“氣象信息可視化”課程教學設(shè)計與實踐

［摘 要］ “氣象信息可視化”課程是為氣象學專業(yè)高年級本科學員開設(shè)的專業(yè)課程，具有計算機技術(shù)與氣象學應用緊密結(jié)合、應用性和實踐性非常強的特點。為提高“氣象信息可視化”課程的教學效果，在分析課程和學員特點基礎(chǔ)上，分析了課程開設(shè)過程中面臨的主要困難和問題，對課程內(nèi)容進行優(yōu)化設(shè)計，提出了“四結(jié)合”的課程教學方法，并應用于教學實踐，取得了較好的教學效果。

［關(guān)鍵字］ 氣象信息可視化；教學設(shè)計；“四結(jié)合”教學法

［基金項目］ 2020年度國防科技大學跨學科綜合性課程建設(shè)研究與實踐“氣象信息類課程建設(shè)研究與實踐”（U2020109）

［作者簡介］ 周愛霞（1978—），女，山東青州人，工學博士，國防科技大學氣象海洋學院副教授，主要從事氣象信息處理研究；郭酉函（1981—），女，河北邢臺人，教育學碩士，國防科技大學氣象海洋學院副教授講師，主要從事信息技術(shù)方向的研究；李 騫（1980—），男，湖南湘潭人，工學博士，國防科技大學氣象海洋學院副教授，碩士生導師，主要從事氣象信息智能處理研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）46-0053-04 ［收稿日期］ 2023-09-11

引言

“氣象信息可視化”課程是為氣象學專業(yè)高年級本科學員開設(shè)的專業(yè)課程，是一門將計算機可視化技術(shù)應用于氣象領(lǐng)域，解決氣象數(shù)據(jù)可視化問題的課程，是一門計算機技術(shù)與氣象學應用緊密結(jié)合、應用性和實踐性非常強的課程。課程目標是使學員掌握主要的標量型和矢量型氣象數(shù)據(jù)的二維、三維可視化表達方法，重點掌握各類可視化表達方法對應的基本概念、基本理論、典型算法及其工程應用，培養(yǎng)學員分析和解決氣象信息可視化問題的能力，即遇到氣象數(shù)據(jù)可視化問題時能夠進行分析判斷，確定數(shù)據(jù)可視化方案，并通過相應的軟件或語言實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化［1-3］。

一、“氣象信息可視化”課程情況分析

（一）課程特點分析

1.直接對接氣象行業(yè)應用需求，崗位針對性強。與通識類信息課程及計算機專業(yè)開設(shè)的信息類課程不同，“氣象信息可視化”課程針對氣象領(lǐng)域氣象數(shù)據(jù)可視化問題而開設(shè)，內(nèi)容聚焦于氣象行業(yè)數(shù)據(jù)可視化主題應用，學習內(nèi)容貼近實際應用場景，崗位針對性強，能夠很好地對接學員未來的崗位工作或科研工作。學員進入工作崗位后，可直接進行相應的應用或工作，縮短了將所學知識應用于崗位任職的適應時間。

2.課程具有跨學科、綜合性強等特點。課程針對氣象數(shù)據(jù)可視化主題應用開設(shè)，涉及計算機、氣象等多個領(lǐng)域，涉及程序設(shè)計、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、算法分析、計算機圖形學、數(shù)字圖像處理等多方面的計算機知識和氣象學領(lǐng)域知識，課程綜合性強。需要教員打破現(xiàn)有的課程教學學科界限和壁壘，通過跨學科融合，將不同領(lǐng)域的學科知識、技能及思維方法整合到教學的實施過程，從而打破知識教學碎片化、學科課程孤立化的局面［4-5］。

3.課程應用性強，對學員實際操作能力要求較高。由于課程面向崗位應用，要求學員通過課程學習能夠解決崗位中面臨的實際問題，因此，課程對學員工程實踐能力、實際操作能力要求較高，將理論知識轉(zhuǎn)化為實際解決問題的能力的要求較高，需要課程通過一定比例的、針對性強的實踐課，幫助學員搭建理論與能力轉(zhuǎn)換的橋梁［6］。

（二）學員情況分析

為了有針對性地進行教學內(nèi)容和教學方法設(shè)計，筆者及所在課程教學團隊在多年的教學實踐中通過問卷調(diào)查、與學員直接交流等方式，了解學員的知識結(jié)構(gòu)、學習特點、學習盲點等，并對學員特點進行分析，逐步完善教學內(nèi)容體系和教學方法。氣象類專業(yè)學員在學習“氣象信息可視化”課程中具有以下特點。

1.具有較好編程基礎(chǔ)和較全面的領(lǐng)域知識。學員在大學一年級、二年級的前期學習中，已經(jīng)學習了“大學計算機基礎(chǔ)”“程序設(shè)計基礎(chǔ)”等課程，學習和使用過C語言、Python、Matlab等編程工具，具有較好的編程基礎(chǔ)，這為課程的順利開展提供了重要基礎(chǔ)。氣象學領(lǐng)域知識方面，學員已經(jīng)學習了“天氣學原理”“大氣探測學”“氣象雷達資料應用”“氣象水文綜合觀測系統(tǒng)”等氣象類課程，已具備了較全面的氣象類專業(yè)知識，對于氣象信息可視化的應用場景具有較好的基礎(chǔ)和認識。表1為“氣象信息可視化”課程對應的先修課程。

2.圖形圖像學基礎(chǔ)較弱。氣象信息的可視化主要借助計算機圖形、圖像技術(shù)實現(xiàn)，必要的圖形、圖像知識是進行氣象信息可視化學習的前提。但受學時及專業(yè)的限制，針對氣象類專業(yè)學員不專門開設(shè)“計算機圖形學”“數(shù)字圖像處理”等課程，學員未系統(tǒng)學習圖形、圖像方面的知識，導致學員的計算機圖形、圖像相關(guān)知識相對匱乏，因此在課程內(nèi)容設(shè)計中需要有針對性地補充圖形、圖像相關(guān)知識，才能順利進行后續(xù)內(nèi)容的開展。

3.思維敏捷，學習積極性高?！皻庀笮畔⒖梢暬闭n程面向的學員是氣象專業(yè)高年級學員，對于“氣象信息可視化”課程的學習來說，學員雖然計算機領(lǐng)域的知識稍顯不夠，但學員本身素質(zhì)較高，思維敏捷，領(lǐng)悟能力強，對于課程中需要進行代碼實現(xiàn)的工程實現(xiàn)類的作業(yè)顯示出了較高的熱情。

（三）課程開設(shè)過程中面臨的主要問題

1.教學資源相對匱乏，課程建設(shè)難度大。目前，單純的單學科課程資源非常豐富，如“計算機網(wǎng)絡”“數(shù)據(jù)庫技術(shù)”等課程，在MOOC平臺及各大網(wǎng)站都很多。但跨學科的、面向應用、面向崗位的氣象信息類課程則資源較少，筆者在中國大學MOOC平臺檢索發(fā)現(xiàn)目前還沒有此類課程開設(shè)。通過多種渠道對此類課程教材進行檢索發(fā)現(xiàn)，市面上也幾乎沒有可用的此類教材。因此，對于此類課程，從課程內(nèi)容體系到教材及教學資源等方面均需從零開始，課程建設(shè)難度非常大。

2.教員素質(zhì)要求高，教員培養(yǎng)難度大。“氣象信息可視化”課程是跨學科綜合性很強的課程，需要教員具備氣象學、計算機科學等多學科專業(yè)知識。但多數(shù)教員只具備相對單一的學科專業(yè)背景，如計算機相關(guān)專業(yè)畢業(yè)的教員通常在計算機領(lǐng)域有很高的造詣，但需要補充大量氣象領(lǐng)域知識或經(jīng)過多年的氣象信息領(lǐng)域研發(fā)工作才能對氣象行業(yè)信息需求、信息技術(shù)在氣象應用場景有較深的理解。因此，承擔此類課程需要多年的積累，教員成長周期長，素質(zhì)要求高，培養(yǎng)難度大。

3.課程知識跨度大，既要補充部分學員學科基礎(chǔ)短板，又要實現(xiàn)行業(yè)應用，給課程內(nèi)容組織、教學方法和教學模式帶來了較大挑戰(zhàn)。氣象專業(yè)學員無法像計算機專業(yè)學員一樣系統(tǒng)學習各類計算機課程，需要在課程中有針對性地補充相關(guān)基礎(chǔ)知識。如何整合課程內(nèi)容將其有機地結(jié)合在一起，既能夯實學科基礎(chǔ)知識，又能實現(xiàn)技術(shù)應用，對于學員和教員來說都是較大的挑戰(zhàn)。

二、課程教學設(shè)計

（一）課程內(nèi)容設(shè)計及優(yōu)化

根據(jù)課程目標與學員知識結(jié)構(gòu)，對課程教學內(nèi)容進行梳理和組織。根據(jù)知識間邏輯聯(lián)系與可視化體系，按照先總后分、先基礎(chǔ)后專業(yè)的順序組織教學內(nèi)容。課程內(nèi)容分為氣象信息可視化基礎(chǔ)、氣象標量場可視化、氣象矢量場可視化三個模塊。

氣象信息可視化基礎(chǔ)模塊，主要包括可視化概述、計算機圖形學基礎(chǔ)、數(shù)字圖像學基礎(chǔ)等部分。氣象信息可視化概述部分總體介紹可視化的概念與作用、可視化的分類與流程、可視化工具、可視化關(guān)鍵技術(shù)、可視化相關(guān)學科等，使學員對可視化的概念和方法有總體的認識；計算機圖形學基礎(chǔ)部分主要介紹與本課程密切相關(guān)的圖形學知識，包括物體的幾何表示方法、變換與裁剪、真實感圖形等部分，使學員了解點、線、面及三維實體在計算機中的表示和生成方法；圖像學基礎(chǔ)部分補充圖像的數(shù)字化方法、圖像增強處理方法及圖像濾波等相關(guān)內(nèi)容，圖形圖像基礎(chǔ)部分重點在于概念和基本原理的講解，而不囿于煩瑣的算法。氣象標量場可視化主要包括等值線生成、色斑填充圖生成、等值面生成、體繪制技術(shù)等主要內(nèi)容，其中等值線、色斑圖為二維可視化方法，等值面、體繪制為三維可視化方法。氣象矢量場可視化部分介紹氣象領(lǐng)域各類流場可視化的方法，主要介紹基于點圖標的流場可視化、基于流線的流場可視化與基于紋理的流場可視化方法。每種可視化方法均按照概念與應用場景、數(shù)據(jù)及預處理、生成算法、工程實現(xiàn)思路的步驟進行講解。

“氣象信息可視化”是一門理論與實踐密切結(jié)合的課程，教學中有大量的實踐內(nèi)容。在實踐內(nèi)容的設(shè)計過程中要充分考慮練習與已學內(nèi)容的關(guān)聯(lián)性、難易程度，此外，精心的實踐設(shè)計能夠提高學員的學習興趣。本課程的實踐教學內(nèi)容主要包括可視化環(huán)境構(gòu)建及等值線、等值面、體繪制和流線等幾個典型算法的實現(xiàn)。

（二）教學方法設(shè)計

根據(jù)課程算法多、編程多、理論性強、實踐性強的特點，教學團隊結(jié)合“氣象信息可視化”課程的特點，對課程的教學方法進行了改革和建設(shè)，總結(jié)并提出“氣象信息可視化”“四結(jié)合”的教學思路。

1.理論學習與編程實踐相結(jié)合。根據(jù)算法多、編程多的特點，在課程網(wǎng)站、教員提供的模擬軟件中的編程框架基礎(chǔ)上，要求學員對所學的可視化算法編程實現(xiàn)，一方面可使學員加深對算法的理解，另一方面能夠提高學員工程實踐能力。圖1、圖2分別為團隊針對等值線生成、等值面生成兩個算法開發(fā)的模擬軟件，既可以演示算法實現(xiàn)步驟，也可以作為編程框架提供給學員，便于學員進行算法實現(xiàn)時學習和參考。

2.算法講解與程序演示相結(jié)合。課程算法多、實踐性強，而理解各類算法的思路是課程學習的重點，也是學員進行工程實現(xiàn)的基礎(chǔ)。算法往往具有抽象、邏輯性強等特點，如何讓學員更好地理解算法是課程需要重點解決的問題。為解決此問題，在授課中制作了大量生動形象、圖文并茂、兼具算法動態(tài)演示功能的多媒體教學PPT及演示程序，以直觀形象的動畫方式，演示算法的原理、流程，加強學員對抽象算法的理解。

3.教學內(nèi)容與科研實際相結(jié)合。針對課程應用性比較強的特點，改變傳統(tǒng)授課重理論輕實踐、重知識輕體驗的教學模式，將教師在氣象水文信息智能分析、戰(zhàn)場環(huán)境模擬仿真及氣象水文要素可視化等領(lǐng)域取得的科研成果及時引入教學，為教學提供真實案例，為學員提供真實的學習情景，既豐富了教學內(nèi)容，使教學內(nèi)容保持前沿性，也能夠提高學員的學習興趣和科研素質(zhì)。

4.課堂學習與課外拓展相結(jié)合。由于課程具有跨學科的特點，所以課程內(nèi)容涉及多領(lǐng)域、多學科內(nèi)容，只通過有限的課堂學習時間很難完全達到學習目標，必須將課堂拓展到課外。一方面，團隊制作了“氣象信息可視化”網(wǎng)站，提供課程教學資源，供學員進行預習、課后學習及問題探討，跟蹤學員實踐進度，做到課上與課后銜接，線上與線下融合。另一方面，為拓寬學員視野，在經(jīng)典教材的教學內(nèi)容基礎(chǔ)上，根據(jù)業(yè)務領(lǐng)域需求，選取一些名師大家或頂級學術(shù)會議期刊的文章作為學員選學內(nèi)容，此外，每年邀請地方知名大學的專家學者作學術(shù)報告，使學員對“氣象信息可視化”的最新研究進展有所了解。

（三）課程考核方式設(shè)計

在課程考核方式上，改變傳統(tǒng)教學多以終結(jié)性理論考試為主的考核模式，建立與跨學科課程相適應的多元、多維的學習考核評價模式，除以終結(jié)性理論考試考核學員理論知識的掌握情況外，增加過程考核成績，對學員運用多領(lǐng)域知識綜合解決問題的創(chuàng)造力、溝通交流能力、批判性思維及其精神品質(zhì)、價值觀念進行評價。具體做法是，教員根據(jù)每個專題實驗完成和匯報情況為“項目組”打分，項目組的得分決定了對應組成員平均分的區(qū)間，項目組成員得分由組長打分和組員互評打分兩項加權(quán)得到。通過這樣的方式，模擬實際工作場景中團隊的溝通與合作，培養(yǎng)學員的團隊精神。

結(jié)語

在新工科背景下，積極進行跨學科教育，發(fā)展和建設(shè)跨學科課程，培養(yǎng)高素質(zhì)綜合型人才是服務國家人才戰(zhàn)略和發(fā)展戰(zhàn)略的必然要求。氣象信息類課程具有明顯的跨學科課程特征，對于提高國防科技大學氣象海洋學院氣象類專業(yè)學員的行業(yè)信息素養(yǎng)、更好地適應崗位需求，具有非常重要的意義。但跨學科課程是新事物，可借鑒的經(jīng)驗較少，建設(shè)難度大，需在實際的教學實踐中不斷總結(jié)完善。本文以“氣象信息可視化”課程為例，對課程的教學內(nèi)容、教學方法進行了探討，在分析課程建設(shè)中主要困難的基礎(chǔ)上，提出了課程教學內(nèi)容整合思路和教學方法改革思路，并取得了較好的效果。通過團隊多年的課程建設(shè)，“氣象信息可視化”課程教學內(nèi)容、教學方法日趨成熟，教學效果也日趨凸顯。近年來，多名學員通過本課程的學習，進入氣象信息可視化的領(lǐng)域的大門，多人獲得大學“三小”設(shè)計大賽一等獎、優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計，還有多名學員考取該方向研究生。課程教學團隊多名教師也獲得大學教學能手比賽一等獎、二等獎，教學效果顯著。該課程的做法可為此類跨學科課程的建設(shè)提供借鑒，也可為其他領(lǐng)域跨學科課程建設(shè)提供參考。

參考文獻

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Teaching Design and Practice of Meteorological Information Visualization Course

ZHOU Ai-xia， GUO You-han， LI Qian， HU You-bin

（College of Meteorology and Oceanography， National University of Defense Technology， Changsha， Hunan 410073， China）

Abstract： Meteorological information visualization course is a professional course for senior undergraduate students majoring in meteorology. The course has the characteristics of close combination of computer technology and meteorological application， strong applicability and practicality. In order to improve the teaching effect of it， this paper introduces the characteristics of the course and the students， analyzes the main difficulties and problems faced in the course and optimizes the course content. It also puts forward “four combinations” teaching method for the course， which has been applied to teaching practice and achieved good teaching results.

Key words： Meteorological Information Visualization; teaching design; “four combinations” teaching method