能模塊如下。

動(dòng)態(tài)目錄列表顯示模塊。個(gè)例分析和動(dòng)態(tài)模擬兩個(gè)模塊的內(nèi)容較多，呈現(xiàn)形式也豐富，為便于教學(xué)及學(xué)習(xí)瀏覽，采用框架頁(yè)組織分析內(nèi)容，左側(cè)個(gè)例分析目錄，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)目錄顯示功能，即用鼠標(biāo)點(diǎn)擊個(gè)例名稱可展開或折疊個(gè)例分析內(nèi)容鏈接列表。

圖像等比例縮放顯示模塊。因部分圖像在內(nèi)容頁(yè)中是縮小顯示狀態(tài)，在平臺(tái)使用中用戶除了查看天氣形勢(shì)的整體變化外，通常還關(guān)注局地天氣形勢(shì)的變化，需打開原始圖像并進(jìn)行縮放顯示。圖像等比例縮放顯示模塊實(shí)現(xiàn)的功能是鼠標(biāo)點(diǎn)擊小圖像、打開新窗口顯示原圖、網(wǎng)頁(yè)控件自動(dòng)捕獲鼠標(biāo)操作、實(shí)現(xiàn)以鼠標(biāo)位置為中心等比例縮放顯示。

多張靜態(tài)圖像瀏覽顯示控制模塊。因選取的典型個(gè)例涉及的時(shí)次較長(zhǎng)，對(duì)應(yīng)的分析圖像也較多。因此，需提供瀏覽顯示控制播放按鈕組，實(shí)現(xiàn)相關(guān)的多張靜態(tài)圖像瀏覽顯示控制功能，具體實(shí)現(xiàn)的功能如下：①顯示縮略圖。對(duì)當(dāng)前顯示的圖像加黃色邊框以進(jìn)行標(biāo)識(shí)，可隨時(shí)了解播放進(jìn)度，當(dāng)鼠標(biāo)點(diǎn)擊某個(gè)縮略圖時(shí)，停止自動(dòng)播放，顯示當(dāng)前圖像。②自動(dòng)播放。通過“設(shè)置開始”和“設(shè)置結(jié)束”操作可設(shè)定圖像瀏覽顯示范圍，通過“播放”和“停止”操作控制自動(dòng)播放，通過“慢放”和“快放”設(shè)置自動(dòng)播放的速度，通過“重新設(shè)置”操作恢復(fù)播放初始設(shè)置。③單張圖像瀏覽。通過“后退”和“前進(jìn)”操作實(shí)現(xiàn)單張圖像瀏覽。某天氣個(gè)例地面天氣圖分析顯示效果如圖3所示。

圖3 地面天氣圖分析

動(dòng)畫文件播放控制模塊。典型個(gè)例分析和動(dòng)畫模擬模塊包含許多動(dòng)畫文件，用戶除了解整個(gè)天氣過程的演變情況外，還需關(guān)注具體某個(gè)時(shí)次的分析結(jié)果以及局地變化。因此，平臺(tái)需提供動(dòng)畫文件播放控制功能，通過點(diǎn)擊“暫停”和“繼續(xù)|重播”按鈕實(shí)現(xiàn)播放控制，通過點(diǎn)擊“放大”和“縮小”按鈕實(shí)現(xiàn)縮放顯示。

文獻(xiàn)在線瀏覽閱讀模塊。平臺(tái)收集了140篇西南低渦研究相關(guān)的文獻(xiàn)，并按研究時(shí)間順序（倒序）分頁(yè)顯示。為方便閱讀需實(shí)現(xiàn)文獻(xiàn)的在線瀏覽閱讀，采用PDF2SWF專用軟件將PDF格式文獻(xiàn)轉(zhuǎn)化為瀏覽器可播放的Flash文件，并提供播放控制按鈕和工具欄。實(shí)現(xiàn)電子書的在線翻頁(yè)顯示，翻頁(yè)時(shí)有視覺上的翻頁(yè)特效，并提供鼠標(biāo)滾動(dòng)縮放預(yù)覽、移動(dòng)與全屏閱讀等功能。

資源下載功能模塊。為便于進(jìn)行天氣個(gè)例分析講授以及實(shí)習(xí)教學(xué)，可通過映射方式訪問個(gè)例涉及天氣過程的常規(guī)氣象數(shù)據(jù)資料。同時(shí)，平臺(tái)提供氣象數(shù)據(jù)資料分類下載功能，便于學(xué)員在本機(jī)使用氣象數(shù)據(jù)資料。

5 教學(xué)平臺(tái)的應(yīng)用

教學(xué)平臺(tái)建成后，分別在預(yù)報(bào)員崗位素質(zhì)和能力培訓(xùn)班以及地市級(jí)預(yù)報(bào)員輪訓(xùn)班中進(jìn)行試用，開展了典型個(gè)例分析培訓(xùn)教學(xué)以及實(shí)習(xí)操作，學(xué)員普遍反映教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)合理、導(dǎo)航結(jié)構(gòu)清晰、操作簡(jiǎn)易、運(yùn)行流暢、內(nèi)容新穎、學(xué)習(xí)效果較好。具體來說，西南低渦概況欄目全面地介紹了西南低渦基本知識(shí)及科研成果，典型個(gè)例分析欄目較為完整地展示了典型個(gè)例的環(huán)流背景和物理量分析，動(dòng)態(tài)模擬欄目較為直觀地展現(xiàn)了西南低渦的三維結(jié)構(gòu)變化，資料庫(kù)的文獻(xiàn)和數(shù)據(jù)下載功能為學(xué)員自學(xué)提供了便利。

6 結(jié)語(yǔ)

西南低渦可視化教學(xué)平臺(tái)從西南低渦基礎(chǔ)知識(shí)、西南低渦研究文獻(xiàn)資料、典型個(gè)例分析結(jié)果、模擬動(dòng)畫、個(gè)例氣象數(shù)據(jù)資料等方面，分層次、全方位地展現(xiàn)了西南低渦相關(guān)知識(shí)內(nèi)容，提供的功能較為實(shí)用。本文詳細(xì)闡述了西南低渦可視化教學(xué)平臺(tái)的設(shè)計(jì)和開發(fā)工作，平臺(tái)展現(xiàn)的內(nèi)容多，提供的功能較為實(shí)用，經(jīng)過專家測(cè)試和學(xué)員試用，證明該系統(tǒng)具有較高的可靠性、穩(wěn)定性和適用性，應(yīng)在今后的培訓(xùn)教學(xué)中推廣使用。針對(duì)試用中收集到的反饋意見，我們將對(duì)平臺(tái)進(jìn)行完善與補(bǔ)充，力求開發(fā)出適用性更強(qiáng)、便于教師授課與學(xué)員自助學(xué)習(xí)的教學(xué)平臺(tái)。

［1］盧敬華.西南低渦概論［M］.北京：氣象出版社，1986：58．

［2］陳忠明，閔文彬.西南低渦的統(tǒng)計(jì)研究.第二次青藏高原大氣科學(xué)試驗(yàn)理論研究進(jìn)展［M］.北京：氣象出版社，2000：268-378．

［3］諶貴珣，何光碧. 2000—2007年西南低渦活動(dòng)的觀測(cè)事實(shí)分析［J］.高原山地氣象研究，2008，28（4）：59-65.

［4］陳啟智，黃奕武，王其偉，等. 1990—2004年西南低渦活動(dòng)的統(tǒng)計(jì)研究［J］.南京大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007，43（6）：633-642.

［5］何光碧.西南低渦研究綜述［J］.氣象，2012，38（2）：155-163.

［6］宋木慶，趙立君，于濤.網(wǎng)絡(luò)多媒體教學(xué)系統(tǒng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)踐［J］.中國(guó)科技信息，2009（3）：115-117.

［7］盧業(yè)華.多媒體網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.軟件導(dǎo)刊（教育技術(shù)），2009（5）：83-85.

2095－6835（2020）24－0146－03

G642

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.24.055

王騰蛟（1988—），碩士研究生，工程師，主要研究領(lǐng)域?yàn)闅庀蠼逃嘤?xùn)。

〔編輯：王霞〕