GNSS 氣象學(xué)課程建設(shè)與改革

王新志， 金雙根

（南京信息工程大學(xué)遙感與測(cè)繪工程學(xué)院，南京210044）

0 引 言

利用全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）理論和技術(shù)來(lái)遙感地球大氣，進(jìn)行氣象學(xué)的理論和方法研究，如測(cè)定大氣溫度、水汽含量、電離層總電子含量（Total Electric Content，TEC）及監(jiān)測(cè)氣候變化等，叫做GNSS 氣象學(xué)（GNSS／METeorology，GNSS／MET）［1-2］。

GNSS／MET是大氣探測(cè)技術(shù)上的一次革新，是一門(mén)新的氣象學(xué)分支［3-4］。相比傳統(tǒng)的大氣探測(cè)手段，GNSS／MET具有全天候連續(xù)觀測(cè)、覆蓋面廣、高精度和高分辨的特點(diǎn)，在現(xiàn)代氣象觀測(cè)中具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)［5-6］。2019 年11 月4 日，中國(guó)氣象局發(fā)布了《氣象觀測(cè)技術(shù)發(fā)展引領(lǐng)計(jì)劃（2020-2035 年）》（氣發(fā)［2019］90 號(hào)）文件，對(duì)基于北斗／GNSS 的水汽觀測(cè)、探空氣象觀測(cè)、GNSS 掩星／反射信號(hào)觀測(cè)方法、反演方法和技術(shù)，開(kāi)展海浪測(cè)高、海洋風(fēng)場(chǎng)和土壤濕度、植物生長(zhǎng)量測(cè)量等GNSS／MET 業(yè)務(wù)化應(yīng)用進(jìn)行了專(zhuān)門(mén)規(guī)劃［7］，GNSS／MET未來(lái)前景廣闊，人才需求量巨大。

依托我校一流學(xué)科大氣科學(xué)，融合GNSS大地測(cè)量方面的雄厚實(shí)力和人才儲(chǔ)備，開(kāi)設(shè)了GNSS／MET課程。目前，能夠開(kāi)出該課程的高校為數(shù)不多［8］。該課程的開(kāi)設(shè)對(duì)于推動(dòng)GNSS大氣遙感技術(shù)人才培養(yǎng)，支撐氣象觀測(cè)技術(shù)自動(dòng)化、信息化和智能化發(fā)展意義重大。

1 課程基本情況

1.1 課程發(fā)展歷程

20 世紀(jì)90 年代初，我校意識(shí)到GPS 在大氣遙感領(lǐng)域的潛在價(jià)值，在大氣探測(cè)等相關(guān)專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)了全球定位系統(tǒng)（GPS）課程，就此拉開(kāi)了我校GPS／MET相關(guān)研究的大幕。2002 年7 月，我校博士學(xué)位論文“利用基地GPS資料反演大氣參數(shù)及其四維變分同化試驗(yàn)研究”順利通過(guò)答辯［9］，標(biāo)志著我校GPS／MET研究進(jìn)入了一個(gè)新的階段。此后，多位碩士、博士研究生針對(duì)GPS／MET進(jìn)行了持續(xù)研究［10-13］。至今，GNSS／MET在我校的發(fā)展已有20 余年。

1.2 課程培養(yǎng)目標(biāo)

“GNSS氣象學(xué)”是測(cè)繪類(lèi)專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)課程和氣象特色課程，2 學(xué)分，32 學(xué)時(shí)（其中講課24 學(xué)時(shí)，實(shí)習(xí)8學(xué)時(shí)），于大三下學(xué)期開(kāi)課［14］。通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)達(dá)到以下3 個(gè)方面的目標(biāo)。

（1）知識(shí)目標(biāo)。了解國(guó)內(nèi)外GNSS／MET 最新發(fā)展方向，認(rèn)知我國(guó)GNSS／MET業(yè)務(wù)化應(yīng)用的現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題，解釋地基GNSS、GNSS 無(wú)線電掩星和GNSS反射測(cè)量進(jìn)行大氣探測(cè)的基本原理和方法。

（2）能力目標(biāo)。運(yùn)用地基GNSS、GNSS 無(wú)線電掩星、GNSS反射測(cè)量數(shù)據(jù)，計(jì)算對(duì)流層水汽和電離層電子含量（VTEC）等大氣參數(shù)；結(jié)合多年水汽和VTEC值，運(yùn)用氣象理論進(jìn)行氣候變化、空間天氣、海冰變化等相關(guān)研究與應(yīng)用。

（3）素質(zhì)目標(biāo)。培養(yǎng)學(xué)生熱愛(ài)祖國(guó)、無(wú)私奉獻(xiàn)、不怕吃苦和團(tuán)結(jié)協(xié)作的精神。

2 課程建設(shè)方案

2.1 課程師資隊(duì)伍建設(shè)

由國(guó)際著名GNSS 氣象學(xué)家、歐洲科學(xué)院院士擔(dān)任該課程總負(fù)責(zé)人，對(duì)標(biāo)國(guó)家一流課程標(biāo)準(zhǔn)，從課程設(shè)計(jì)、課堂教學(xué)、資源建設(shè)和教學(xué)改革等多個(gè)方面對(duì)課程進(jìn)行全方位建設(shè)。先后派出課程團(tuán)隊(duì)中三位副教授赴中國(guó)氣象局氣象探測(cè)中心GNSS／MET 觀測(cè)與應(yīng)用創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)掛職交流，學(xué)習(xí)GNSS／MET 站網(wǎng)選址、建設(shè)、數(shù)據(jù)采集與處理、成果分析與應(yīng)用等知識(shí)，強(qiáng)化課程理論知識(shí)與業(yè)務(wù)應(yīng)用相結(jié)合；推薦他們分別赴美國(guó)國(guó)家大氣研究中心（NCAR）、澳大利亞新南威爾士大學(xué)、加拿大卡爾加里大學(xué)等國(guó)外高水平大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)進(jìn)行訪學(xué)，學(xué)習(xí)并研究國(guó)際上最新的GNSS／MET 技術(shù)。聯(lián)合中國(guó)氣象局氣象探測(cè)中心GNSS／MET 觀測(cè)與應(yīng)用創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)首席科學(xué)家及核心成員共同組成“GNSS 氣象學(xué)”授課團(tuán)隊(duì)。

2.2 課程內(nèi)容建設(shè)

“GNSS氣象學(xué)”是大地測(cè)量和大氣探測(cè)交叉融合的學(xué)科，受各種條件限制，國(guó)內(nèi)能獨(dú)立開(kāi)設(shè)本課程的高校寥寥無(wú)幾。因而，課程的內(nèi)容設(shè)置也沒(méi)有范例可供參考。隨著GPS、北斗等GNSS 系統(tǒng)、低軌衛(wèi)星的發(fā)展及氣象現(xiàn)代化的需求，本課程的內(nèi)容由最初的地基GPS水汽探測(cè)，逐步發(fā)展為GNSS 氣象學(xué)基本知識(shí)、地基GNSS氣象學(xué)、GNSS無(wú)線電掩星大氣探測(cè)、GNSS反射大氣測(cè)量及我國(guó)GNSS／MET 的業(yè)務(wù)化應(yīng)用等5 個(gè)部分，涵蓋了當(dāng)今GNSS 氣象學(xué)發(fā)展的全部?jī)?nèi)容和研究熱點(diǎn)，課程內(nèi)容如圖1 所示。

圖1 “GNSS氣象學(xué)”課程的主要內(nèi)容

2.3 教材建設(shè)

2014 年，由課程總負(fù)責(zé)人主編的全英文GNSS／MET教材《GNSS Remote Sensing：Theory，Methods and Applications》（ISBN：9789400774810）由Springer 出版社正式出版。該教材是國(guó)際上由Springer出版社出版的第1 本GNSS／MET教材，對(duì)普及GNSS／MET相關(guān)知識(shí)，推動(dòng)大地測(cè)量學(xué)和氣象學(xué)交叉融合意義重大［15］。

2019 年，該團(tuán)隊(duì)總結(jié)了近年來(lái)GNSS／MET方面的最新研究成果，在Springer 出版社出版了全英文GNSS／MET 專(zhuān)著《GNSS Atmospheric Seismology：Theory， Observations and Modelling》 （ISBN：9789811031762）［16］。

同時(shí)著手編寫(xiě)的江蘇省高等學(xué)校重點(diǎn)教材《GNSS氣象學(xué)原理與應(yīng)用》獲江蘇省教育廳立項(xiàng)。

2.4 GNSS氣象學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中國(guó)氣象局氣象探測(cè)中心、廣州南方測(cè)繪科技股份有限公司共同開(kāi)發(fā)建設(shè)了“地基GNSS氣象學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”，還原真實(shí)場(chǎng)景，將課堂學(xué)習(xí)與虛擬仿真相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地、無(wú)縫式教學(xué)，促進(jìn)學(xué)習(xí)效率提升。系統(tǒng)除服務(wù)我校GNSS 氣象學(xué)課程教學(xué)外，還將申報(bào)國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，面向公眾、其他高校免費(fèi)及中國(guó)氣象局系統(tǒng)GNSS／MET業(yè)務(wù)培訓(xùn)開(kāi)放，推廣、傳播GNSS氣象學(xué)知識(shí)。

2.5 空天地一體化衛(wèi)星數(shù)據(jù)分析中心

擁有CORS基準(zhǔn)站，配備有GNSS 信號(hào)模擬器、高精度GNSS接收機(jī)等儀器設(shè)備200 余臺(tái)／套，建設(shè)了空天地一體化衛(wèi)星數(shù)據(jù)分析中心，實(shí)時(shí)生成全球水汽、電離層VTEC 等數(shù)據(jù)產(chǎn)品，滿足學(xué)生實(shí)習(xí)與能力培養(yǎng)需要。

2.6 “南信大一號(hào)”GNSS大氣海洋遙感試驗(yàn)衛(wèi)星

聯(lián)合上海航天電子通訊設(shè)備研究所和上海航騫智能科技有限公司，將于2020 年5 月前發(fā)射“南信大一號(hào)”GNSS大氣海洋遙感試驗(yàn)衛(wèi)星，建設(shè)氣象海洋大數(shù)據(jù)分析中心。主要利用GNS 掩星和反射信號(hào)進(jìn)行大氣和海洋遙感，獲取對(duì)流層大氣溫濕壓、電離層電子密度和總電子含量以及海面高度和風(fēng)場(chǎng)等重要信息，為氣象、海洋、航運(yùn)、漁業(yè)等行業(yè)部門(mén)服務(wù)，開(kāi)展基于GNSS掩星和反射信號(hào)的GNSS 氣象學(xué)相關(guān)教學(xué)和科學(xué)研究。

3 課程組織與成績(jī)?cè)u(píng)定

3.1 課程組織

堅(jiān)持以學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的教學(xué)設(shè)計(jì)理念，如圖2 所示。

圖2 課程教學(xué)設(shè)計(jì)理念

①結(jié)合氣象未來(lái)發(fā)展與規(guī)劃，學(xué)生思考需要解決的核心問(wèn)題；② 通過(guò)學(xué)習(xí)，理解關(guān)鍵知識(shí)；③ 運(yùn)用知識(shí)，形成初步解決方案；④不同知識(shí)交叉、融合、關(guān)聯(lián)；⑤完善解決方案，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的創(chuàng)新應(yīng)用。以學(xué)生為中心，鼓勵(lì)個(gè)性化發(fā)展。混合式教學(xué)方法貫穿教學(xué)活動(dòng)的各個(gè)環(huán)節(jié)，借助智慧教學(xué)平臺(tái)，采用學(xué)生邊講邊練，案例點(diǎn)評(píng)、平行互動(dòng)等多種形式，提高授課效率，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力。

3.2 成績(jī)?cè)u(píng)定

成績(jī)?cè)u(píng)定由知識(shí)目標(biāo)、能力目標(biāo)和素質(zhì)目標(biāo)3 部分組成，各部分占比如表1 所示。

表1 課程成績(jī)?cè)u(píng)定具體組成

（1）知識(shí)目標(biāo)評(píng)定。由過(guò)程性考核和終結(jié)性考核兩部分組成，過(guò)程性考核占40%，終結(jié)性考核占60%。過(guò)程性考核中，考勤占10%、課堂小測(cè)驗(yàn)占15%、課堂討論占15%。

（2）能力目標(biāo)評(píng)定。由實(shí)踐實(shí)驗(yàn)和GNSS氣象學(xué)綜合設(shè)計(jì)與應(yīng)用量部分組成，重點(diǎn)考查學(xué)生對(duì)知識(shí)的運(yùn)用能力，其中實(shí)踐實(shí)驗(yàn)占40%，綜合設(shè)計(jì)與應(yīng)用占60%。

（3）素質(zhì)目標(biāo)評(píng)定。學(xué)生分組實(shí)習(xí)、完成項(xiàng)目設(shè)計(jì)，根據(jù)小組合作情況，考核“不怕吃苦、團(tuán)結(jié)協(xié)作”的精神。

4 課程評(píng)價(jià)與改革成效

4.1 課程評(píng)價(jià)

課程結(jié)束前，教學(xué)團(tuán)隊(duì)會(huì)組織問(wèn)卷調(diào)查、聘請(qǐng)校級(jí)和院級(jí)督導(dǎo)隨機(jī)聽(tīng)課、成績(jī)分析等多種形式，收集課程教學(xué)形式、內(nèi)容及方法等各方面的意見(jiàn)。通過(guò)集體備課、交流研討等形式對(duì)課堂教學(xué)持續(xù)改進(jìn)。

督導(dǎo)由中國(guó)工程院院士、國(guó)家氣象局氣象探測(cè)中心專(zhuān)家及校兼職指導(dǎo)組成。他們對(duì)本課程均作出了一致好評(píng)：學(xué)科交叉融合，特色鮮明，效果顯著；理論與業(yè)務(wù)相結(jié)合，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，成果顯著，起到了示范帶頭作用；教學(xué)目標(biāo)明確，教學(xué)內(nèi)容豐富，增強(qiáng)了民族自豪感和自信心，突破了傳統(tǒng)教學(xué)方法，取得了系列成績(jī)。

4.2 改革成效

學(xué)生參與開(kāi)發(fā)的滑坡地質(zhì)災(zāi)害實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)，已經(jīng)成功應(yīng)用于全國(guó)近100 個(gè)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)點(diǎn)；研發(fā)的北斗電離層閃爍接收機(jī)和電離層閃爍分析系統(tǒng)，已經(jīng)江蘇省自然資源廳CORS中心投入應(yīng)用近2 年。

近3 年，學(xué)生主持或參與的“GNSS 氣象學(xué)”相關(guān)成果獲得第三屆3S 杯全國(guó)大學(xué)生物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用“三創(chuàng)”大賽一等獎(jiǎng)、挑戰(zhàn)杯江蘇省賽一等獎(jiǎng)、江蘇省測(cè)繪地理信息創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽一等獎(jiǎng)等國(guó)家級(jí)、省級(jí)等各級(jí)獎(jiǎng)勵(lì)達(dá)20 余項(xiàng)。

5 結(jié) 語(yǔ)

GNSS氣象學(xué)是大氣探測(cè)與大地測(cè)量學(xué)科交叉融合而形成的一門(mén)新的氣象學(xué)分支。中國(guó)氣象局發(fā)布的《氣象觀測(cè)技術(shù)發(fā)展引領(lǐng)計(jì)劃（2020-2035 年）》（氣發(fā)［2019］90 號(hào)）文件，對(duì)GNSS／MET 的發(fā)展和業(yè)務(wù)化應(yīng)用進(jìn)行了專(zhuān)門(mén)規(guī)劃，GNSS／MET 在氣象觀測(cè)技術(shù)自動(dòng)化、信息化和智能化發(fā)展中將發(fā)揮不可替代的作用，人才需求量巨大。我校依托氣象學(xué)科優(yōu)勢(shì)，主動(dòng)擔(dān)當(dāng)，充分發(fā)揮大氣探測(cè)和大地測(cè)量方面的技術(shù)儲(chǔ)備和人才優(yōu)勢(shì)，開(kāi)設(shè)了GNSS 氣象學(xué)課程，培養(yǎng)跨學(xué)科人才，提升我國(guó)綜合氣象觀測(cè)現(xiàn)代化水平。課程團(tuán)隊(duì)從課程培養(yǎng)目標(biāo)、課程建設(shè)、課程組織、成績(jī)?cè)u(píng)定及課程評(píng)價(jià)等多個(gè)方面進(jìn)行了建設(shè)與改革，取得了一定的效果。下一步，課程團(tuán)隊(duì)將在全校開(kāi)設(shè)GNSS氣象學(xué)通修課程，普及GNSS氣象學(xué)知識(shí)；并重點(diǎn)圍繞“南信大一號(hào)”衛(wèi)星GNSS氣象學(xué)教學(xué)與研究平臺(tái)建設(shè)開(kāi)展工作，推動(dòng)GNSS掩星／反射信號(hào)氣象探測(cè)技術(shù)的發(fā)展與業(yè)務(wù)化應(yīng)用，服務(wù)我國(guó)氣象事業(yè)發(fā)展。