云降水物理學(xué)虛擬仿真實驗設(shè)計與實現(xiàn)

呂晶晶， 朱 彬， 何都良， 安俊琳， 王 靜， 項 磊

（南京信息工程大學(xué)a.大氣科學(xué)與氣象信息虛擬仿真實驗教學(xué)中心；b.實驗室與設(shè)備管理處；c.中國氣象局氣溶膠與云降水重點開放實驗室，南京210044）

0 引 言

我國高等教育已進(jìn)入全面振興本科教育的攻堅階段。實驗實踐教學(xué)作為人才培養(yǎng)的重要組成，對提高高校本科教育質(zhì)量至關(guān)重要［1］。隨著信息化技術(shù)與教育教學(xué)深度融合，教育信息化受到了國家的高度重視，教育部提出開展建設(shè)虛擬仿真實驗教學(xué)建設(shè)具有重大意義［2］。教育部高等教育司吳巖司長［3］在建設(shè)中國金課的報告中指出，虛擬仿真是一種新的教育生產(chǎn)力，是推進(jìn)“智能＋教育”的創(chuàng)新一招，使原來做不到、做不好、做不了、做不上的實驗實訓(xùn)教學(xué)成為可能。信息技術(shù)的應(yīng)用是提高實驗教學(xué)質(zhì)量的重要手段［4］，虛擬仿真實驗教學(xué)作為教育部著力打造的五大“金課”之一，已成為高等教育研究的熱點問題［5-6］。

我校享有“氣象人才搖籃”之美譽(yù)，其前身南京氣象學(xué)院始建于1960 年，2017 年入選國家“雙一流”建設(shè)高校和江蘇高水平大學(xué)建設(shè)重點支持高校。大氣科學(xué)是國家重點學(xué)科，并在教育部一級學(xué)科評估中蟬聯(lián)全國第一、獲評A ＋等級。我校作為一所典型的行業(yè)特色型高校素來重視實踐教學(xué)［7-8］，在氣象行業(yè)全面現(xiàn)代化背景下［9］，發(fā)揮共建體制和多學(xué)科優(yōu)勢，已然成為協(xié)同人才培養(yǎng)模式改革的先行者［10］。2013 年我校獲得兩個國家級實驗教學(xué)示范中心稱號［11］，即：大氣科學(xué)與環(huán)境氣象實驗教學(xué)中心和大氣科學(xué)與氣象信息虛擬仿真實驗教學(xué)中心，隨后陸續(xù)建設(shè)了短期氣候［12］、農(nóng)業(yè)氣象［13］、氣象云計算［14］、大氣環(huán)境［15］等一批虛擬仿真實驗資源；2016 年“地球科學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)共享平臺”獲批為江蘇省唯一的地學(xué)類省級共享平臺［16］；2019 年獲批中國氣象局“國家綜合氣象觀測專項試驗外場”基地［17］。

云霧降水過程是全球水分循環(huán)中的重要環(huán)節(jié)，大氣中絕大多數(shù)天氣現(xiàn)象都與其關(guān)系密切［18］。由于受季風(fēng)氣候的影響，我國降水資源時空分布十分不均，云降水物理學(xué)作為一門具有實際意義的理論學(xué)科，人工影響天氣就是直接建立在其理論基礎(chǔ)上的應(yīng)用科學(xué)技術(shù)。隨著社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展，人們對人工影響天氣提出了更為迫切的需求，經(jīng)過60 多年發(fā)展，人工影響天氣早已成為我國防災(zāi)減災(zāi)、生態(tài)文明建設(shè)的有力手段，在服務(wù)農(nóng)業(yè)建設(shè)、保障水資源安全等方面將會發(fā)揮越來越重要的作用［19-20］。

1 云降水物理學(xué)虛仿實驗建設(shè)背景

云降水物理過程是大氣水循環(huán)的核心組成部分，是地球大氣的熱量、水分和動量平衡的關(guān)鍵因素，它不僅影響局地和短期的天氣過程，而且影響大氣環(huán)流和全球氣候的變化。云降水物理學(xué)是大氣科學(xué)本科專業(yè)的核心課程，主要研究自然界氣溶膠、云霧和降水的形成、發(fā)展和消散的宏微觀過程，同時還包括雷暴電學(xué)、云霧光學(xué)、云的輻射氣候效應(yīng)、云降水化學(xué)等廣泛內(nèi)容［18］，具有很強(qiáng)的實踐性教學(xué)要求。涉及云降水發(fā)展過程中的研究對象，從納米級的氣溶膠，到上千公里的云降水系統(tǒng)（如：臺風(fēng)降水等），在時間和空間尺度變化范圍極大，使得測量難度大為增加。常見的云霧降水實驗測量平臺包括高山地面站、火箭、探空儀以及搭載高精度光電探測設(shè)備的飛機(jī)。但是受制于時空、儀器和實驗成本等因素，傳統(tǒng)的云降水物理學(xué)實驗教學(xué)只能在室內(nèi)（比如：云室）開展，不具備對真實云霧環(huán)境進(jìn)行直接測量的條件，這無疑限制了學(xué)生對云霧-降水整體過程的深切感悟和深刻理解。為了有效解決云降水物理學(xué)實踐教學(xué)中自然云霧過程不可及、不可逆和多因素影響等問題，借助先進(jìn)的信息化手段，構(gòu)建云霧-降水虛擬仿真實驗，將為實踐教學(xué)提供全新的交互式教學(xué)手段，加深學(xué)生對云降水宏微觀過程的理性認(rèn)識，極大提高其實踐創(chuàng)新能力和防災(zāi)減災(zāi)意識。

2 云降水物理虛仿實驗設(shè)計

2.1 課程實驗內(nèi)容和目的

云降水物理學(xué)實驗內(nèi)容主要以氣溶膠-云霧-降水的形成過程作為脈絡(luò)，可分為氣溶膠云凝結(jié)核觀測、云霧粒子探測和降水粒子測量3 個部分。近年來，本課程教學(xué)團(tuán)隊依托學(xué)校國家級實驗教學(xué)示范平臺，以1995 年陳金榮等自編教材《云、降水物理實驗》為基礎(chǔ)，在“做中學(xué)”理念指導(dǎo)下，針對云降水物理學(xué)理論課程中講述的內(nèi)容，并結(jié)合已配備的國際先進(jìn)氣溶膠、云霧降水探測設(shè)備——寬范圍氣溶膠粒徑譜儀（WPS-1000XP）、光學(xué)霧滴譜儀（FM-100）、云凝結(jié)核計數(shù)器（CCN-100）、光學(xué)雨滴譜儀（PARSIVEL2）、單顆粒氣溶膠飛行時間質(zhì)譜儀（ATOFMS）、濕控串聯(lián)差分電遷移率分析儀（HTDMA）和現(xiàn)在天氣現(xiàn)象儀（VPF-730）等，已陸續(xù)開展了氣溶膠譜、巨鹽核凝結(jié)增長、云凝結(jié)核、霧滴譜和雨滴譜等10 多個實體實驗項目，并取得良好的實踐教學(xué)成效。

但是云降水粒子形成、增長的云微物理過程和云降水發(fā)展宏觀過程仍然是實踐教學(xué)重難點。由于不具備對自然云霧環(huán)境進(jìn)行直接測量的條件（尤其是飛機(jī)穿云觀測），學(xué)生仍然缺乏對自然云霧降水過程中不可及、不可逆和多因素影響等問題的理性認(rèn)識。因此，采用“虛實結(jié)合”方式構(gòu)建了云降水物理學(xué)實驗課程體系（見圖1），以外場觀測和分檔雨滴數(shù)值模擬數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，借助Unity3D等信息技術(shù)，設(shè)計了涵蓋基礎(chǔ)操作、設(shè)計驗證和綜合探索3 層次的云霧降水虛擬仿真實驗，包括：霧滴譜觀測、云霧微物理量分析和人工增雨飛機(jī)觀測。

圖1 “虛實結(jié)合”的云降水物理學(xué)實驗課程體系

實驗環(huán)境以干旱半干旱區(qū)氣候為背景，所有探測儀器均根據(jù)實物3D 建模而成，以上升氣流、催化溫度、催化開始時間和催化持續(xù)時間為輸入?yún)?shù)，通過人工降水和自然降水的統(tǒng)計效果檢驗，獲得不同上升氣流環(huán)境中的最優(yōu)人工催化方案。學(xué)生首先完成地面霧滴譜儀操作—云霧微物理量分析（見圖2），然后再進(jìn)行空中飛機(jī)探測儀器加載—人工催化作業(yè)設(shè)置—增雨效果檢驗（見圖3）等虛擬實驗環(huán)節(jié)，將使得學(xué)生動手實踐和自主創(chuàng)新能力得到極大提升，以期達(dá)到以下教學(xué)目的：

圖2 霧滴譜儀操作虛擬仿真實驗界面

圖3 人工增雨虛擬仿真實驗界面

（1）加深學(xué)生對云降水宏微觀過程的深入理解。包括掌握暖云降水原理，冷云降水原理，以及不同物理過程（如核化、凝結(jié)、碰并等）對云中水成物粒子產(chǎn)生消失的影響。

（2）掌握氣溶膠-云-降水粒子的探測原理、儀器和處理方法。包括氣溶膠粒子譜、云凝結(jié)核、云霧粒子譜、水成物粒子譜的探測原理，儀器數(shù)據(jù)處理方法。

（3）掌握人工影響天氣的科學(xué)基礎(chǔ)。熟悉層狀云、積狀云、暖云人工增雨作業(yè)技術(shù)；掌握主要的人工影響天氣催化劑；掌握人工影響天氣效果評價的基本方法。

（4）培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題的能力，提高防災(zāi)減災(zāi)意識。通過對比分析、參數(shù)控制、歸納分析等實驗方法探究影響人工增雨作業(yè)的因子（如：上升氣流、催化劑、作業(yè)時間、催化溫度等），并獲得不同上升氣流環(huán)境中的最優(yōu)人工催化方案，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)效率和設(shè)計創(chuàng)新能力。

2.2 教學(xué)方法和實施過程

（1）情景體驗式教學(xué)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。基于大氣科學(xué)類專業(yè)特點，傳統(tǒng)的實驗教學(xué)只能讓學(xué)生在一定程度上對氣溶膠—云霧—降水過程形成、演變等具有感性認(rèn)識，但對于其整體宏微觀過程的理解仍然抽象晦澀。本虛擬實驗通過讓學(xué)生在虛擬仿真的干旱半干旱區(qū)氣候背景中開展認(rèn)知實習(xí)，掌握霧滴譜探測原理（前向散射），分析云霧微物理特征，并開展人工增雨催化作業(yè)和效果檢驗等。這使得實驗教學(xué)不受時間、空間、成本的制約，提升了學(xué)生的體驗獲得感，激發(fā)學(xué)生濃厚學(xué)習(xí)興趣。

（2）問題啟發(fā)式教學(xué)，拓展學(xué)生科學(xué)思維。在完成虛擬仿真實驗認(rèn)知過程中，設(shè)計一些啟發(fā)性問題，以拓展學(xué)生的科學(xué)思維能力。比如：學(xué)生在進(jìn)行地面霧滴譜儀操作和微物理數(shù)據(jù)分析時，因為霧本質(zhì)上就是貼地的暖云，兩者微物理過程近似，而且地基霧滴譜儀和機(jī)載云粒子探測儀的原理相同，都假設(shè)云霧粒子為球形。但是如果環(huán)境氣溫低于零度，在測量范圍內(nèi)被測水成物粒子為冰晶（非球形），會對霧滴譜儀測量結(jié)果造成怎樣的影響？機(jī)載探測系統(tǒng)是怎么解決這個問題？

（3）自主探究式教學(xué)，提升學(xué)生自主創(chuàng)新。從開源節(jié)流的角度，人工增雨作為一種有效緩解水資源緊缺狀況的科學(xué)手段被引入。那么針對半干旱區(qū)的氣候條件，人工增雨可以增加多少降水量、不同降水強(qiáng)度對不同被覆坡面土壤入滲過程有多少影響等問題都值得探究。因此，本實驗設(shè)計了人工增雨試驗?zāi)K，以幫助學(xué)生在同一次的天氣過程中，探究最佳人工催化方案；同時設(shè)計了坡面土壤入滲對比模塊，對比分析降水強(qiáng)度、植被覆蓋度等因子對土壤入滲過程的影響，以幫助同學(xué)自主探究不同降水強(qiáng)度中，植被作用下坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的降雨臨界效應(yīng)。

（4）互動研討式教學(xué)，鞏固學(xué)生理論知識和實驗技能。在線交流環(huán)節(jié)，學(xué)生可在線提出虛擬仿真實驗操作和課后拓展作業(yè)中遇到的問題，師生在線上互動研討的過程中，逐漸加深學(xué)生對理論知識和實驗技能的理解和運用。

3 虛擬仿真實驗教學(xué)項目特色

（1）以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力為核心，采用“虛實結(jié)合”方式構(gòu)建云降水物理學(xué)實驗課程體系，同時按照基礎(chǔ)操作、設(shè)計驗證和綜合探索3 層次設(shè)計實驗內(nèi)容。學(xué)生在完成實體實驗的基礎(chǔ)上，再開展霧滴譜觀測、云霧微物理量分析和人工增雨飛機(jī)觀測等虛擬仿真實驗。作為實體實驗的延伸和拓展，實現(xiàn)了學(xué)生從“被動聽講”到“自主探究”的學(xué)習(xí)方法轉(zhuǎn)變，提高了學(xué)生對云降水粒子形成、增長的云微物理過程和云降水發(fā)展宏觀過程的深入理解。

（2）采用了體驗認(rèn)知式、問題啟發(fā)式、自主探究式和互動研討式等教學(xué)方法。在專業(yè)培養(yǎng)方案與課程教學(xué)大綱指導(dǎo)下，應(yīng)用信息化技術(shù)開發(fā)本實驗的虛擬仿真資源。采用線上線下立體化教學(xué)方法，通過本虛擬實驗資源達(dá)到傳授知識、拓展視野、提高能力的目的，既可完成傳統(tǒng)云降水物理學(xué)實體實驗中開展的認(rèn)知性和驗證性的教學(xué)內(nèi)容，還可以完成實體實驗無法完成的“云霧降水粒子宏微觀演變過程”中的設(shè)計性和綜合性的教學(xué)內(nèi)容，大大提高了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力。

（3）在虛擬仿真實驗評價體系中，除教學(xué)過程中所涉及的霧滴譜觀測、云霧微物理量分析，和人工增雨飛機(jī)觀測設(shè)計為考點，同時還輔以課后作業(yè)，作為實體實驗數(shù)據(jù)建模、計算和分析的教學(xué)內(nèi)容，按照各模塊在本實驗中的比例，形成“虛實結(jié)合”的考核評價指標(biāo)體系，采用過程性實驗報告考核和課后問答題相結(jié)合形式對學(xué)生學(xué)習(xí)情況進(jìn)行多指標(biāo)權(quán)重考核評價，實現(xiàn)對本實驗學(xué)習(xí)、練習(xí)、數(shù)據(jù)計算的全覆蓋。

4 結(jié) 語

云降水物理學(xué)是大氣科學(xué)本科專業(yè)的核心課程，具有很強(qiáng)的實踐性教學(xué)要求，其中云降水粒子形成、增長的云微物理過程和云降水發(fā)展宏觀過程一直是實踐教學(xué)重難點，但是傳統(tǒng)實體實驗不具備對自然云霧環(huán)境進(jìn)行直接測量的條件。因此基于野外觀測和數(shù)值模式數(shù)據(jù)，充分利用虛擬仿真技術(shù)，遞進(jìn)式構(gòu)建云霧—降水過程虛擬仿真實驗，讓實踐教學(xué)突破時間、空間、成本限制，將野外耗時長、耗資高、不可逆不可及的云霧-降水實驗，集中在高仿真度的虛擬實驗環(huán)境中完成，為云降水物理學(xué)實踐教學(xué)提供了有力幫助，實現(xiàn)了信息技術(shù)與大氣科學(xué)專業(yè)實踐教學(xué)融合，切實提高了實踐育人水平。