災害性天氣“颮線”預警虛擬仿真實驗系統(tǒng)構建與實現(xiàn)＊

陳旭紅，朱 彬，侯瑞欽

（南京信息工程大學大氣科學與氣象信息虛擬仿真實驗教學中心，江蘇 南京 210044）

大學院校的根本任務是立德樹人，課程建設是人才培養(yǎng)的核心要素。教高〔2019〕8號文件正式發(fā)布關于一流本科課程建設的實施意見，虛擬仿真實驗是教育部著力推進的5大“金課”之一，是高校“雙一流”建設的重要評價指標[1-6]。南京信息工程大學是國家“雙一流”建設、江蘇高水平大學建設重點支持高校，氣象學為國家重點學科。學校在“能實不虛，虛實融合”的實踐教學理念指導下，對實驗教學及平臺積極進行教學改革和探索[7-10]，“大氣科學與氣象信息虛擬仿真實驗教學中心”“大氣科學與環(huán)境氣象實驗教學中心”先后獲批國家級實驗教學示范中心；學校的“地球科學虛擬仿真實驗教學共享平臺”獲批為江蘇省唯一的地學類省級共享平臺。

中國為颮線天氣頻發(fā)區(qū)，颮線帶來的狂風、暴雨、冰雹等可造成嚴重的經濟損失和人員傷亡。本虛擬仿真實驗從經濟社會可持續(xù)發(fā)展和氣象防災減災對人才的需求出發(fā)，充分利用學校學科和平臺優(yōu)勢，構建颮線認知、探究實驗、預報預警的虛擬仿真實驗系統(tǒng)，有助于增強學生的防災減災意識，提高災害性天氣的預報預警能力。

1 虛擬仿真實驗系統(tǒng)建設背景

中國自然地理氣候條件復雜，是世界上氣象災害最嚴重的國家之一。在全球氣候變暖背景下，極端天氣氣候事件發(fā)生的頻率和強度呈現(xiàn)增加、增強的趨勢。颮線是呈線狀排列的雷暴單體或雷暴群，常伴有雷暴大風、強降水、冰雹、龍卷等災害性天氣，是導致氣象災害的重要天氣類型。

災害性天氣預報實習是大氣科學專業(yè)課程實驗教學體系預報預測課程模塊的核心教學內容，是培養(yǎng)學生實踐動手能力的重要環(huán)節(jié)。災害性天氣颮線不可逆、不可重復，可造成巨大的人員傷亡和經濟損失，為高危險性事件。由于颮線的發(fā)生具有局地性強、歷時短、天氣劇烈等特點，實習環(huán)境不可及。在教學過程中，難以開展颮線天氣的大型綜合訓練。為滿足國家防災減災戰(zhàn)略需求和學校“雙一流”大氣科學人才培養(yǎng)需求，開展災害性天氣“颮線”虛擬仿真實驗系統(tǒng)的建設，以彌補學生在自主學習、預報預警、防災減災方面的能力缺失。

2 虛擬仿真教學目標

大氣科學專業(yè)以培養(yǎng)“厚基礎，強實踐，重創(chuàng)新，創(chuàng)一流”的人才為目標，培養(yǎng)具有扎實的數(shù)理基礎、系統(tǒng)掌握大氣科學理論知識和技能、具備良好的科學文化素養(yǎng)的高級專門人才。本實驗項目依照“大氣科學”“應用氣象”等專業(yè)實踐課程培養(yǎng)要求，依托虛擬仿真、多媒體、人機交互等技術平臺，構建高度仿真的颮線天氣場景和沉浸式的颮線天氣預警實驗環(huán)境。

通過本虛擬仿真實驗，學生可掌握以下關鍵知識：通過復現(xiàn)颮線天氣場景，掌握颮線天氣以及地面氣象要素變化特征；通過探究颮線環(huán)境條件，掌握颮線形成和發(fā)生發(fā)展的動力抬升機制、水汽分布特征、常用大氣穩(wěn)定度參數(shù)計算分析方法以及颮線潛勢預報方法；通過制作災害性天氣“颮線”臨近預警，掌握颮線雷達回波結構特征、模式預報產品應用、臨近預警方法。

通過虛擬仿真實驗，學生不僅可掌握颮線相關理論知識，還能掌握天氣預報預警工作的整個流程和基本技能，提升以下綜合實踐能力：通過對颮線天氣環(huán)境條件的探究試驗，強化學生對中尺度氣象學中颮線相關知識點的理解，包括颮線地面氣象要素場的特征、颮線形成方式及機制、風垂直切變對對流風暴的作用等；通過三維動畫模擬颮線天氣場景及颮線云模型，增強學生對氣象災害的直觀感受，激發(fā)學生的學習興趣，增強學生自主學習意識，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力；熟悉颮線預報預警工作業(yè)務流程，能夠利用天氣預報基本理論方法及業(yè)務規(guī)范進行典型颮線預測，培養(yǎng)學生應對強對流災害性天氣預報預警問題的綜合能力；了解颮線危害及典型致災事件，建立氣象工作者職責精神，加強氣象生態(tài)文明教育，提高學生的防災減災意識。

3 虛擬仿真實驗系統(tǒng)設計

3.1 實驗架構

本虛擬仿真實驗系統(tǒng)采用“三階段、三模塊”的設計思路，由易到難，學生能力得到提升，符合學生的學習規(guī)律，如圖1所示。實驗過程的3個階段分別為實驗背景及介紹、實驗操作及分析、實驗報告及討論。

圖1 實驗架構及教學方法

第一階段為實驗背景及介紹。主要采用自主式學習的教學方法回顧基礎知識和認知颮線。該模塊類似于實驗教材，有實驗目的、實驗內容、實驗對象設計原則等內容。系統(tǒng)預測習題將利用知識要點考核、案例和系統(tǒng)提示協(xié)助學生完成整個實驗預習過程。

第二階段為實驗操作及分析。核心交互實驗模塊采用情景體驗式、任務驅動式和自主探究式教學方法，實驗內容從易到難，層層遞進，完成從颮線感知—規(guī)律探究—綜合應用3個層次的實驗，在實驗中體現(xiàn)“知識—能力—素質”與“基礎—實踐—創(chuàng)新”的高質量人才培養(yǎng)理念。

第三階段為實驗報告及討論。采用互動研討式教學方法總結與拓展知識。學生在做實驗的過程中，系統(tǒng)進行記錄考核，實驗結束時，即可獲得客觀操作分數(shù)。

3.2 教學方法

在實驗教學過程中，以學生為中心，圍繞關鍵知識點，采用“情景體驗式”“任務驅動式”“自主探究式”“問題啟發(fā)式”和“互動研討式”等教學方法，突破了時空限制，學生逐漸成為了學習的主體，實現(xiàn)了從被動聽講到自主探究的學習方法轉變，極大地提高了學生的實踐操作技能和自主創(chuàng)新能力。

采用任務驅動式教學自主構建知識過程。明確每個步驟的任務，引導學生帶著真實任務去學習，將傳統(tǒng)教學轉變?yōu)橐越鉀Q問題、完成任務為主的多維互動式教學，使學習更加生動有效。

采用情景體驗式教學激發(fā)學生學習興趣。傳統(tǒng)實驗教學中，天氣形勢和系統(tǒng)演變的分析理解較抽象晦澀。本實驗系統(tǒng)中，學生通過對環(huán)境條件的自主探究學習，確定有利于颮線形成和發(fā)生發(fā)展的潛勢條件，提升了學生的體驗獲得感，激發(fā)了學生的濃厚學習興趣。

采用問題啟發(fā)式教學拓展學生科學思維。在完成虛擬仿真實驗認知過程中，設計一些啟發(fā)性問題，以拓展學生的科學思維能力，訓練學生的科研能力。

采用自主探究式教學提升學生自主創(chuàng)新能力。在探究實驗模塊，學生通過改變同樣天氣形勢下影響系統(tǒng)的高低空配置，觀察所引起各物理量要素配置的差異變化，體驗引發(fā)的不同天氣現(xiàn)象。

采用互動研討式教學鞏固理論知識和實驗技能。在線交流環(huán)節(jié)，學生可在線提出虛擬仿真實驗操作和課后作業(yè)中的問題，師生通過在線互動研討完成答疑解惑，加深學生對理論知識和實驗技能的理解和應用。

3.3 實驗方法

主要采用繪圖法、觀察法、模型構建法、參數(shù)控制法、自主設計法、對比法、歸納分析法等實驗方法，幫助學生科學有效地完成實驗。

3.3.1 繪圖法

繪圖法旨在鞏固天氣圖分析基本技能。隨著現(xiàn)代信息技術的發(fā)展，氣象學進入新的發(fā)展階段，但已有近200年歷史的天氣圖仍然是國內外大多數(shù)氣象臺業(yè)務預報的主要工具之一。分析天氣圖是預報員的一項基礎性工作，是預報員必須掌握的基本技能。

3.3.2 觀察法

觀察法貫穿虛擬仿真實驗的交互操作全過程，讓學生具備足夠的知識儲備，擴展學生的視野，向學生傳遞做好氣象服務的意識，培養(yǎng)學生防災減災的意識。

3.3.3 模型構建法

本系統(tǒng)為仿真探究模塊的結果建立了天氣模型。通過自主設計操作，呈現(xiàn)歸納分類后的三維天氣模型，將天氣可視化，利于學生理解。具有聲光電特效的部分模型如圖2所示。

圖2 建立的部分模型

3.3.4 參數(shù)控制法

參數(shù)控制法主要應用于探究模塊的多因子綜合仿真實驗中，可以讓學生詳細了解某個參數(shù)對天氣的影響，培養(yǎng)學生的科研素質。學生在進行綜合探究實驗時，先固定全部參數(shù)，然后在保持其他參數(shù)不變的情況下改變某個參數(shù)，研究完該參數(shù)的影響后保持該參數(shù)不變，改變其他參數(shù)，直至實驗結束。

3.3.5 自主設計法

自主設計法主要應用于探究模塊的規(guī)律研究環(huán)節(jié)，提高學生學習的主動性和積極性，有助于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識。學生根據(jù)颮線形成的水汽、穩(wěn)定度和垂直風切變等基本條件，進行重復自主設計，最終得到滿足設計目標的最優(yōu)方案。

3.4 實施效果

突破時空限制，豐富教學資源手段。颮線天氣過程往往是突發(fā)的強對流天氣過程，歷時短，常造成巨大的生命財產損失，不便于學生開展野外實驗研究。通過虛擬仿真實驗，學生可以不受時間和空間的限制，通過網絡智能化地進行學習。

虛擬實驗訓練，規(guī)范實習操作。虛擬仿真實驗訓練可以讓學生盡快熟悉預報預警制作流程，有助于學生加深理解和掌握短臨預報思路，熟練制作和發(fā)布預報預警，提高預報準確率。

多場景方案設計，提升學生實踐創(chuàng)新能力。在虛擬仿真實驗的教學過程中，強調關鍵步驟中的核心知識和技能，理論與能力培養(yǎng)并重，有利于學生在掌握知識的同時將所學的知識運用到真實的實驗中，知行合一。

融入思政元素，增強職業(yè)自豪感。通過災害天氣警示、颮線天氣體驗，因預報失誤造成災情及人員財產損失等警示，將思政元素融入實驗教學，將氣象人的社會責任、職業(yè)歸屬感和自豪感等德育要素植入實驗教學項目中。

4 實驗項目特色和創(chuàng)新

虛擬仿真實驗系統(tǒng)堅持“高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度”標準建設，解決因環(huán)境高危無法進入現(xiàn)場、實際大氣過程在實驗室里無法重復、理解難、仿真度差等問題，實現(xiàn)傳統(tǒng)實驗教學的升級重構，開拓了大氣科學實驗教學新領地，具有以下特色。

4.1 實驗設計創(chuàng)新

堅持問題導向和需求導向。由于颮線天氣的極端性及危害性，很難在實驗室再現(xiàn)其全部過程。圍繞颮線天氣形成預警過程，設計了2個學時、3個階段、12個核心交互步驟、47個可設計操作實驗，由易到難，層層遞進，解決了颮線綜合訓練中涉及高危極端環(huán)境、人員傷亡風險大、天氣不可逆等問題。為滿足中國社會和經濟發(fā)展對精準預報高級人才需求以及以學生為中心的教學需求，實現(xiàn)產學研融合，系統(tǒng)中引入了氣象業(yè)務和科研成果，融合數(shù)值預報、雷達氣象、衛(wèi)星氣象等多個專業(yè)課程的核心知識點，增加實驗內容的引領性和挑戰(zhàn)度。

4.2 教學方法創(chuàng)新

以學生能力培養(yǎng)為核心，注重“知識—能力—素質”與“基礎—實踐—創(chuàng)新”的全面協(xié)調發(fā)展以及創(chuàng)新精神。充分發(fā)揮虛擬仿真實驗教學資源的優(yōu)勢，突破傳統(tǒng)教學時空限制、搭建了一套完整的“學習、探究、實施、考核”虛擬實驗教學流程。將專業(yè)知識與思政元素相結合，在提升颮線預報預警能力的同時，加強防災減災和生態(tài)文明意識，提高防范災害風險的能力，達到立德樹人的目的。

4.3 評價體系創(chuàng)新

本虛擬仿真實驗采用多層次考核模式全面評價學生的學習成效及知識掌握水平，主要由預習自測、實驗操作及報告及測試3部分組成，考核形式采用客觀題、過程考核和實驗結果考核等多種方式相結合。實驗報告檢查學生對實驗方案設計及參數(shù)選擇是否合理，理論測試采用客觀題與問答題相結合的方式。

4.4 拓展傳統(tǒng)教學

采用虛擬仿真的方式進行實驗教學，實現(xiàn)了大氣學科“具象展現(xiàn)抽象”“虛擬反映現(xiàn)實”等課堂實驗教學的突破。通過虛擬仿真交互練習及操作，使學生充分理解與掌握實驗各環(huán)節(jié)相關的理論知識，掌握颮線預報預警的基本技能。

5 結語

將虛擬仿真實驗技術引入高校實驗教學，豐富了教學方法和實驗內容，解決了線下教學難題，將知識傳授、創(chuàng)新能力培養(yǎng)及職業(yè)修養(yǎng)提升融為一體，有利于激發(fā)學生的學習興趣，推進 “以學生為中心”的研究性和創(chuàng)新性實踐教學活動的開展，提升學習積極性和實踐能力，培養(yǎng)學生具備強天氣預報預警的業(yè)務能力以及在專業(yè)領域的創(chuàng)新精神，培養(yǎng)具有家國情懷和使命擔當?shù)木C合素養(yǎng)高、實踐能力強的人才。