基于科研導師制度的實驗教學模式創新探討

陳科藝 鄭佳鋒 劉琰琰

[摘 要] 基于科研導師制度，提出對現有本科實驗教學模式的創新探討，將氣象觀測和數值天氣預報教學與導師科研工作有效融合的教學形式，可使學生的學習動力及效率、專業知識綜合應用，以及氣象業務能力等方面均顯著提升;科研論文、創新大賽成果較以往更為豐碩，形成“教”“學”互助的良性循環機制。創新性實驗教學理念和方法為支持學院學科建設，培養既熟練掌握大氣科學基本理論和觀測應用技能，又能夠在業務單位迅速熟悉氣象預報系統的高素質應用人才，奠定了堅實的基礎。

[關鍵詞] 科研導師制度;實驗教學模式;創新培養

[基金項目] 2019—2022年國家自然科學基金項目“衛星微波觀測資料的全天候同化關鍵技術研究”（41875039）;2020—2021年成都信息工程大學本科教學工程項目“‘農業氣象學’勞動教育示范課程”（BKJX2020051）

[作者簡介] 陳科藝（1980—），女，四川攀枝花人，理學博士，成都信息工程大學大氣科學學院副教授，碩士生導師，主要從事衛星資料同化及數值天氣預報研究;鄭佳鋒（1988—），男，福建莆田人，理學博士，成都信息工程大學大氣科學學院副教授，碩士生導師，主要從事雷達氣象學研究;劉琰琰（1982—），女，河南南陽人，農學博士，成都信息工程大學大氣科學學院副教授，碩士生導師，主要從事農業氣象學研究。

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）15-0057-04 [收稿日期] 2021-10-25

隨著計算機技術的發展和科學研究的深入，數值天氣預報成為天氣預報的主要手段。其利用一定的初值和邊界條件，通過高性能計算機進行數值計算，求解描寫天氣演變過程的動力學和熱力學的方程組，進而預測未來一定時段內的大氣運動狀態和天氣現象，為社會生產和人民生活提供氣象保障服務[1]。要提高數值天氣預報的準確率，除了要有高密度的地面和高空氣象觀測網為數值模式初始場提供質量可靠的氣象要素數據以外，培養熟悉氣象觀測和熟練掌握數值天氣預報模式運行及數值產品釋用的本科人才亦是不可缺少的重要教育環節。而在高等院校，教學和科研是兩大支柱，利用教師自身的科研優勢和科學素養，將科研融入實驗教學的模式，對于開發學生的實踐和創新能力，培養符合用人單位需求的創新型復合型人才，已成為當今高等教育改革探索的核心[2]。《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010—2020年）》明確強調高等教育要重視培養在校大學生的創新能力、實踐能力和創業精神[3]。因此，立足于科研并有利于科教融合的本科生導師制度促進實驗教學模式的創新和質量提高均值得探討。

一、本科生科研導師制度

成都信息工程大學大氣科學專業是本校的傳統優勢學科，2004年被評為四川省重點建設學科，2017年獲批四川省一流建設學科，2020年入選國家級一流本科專業建設點，氣象行業特色鮮明。為培養本科生的科研意識，提高學生的科研素質和科研能力，提升氣象人才的創新實踐能力，大氣科學學院從2015年開始在大氣科學和應用氣象兩個專業的本科生中實行科研導師制度。

該科研導師制度實施時間從本科第四學期開始，導師范圍為我院專職教師和參與指導我院本科論文的教師。實施方式為師生雙向選擇，基本前提是學生自身需具備濃厚的興趣和意愿接受創新和科研訓練，教師需具備培養和指導學生的條件和意愿。學生按個人研究興趣或未來職業傾向報選對應的導師，而導師也可通過學生成績、興趣、創新創業經歷和未來規劃等，綜合考慮并接納學生。雙方一旦都達成意愿后即可向學院報備并確立關系。為確保成效，每個學生僅能報選1名導師，而每個導師指導學生不超過5個。確立關系后，導師將逐步從文獻查閱、實踐操作、程序編寫、科研繪圖和論文寫作等方面對學生進行指導和訓練，而學生可加入導師的課題或項目組，同時可參加全國大學生創新創業比賽等項目，積極參加國內外學術活動等。整體而言，我院科研導師制度旨在保證學生在學有余力的前提下，根據學生的興趣和未來職業傾向，培養更專和精的創新性本科氣象人才。

二、優化實驗教學體系

學院要求選擇科研導師的本科生均要隨導師進行業務學習和科學研究，導師則對學生從科研或業務上進行專業和實踐的指導，使學生能夠把握理論前沿，學習新方法和新技能，并能熟練運用于未來的研究和工作中[4]。實驗教學作為是知識轉化、拓展和應用的重要手段，是全面提高學生綜合素質的重要教學環節，也是高等教育創新體系中的重要組成部分[5]?；诳茖W研究的實驗教學是將學生置于研究者的地位，使其通過探索未知，實現“要我做”到“我想做”“我要做”的轉變[6];亦使其在科學實驗中，提高實踐和創新能力。

（一）優化觀測實驗教學體系

人類對大氣運動規律和云雨現象的認識始于氣象觀測，氣象觀測最重要的目標就是為數值天氣預報提供數據基礎，使預報員和計算機更好地獲悉大氣的狀態和水汽條件、動力學條件、熱力學條件等，從而減少誤差，做出準確的預報。根據天氣預報的需要，氣象觀測對象通常包括溫度、氣壓、濕度、風和云雨宏微觀參數等氣象要素。氣象觀測服務于天氣預報，但它屬于交叉學科范疇，其與氣象設備直接相關;而氣象設備又以電子信息和遙感原理等為基礎，具有操作性強、理論和實踐結合緊密等特點。傳統實驗教學中，教師通常以課堂講授和軟件操作為主要手段，學生較為被動，且抽象難以掌握。國內大氣科學類專業的本科生課程體系中，與氣象觀測相關的課程還是以講授為主，實驗環節課時有限且較為分散，學生通常難以扎實掌握，也無法與天氣預報等有機結合。

鑒于科研導師制度中學生角色的主動性，導師以思路指導和實際業務或科研問題驅動來補充氣象觀測的實驗教學。如氣象觀測中的雷達觀測，氣象雷達是目前能夠以高時空分辨率觀測空中云雨三維信息的主要手段，它對數值模式的短時臨近天氣模擬和預報具有關鍵作用。我校雖開設了“雷達氣象學”課程，但由于課堂講授的“電磁波”“遙感”和“三維掃描”等都具有很強的抽象性，學生很難具體掌握雷達資料并靈活應用。另一方面，我校具有中國氣象局大氣探測重點開放實驗室，擁有多部地基和移動式的氣象雷達，因此通過科研導師制度可為實驗教學進一步提供設備和資源。在導師的指導下，學生不僅可加強對氣象雷達的深入理解，甚至還可延擴至研究領域。首先，由于氣象雷達在雨季需全天候運行，學生可通過導師提供的資源，學習雷達觀測規范和實際操作手冊，參與雷達汛期的值班和氣象保障，充分接觸雷達的硬件實體和軟件操控，結合課堂理論所學加深對雷達觀測的認識。其次，學生可參與到導師的雷達野外科研試驗中，野外試驗通常是為明確的科學問題而開展的觀測任務，除氣象雷達外，還通常配備其他不同的氣象觀測設備;在導師的指導下，學生積極參與野外觀測，明確觀測為天氣研究和數值預報提供何種資料，如何與其他設備相互配合等。這不僅使學生掌握了雷達觀測，還培養了對氣象科學問題的理解。

實行科研導師制度以來，在學校和氣象部門的支持下，我院每年都選拔科研導生在我校中國氣象局大氣探測重點開放實驗室、溫江氣象局、西南空管局等開展觀測值班實習;也在國家和省部級科研項目的支持下，由導師帶領學生前往青藏高原、川西和華南等地，開展氣象野外觀測試驗，利用課堂外的科研實踐補充對數值天氣預報中氣象觀測實驗的教學。

（二）科研融入數值預報教學體系

1958年，英國科學家、哲學家Michael Polanyi將人類知識分為兩類，一類為言傳知識，包括書面文字、圖表、公式等，另一類為隱性知識，包括各種非系統闡述的、無法連貫起來的知識，其主要是在具體的實踐過程中，尤其是失敗中獲得的[7]。數值天氣預報實驗技能正是屬于這類隱性知識范疇，其對于學生設計實驗能力和操控大型計算機能力要求很高。氣象專業的本科院校通常開設了“數值天氣預報”和“數值計算方法”兩門課程，然而實驗教學部分課時量少，學生只能淺嘗輒止，難以滿足人才培養的需求，必須要有足夠時長的訓練和反復進行各類天氣的數值預報實驗，才能獲得操作體驗，并積累足夠的實踐經驗，此過程無法通過書本或者他人的經驗獲取和替代。根據Michael Polanyi的隱性知識理論，獲取此類知識是在“干中學”，是在實驗、出錯、糾正的循環往復的過程中形成的。數值預報實驗能力的培養也不是一蹴而就的，而是通過多次重復、循環進行實驗的螺旋上升式的培養模式達成的。因此，在培養過程中，導師應充分利用自身豐富的知識儲備和實踐經驗，指導學生在課余時間有條不紊地一步步動手實踐，學會設計針對各類天氣的預報實驗，運行數值天氣預報模式，分析數值計算結果，將課堂所學知識與數值實驗有機結合起來，做到專業課知識與實驗實踐知識的融會貫通，既可優化數值預報教學體系，也可通過反復的實驗實踐提高學生進行數值天氣預報的綜合能力，從而提升進入業務單位的畢業生質量和用人單位的滿意度，對于學院的學科建設亦是極大的支持。

對于本科生而言，利用WRF模式進行數值實驗的整套流程不僅要求熟悉Linux/Unix操作系統，并進行模式系統的安裝和編譯，而且要求在清楚每個操作模塊功能的前提下進行模式的各模塊運行，靈活利用相關文件進行各類天氣個例實驗相關參數設置和物理參數化方案的選取，能夠將實驗運行結果可視化（繪圖），解釋所得預報結果，并進行相應的天氣學分析。這一系列實驗操作對學生的動手能力、邏輯思維能力及大氣科學專業知識的融會貫通都是一個極好的綜合實踐訓練，也使學生不僅站在預報員的角度，也站在科研工作者的角度對天氣個例實驗進行探討和分析，亦能更加深入地理解和綜合應用所學專業知識。由此可見，科研導師制度不僅可以提高學生進行數值天氣預報實驗和對數值預報產品釋用的能力，而且也是對傳統課堂教學的有力補充和良性支持。

三、科研導師制效果評定

通過合理設計天氣學實驗，鼓勵學生帶著社會對天氣預報服務的需求和提高天氣預報準確性的心態做實驗，將極大地提高學生進行氣象觀測和數值天氣預報實驗的興趣和積極性;同時，利用導師的科研基礎和科研成果反哺數值天氣預報教學，通過這種開放式、自主式、探索式的教學模式和師生雙方的積極參與，培養學生的創新思維和實踐能力，并且有可能通過這樣的實驗及實驗內容的延伸獲取初步的科研成果，申報大學生創新創業等項目，撰寫畢業論文，甚至發表科研論文，提升本科生的業務能力和科研能力。以我校大氣科學學院2016級本科生為例，截至2020年6月畢業前，共計39人次獲得73項各類科技競賽和大學生創新創業大賽獎項，其中國家級37項，省部級8項，校級28項;7人發表科研論文9篇，其中SCI收錄1篇，國內核心期刊收錄4篇，本科生培養質量較往屆有了非常明顯的提升。大氣科學學院的大學生創新創業訓練計劃項目立項數目，也從2017年的6項逐年遞增到2020年的27項，這些均與科研導師制度的實施密切相關。

結語

基于科研導師制度的大氣科學學科的實驗教學模式，緊緊圍繞我國氣象服務現代化和業務單位對氣象預報人才培養的綜合需求，將科研融入氣象觀測和天氣預報實驗教學，使本科生從被動接受較為僵化的課堂教學，轉換為在科研導師的引導下，以預報員和科研工作者的角度進行探索性的實驗實踐學習，在科學實驗中提高學生的學習積極性、思考能力、創新能力及團隊合作能力，進而提升氣象事業預備人才的綜合業務水平和素質。創新性實驗教學理念和教學方法對于支持學院學科建設，培養既熟練掌握大氣科學基本理論和觀測應用技能，又能夠在當下數值天氣預報普及的業務單位迅速熟悉氣象業務系統的高素質應用人才，奠定了良好而堅實的基礎。

參考文獻

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Exploration on the Innovation of the Experimental Teaching Mode Based on the Tutorial System of the Scientific Research for Undergraduates： Taking the Courses of Numerical Weather Prediction and Radar Meteorology as Examples

CHEN Ke-yia， b， ZHENG Jia-fenga， b， LIU Yan-yana

（a.School of Atmospheric Sciences; b. The Key Laboratory of Plateau Atmosphere and Environment of Sichuan Province， Chengdu University of Information & Technology， Chengdu， Sichuan

610225， China）

Abstract： Based on the tutorial system of scientific research for undergraduates， the innovation of the experimental teaching mode is proposed. By effectively integrating the teaching of meteorological observation and numerical weather forecast with the tutor’s scientific research work， we can significantly improve the students’ learning motivation and efficiency， the comprehensive application of professional knowledge， and the meteorological professional ability. The achievements of scientific research papers and innovation competitions are more fruitful than before， forming a virtuous circle mechanism of mutual assistance between teaching and learning. We have adopted innovative experimental teaching ideas and methods to train talents who are proficient in the basic theory and observation application skills of atmospheric science.

Key words： tutorial system of scientific research; experimental teaching mode; innovative training