先进气象雷达网的《雷达气象学》网络课程建设

             --以粤港澳大湾区为例

祝 薇、黎伟标、杭 建、韩 永、颜 炎

中山大学大气科学学院珠海校区 广东 珠海，519082

[摘  要]网络课程是信息时代条件下课程新的表现形式，网络课程在当今的高等教育人才培养中越来越普遍，如何把网络课程做出特色和新意就显得尤为重要。粤港澳大湾区是我国现代化气象业务最为发达的区域之一，该区域拥有世界上最为密集的最新一代多普勒天气雷达探测网。本文充分利用粤港澳大湾区教学资源上的特色和优势，构建基于粤港澳大湾区先进气象雷达探测网、以学生的创新能力培养为引领、实现“第一课堂”和“第二课堂”无缝衔接并着眼于科教融合等新特点的《雷达气象学》网络课程，该网络课程具有鲜明的区域特色和先进性，可以为新时期大气科学类拔尖人才的培养提供有力的支撑。

[关键字]雷达气象学；网络课程；粤港澳大湾区；多普勒气象雷达网

[基金项目]广东省本科教学改革项目“新一代天气雷达资料分析创新实践课程体系建设”（2016）、“中山大学-珠海市气象局协同育人创新机制及平台建设探索”（2016）、“关于大气科学实践教学新模式的探索”（2013）共同资助。

 [作者简介]祝薇，(1963-)，女，籍贯广东，出生地湖北，硕士学位，中山大学大气科学学院讲师，主要研究方向是雷达气象学：   黎伟标，（1965-），男，籍贯广东，出生地湖北，博士学位，中山大学大气科学学院教授，主要研究方向是台风（ 通讯作者）。

由中共中央、国务院于2019年2月印发实施的《粤港澳大湾区发展规划纲要》指出^[1]，粵港澳大湾区要建设成为富有活力和国际竞争力的一流湾区和世界级城市群、高质量发展的典范，其中的重要内容之一是“推进世界一流大学和一流学科建设”、“打造教育和人才高地”。由此可见，利用大湾区教学资源的优势，建设具有湾区特色和世界先进性的课程，具有十分重要的现实意义。

就大气科学学科而言，粤港澳大湾区是我国现代化气象业务最为发达的区域之一，如何把这些气象业务现代化的优势转化为大气科学人才培养的优势，是地处大湾区的高校教育人才培养应该思索的重要问题。《雷达气象学》作为大气科学人才培养的重要核心课程，在大湾区拥有得天独厚的教学资源优势。到目前为止，粤港澳大湾区拥有由14部最新一代多普勒气象雷达构成的探测网，其密集程度为世界之最。珠三角地区目前正在构建由32部X波段相控阵双线偏振的气象雷达构成的现代化雷达探测网，这是放眼世界也前所未有、梦幻般的气象雷达探测网。互联网信息时代兴起和发展，网络课程在当今的高等教育人才培养中越来越普遍^[2]，从而通过网络课程的建设可以让现代化的气象雷达探测网的数据库融入到课堂教学之中。本文充分利用粤港澳大湾区教学资源上的特色和优势，构建基于粤港澳大湾区先进气象雷达探测网、以学生的创新能力培养为引领、实现“第一课堂”和“第二课堂”无缝衔接并着眼于科教融合等新特点的《雷达气象学》网络课程，旨在为粤港澳大湾区发展战略“打造教育和人才高地”添砖加瓦。

一、《雷达气象学》课程教学目前存在问题及网络课程建设意义

《雷达气象学》课程是大气科学类人才培养的核心课程之一，因为随着气象雷达日新月异的发展，天气预报和气象灾害的临近预警越来越依赖于气象雷达的探测。可以毫不夸张地说，如果没有经过《雷达气象学》的学习，学生毕业后就不能适应现代化的气象业务工作。由于近20多年来，气象雷达技术发展十分迅速，我国各相关高校中的《雷达气象学》教学中普遍存在跟不上雷达气象业务现代化的发展步伐。如何使得《雷达气象学》课程所讲授的内容，不与现代化的气象业务脱节，与时俱进地跟上日新月异的雷达气象发展步伐，是《雷达气象学》教学改革中亟待解决的重要问题。此外，如何在《雷达气象学》教学的教学中实现科教融合、培养学生的创新能力，也至关重要。随着我国气象事业的迅猛发展，特别是新一代多普勒天气雷达网的建立，目前仅课堂的教学方式，显然已无法满足学生不受时空限制对各种大量的雷达回波进行分析研究的迫切需求。针对此种情形，新一代多普勒天气雷达资料分析的网络教学部分的建设显得非常迫切和必要。因此，我们从雷达气象学课程出发，积极推进大气科学类专业课程改革，打造以学生的创新能力培养为引领、实现“第一课堂”和“第二课堂”无缝衔接并着眼于科教融合《雷达气象学》课程新教学体系，对新时代大气科学拔尖学生培养具有重要的意义。

新一代天气雷达资料分析网络课程建设是《雷达气象学》教学改革着力点。根据中山大学《雷达气象学》教学大纲，要求学生牢固地掌握雷达工作机理、气象目标的散射、雷达气象方程的理论之外，必需熟练掌握对新一代天气雷达的各种天气现象回波资料的分析研究方法，特别是灾害性天气（冰雹、台风、龙卷、下击暴流等）雷达强度及速度回波的判断、分析、解释，从而达到对灾害性天气进行准确预报的目的^[3]。显然，传统的纯课堂教学方法已不能满足气象业务发展的需求，也不能满足学生随时随地进行自主学习的迫切需要。我们发现，采用减少课堂理论教学学时，增加课堂资料分析实践学时的教学方法，学生虽然在回波分析实践上掌握得比较透彻，但无法深入运用理论原理解释雷达回波资料所呈现的现象，知其然而不知所以其然的现象亦比较普遍，这显然不符合我国对创新人才培养的理念，也不符合广东省高等教育“创新强校工程”的工作思路与要求，因此，理论学时不能减少。由于本科教学总学时数的限制，不可能无限增加课程的课堂教学学时，要解决如此的矛盾和困境，网络课程建设迫在眉睫。网络课程既是课程的补充，又是扩展知识的平台，学生通过网络教学平台，可随时随地对各类新一代多普勒天气雷达回波资料进行分析、学习、交流，从而加强学生对灾害性天气分析预报的能力培养。通过网络课程的建立，从教师层面来看，可从单纯的课堂教学延伸到课堂外，不受时空限制，教师与学生互动交流增加；从学生层面而言，学习知识的摄取时域从局限的课堂扩展到无限时空，充分发挥自主学习的优势，学生对感兴趣的主题有充实的时间进行深入的研究，并随时可与同学之间师生之间进行探讨，互相助进，深化理解，形成良性学习环境。通过网络课程的构建，可以设置课堂外的教学环节，实现“第一课堂”和“第二课堂”无缝衔接。

新一代天气雷达资料分析网络课程的建设，还可以实现人才培养过程中的“科教融合”和创新能力的培养。网络课程的学习可以培养学生自主学习能力，使得学生养成根据自己的需要主动决定学习内容和研究主题的习惯。学生对某个感兴趣的问题，必会对这个问题查阅大量的知识，而这些知识课堂教学是远远不够的，必须依靠学生自决自主学习获得。通过雷达探测网，学生可以了解最新发生的灾害性天气事件的情况，并且在老师指导下，对这些灾害性天气事件的特征和机理进行研究性学习，实现科教融合，有效地培养了学生的创新思维以及独立分析和解决问题能力，尤其有利于拔尖学生的培养。由于大气科学专业的特殊性，新一代天气雷达网络课程具有展示性、启发性强的特点，从而使其在培养学生自决自主学习精神和探究能力方面更显突出。

二、《雷达气象学》网络课程的构成

《雷达气象学》网络课程的设计所考量的着眼点有以下几个方面：1、基于大湾区雷达探测网的现代化的雷达探测数据和雷达气象学的知识点进行有机结合；2、充分利用雷达网探测数据库进行创新性的实践教学；3、充分利用雷达网探测数据库设计课外教学环节，实现“第一课堂”和“第二课堂”无缝衔接；4、充分利用雷达网探测数据库，在雷达气象的教学中，实施科研和教学融合，培养学生创新能力。

鉴于上述的考量，本网络课程由第一课堂教学模块、第二课堂教学模块以及学生成果展示和资源共享模块构成（图1）。第一课堂教学模块中充分体现雷达气象理论知识和实际天气个例的融合，所设计的实验教学部分基于粤港澳大湾区雷达探测网的现代化的雷达探测数据展示雷达气象学的理论在实际天气个例中的具体表现，更加生动和具有现实感，有些个例为学生亲历，使得教学效果大大提高。第二课堂教学模块基于粤港澳大湾区雷达探测网的观测数据库，精选出一些典型的灾害天气个例，这些个例涵盖了大湾区频发的台风、暴雨和强对流天气个例，如果授课期间有正在发生的灾害性天气个例就更好。针对这些个例，学生们成立不同的研习小组，利用雷达气象学的知识对这些灾害性天气的特征和机理展开分析，进行课外的研究性学习，实现“第一课堂”和“第二课堂”无缝衔接，充分体现了“科教融合”的现代教学理念。为了便于学生们的课外互动和交流，本网络课程还设置了学生成果展示和资源共享模块，这个模块的设立，大大提高了学生们自主学习的积极性，活跃了《雷达气象学》课程的教学气氛，从时间、空间和多维度上延伸了《雷达气象学》的教学。可以说，上述模块化网络课程的设计，符合当前网络课程发展的理念和潮流^[4-5]。

图1 基于粤港澳大湾区雷达探测网的《雷达气象学》网络课程平台示意图

三、基于粤港澳大湾区雷达网的网络教学平台建设

为了实现上述三个模块的《雷达气象学》网络课程的设计目标，我们基于粤港澳大湾区雷达网对《雷达气象学》的网络教学平台进行了建设。

至关重要的是《雷达气象学》课程教学体系的革新，主要是要实现理论教学、实验教学和现代化雷达探测体系的有机融合。我们在多年专业教学经验的基础上，结合当前我国气象事业发展形式的要求，在2013年对《雷达气象学》教学大纲进行了较大的全面调整，将课程大纲由原来单纯54学分的纯属理论教学体系改革为18学时理论+36学时实验的课程体系，加大了实验环节。我们设计实验及研究性项目十余项，包括：新一代多普勒雷达基数据读取、雷达产品生成系统、雷达工作站终端的设置及相关操作、新一代雷达暴雨回波资料分析、新一代天气雷达冰雹回波资料分析、新一代天气雷达台风回波资料分析、雷达灾害性天气综合分析及预警预报、雷达资料质量控制、雷达资料的同化、风场反演等。实验及开放性研究的要求有必做项目也有自选项目，以达到优秀学生有自主创新的空间。学生通过这一系列的实验，能够培养独立思考和发现问题解决问题的能力，激发研究学习热情，更加熟练掌握新一代天气雷达回波资料在天气预报特别是灾害性天气预警预报中的作用及应用方法。此外，对实验报告严格把关，并要求以正式论文的形式完成实验报告。网上实验教学目前主要是介绍实验方法、实验报告等。此外，利用天气雷达仿真系统使学生从雷达原理到基数据的接收、处理、生成回波进而天气分析预报全过程，为进一步课程建设研究的目标。

《雷达气象学》网络课程硬件和软件的支撑是网络平台建设。网络平台建设主要包括第一课堂教学模块、第二课堂教学模块以及学生成果展示和资源共享模块（见图1）。建设的目标是充分利用粤港澳大湾区教学资源上的特色和优势，构建基于粤港澳大湾区先进气象雷达探测网、以学生的创新能力培养为引领、实现“第一课堂”和“第二课堂”无缝衔接并着眼于科教融合等新特点的《雷达气象学》网络课程。以现代网络技术和大量新一代多普勒天气雷达回波资料为支撑的多媒体教学与网络自主学习相结合的学习环境和体系、开发网络学习课件、建设网络辅导和作业系统、实现教学资源的整合，创建学生互教互学机制，建立科学的网络教学管理系统。学习内容主要着重于灾害性天气回波资料分析，如：台风、暴雨、冰雹、龙卷、下击暴流、雷暴等。本平台对加强学生对灾害性天气分析预报的能力培养，加强学生与现代化的气象业务的融合。

第一课堂教学模块由理论教学、实验教学二个分支组成。在此模块主要内容有教学和要求、参考书目、现代化雷达探测网数据库、习题、实验项目等。此部分关键点在于网上教学内容的设立，并方便教学内容的更新。它既有别于课堂教学，又要与教学大纲相联系且要符合网上教学特点。为此，我们舍去了课堂上能够讲透的理论部分，如雷达的工作机理、气象目标对雷达电磁波的散射、大气、云、降水粒子对雷达波的衰减、雷达气象方程、超短波在大气中的折射、雷达探测能力和准确度、脉冲多普勒天气雷达探测原理等部分的教学，而重点教学新一代天气雷达回波的识别和分析方法、新一代天气雷达探测对流云、新一代天气雷达探测强风暴、新一代天气雷达探测暴雨、新一代天气雷达探测台风、新一代天气雷达探测锋面系统等等应用性方面的知识。在此模块，主要是通过简洁的界面配备大量的新一代天气雷达回波资料的讲解、习题练习，使学生能够根据兴趣和需要随时随地通过网络学习相关知识。

第二课堂教学模块则涵盖了基于粤港澳大湾区雷达网探测精心挑选出来的典型的灾害天气个例数据库，这些个例数据库涵盖了大湾区频发的台风、暴雨和强对流天气个例。随着探测数据逐年增加，这些个例会不断更新，甚至可以包括授课时段正在实时发生的气象灾害个例。有了这些气象灾害的网络数据库之后，学生们根据个人兴趣针对这些个例分成若干课外研究小组，由相关教授、副教授们组成的课外指导师资团队进行课外指导，运用雷达气象学以及天气学相关知识展开课外研究性学习，并组织课外的科研竞赛活动，实现“第一课堂”和“第二课堂”的无缝对接。

本网络课程还设置了学生成果展示和资源共享模块。该网络共享模块也非常重要。学生们可以在该模块分享和交流研究论文、相关的软件以及数据等。通过师生之间、学生之间不断的交流互动，能够助进学生自主学习的热情和积极性。这块的设计应包括习题解答、小组讨论、心得交流三部分。习题解答可分为自动学习解答系统、教师答疑专区、自由讨论专区等。交流部分设计可操作性很重要，需要有快捷的更新、删除清除等功能。

四、《雷达气象学》网络课程教学平台的质量控制

我国高校网络教育目前处在一个十分重要的发展时期，面临的压力与挑战会越来越多^[6]。如何对网络教学平台进行质量控制也是众多学者研究讨论的课题之一^[7]。

我们对新一代天气雷达网络教学平台的网络教学质量控制，主要集中在以下三个过程，它们是课程网络教学平台的整体设计使用过程、以任课教师为主导的教学活动过程、以学生层面为主导的学习探讨活动过程。三者既独立又有不可分割的联系和制约，同时，由于网络的特点，上述三者不仅贯穿于课程在正常教学学期的开始、进行和结束时段，而且还含盖课程教学学期以外的任何时间。在课程网络教学平台的整体设计使用过程中，采用切实可行的措施来提高网络教学质量，这些措施包括遵照学校及学院教学监管制度，保证课程教学内容准确、先进、以及能够及时更新；教学活动设计和开展要切合学生特点，措施可行；授课之外时间的网络教学平台师生交流互动，不仅要求教师具有强大的专业知识，还需具有无私奉献的精神，时刻关注学生的学习研究动态，并给予正面积极的教学指导。只有长期做到以上教学与监管并重的措施，才能有效的提高网络课程的利用率和作用，充分发挥网络课程的优势，培养优秀拔尖人才。

五、结束语

根据教育部的精神，未来几年要推进的三项核心任务是：面向所有高校、所有专业，全面实施一流专业建设“双万计划”、一流课程建设“双万计划”、建设基础学科拔尖学生培养一流基地。地处粤港澳大湾区的高校如何利用该区域社会经济和行业发展的优势，建设一流的课程和人才培养基地是紧扣当前形势的一个重要任务。本工作充分利用粤港澳大湾区教学资源上的特色和优势，构建基于粤港澳大湾区先进气象雷达探测网、以学生的创新能力培养为引领、实现“第一课堂”和“第二课堂”无缝衔接并着眼于科教融合等新特点的《雷达气象学》网络课程，具有鲜明的区域特色和先进性，可以为新时期大气科学类拔尖人才的培养提供有力的支撑，为粤港澳大湾区发展战略“打造教育和人才高地”添砖加瓦。

[参考文献]

[1] 新华社，中共中央、国务院印发《粤港澳大湾区发展规划纲要》[J]，中华人民共和国国务院公报，2019(7)：4-25.

[2] 杨维东、董小玉，高校网络课程建设的困境与优化路径[J]. 中国高等教育，2019(10)：48-50.

[3] 张培昌等，雷达气象学[M] 第二版，北京:气象出版社，2011年：目录1－3.

[4] 蒋平，美国高校网络课程发展的后现代知识型特征分析[J]. 比较教育研究, 2018, V.40；No.343(08):108-114.

[5] 蒋平，中国高校网络课程发展的后现代知识型特征分析——以知识转型内在制度逻辑为指引[J]. 中国职业技术教育，2018，No. 675(23)：48-57.

[6] 祝薇、郭丽青、黎伟标，一流大学背景下大气科学专业课程改革探研 高教探索 2015（1）.

[7] 薛云，高校网络教学过程质量控制与管理研究[J]. 国内高等教育教学研究动态, 2015(1):11-11.

   Construction of "Radar Meteorology" Network Course Based on Guangdong-Hong Kong-Macau Greater Bay Area Advanced Meteorological Radar Network

 Zhu Wei, Li Weibiao*, Hang Jian, Du Yu, Han Yong, Yan Yan, Yang Liang

Zhuhai Campus, School of Atmospheric Sciences, Sun Yat-sen University, Zhuhai, Guangdong 519082

Abstract: the network course is a new manifestation of the curriculum under the condition of the information age, and the network course is becoming more and more common in the cultivation of talents in higher education today. How to make the network course characteristic and new idea is particularly important. Guangdong-Hong Kong-Macau Greater Bay Area is one of the most developed regions in China's modern meteorological operations, and the region has the most dense latest generation Doppler weather radar detection network in the world. This paper makes full use of the characteristics and advantages of Guangdong-Hong Kong-Macau Greater Bay Area teaching resources to construct an seamless "first classroom" and "second classroom" based on Guangdong-Hong Kong-Macau Greater Bay Area advanced meteorological radar detection network and guided by the cultivation of students' innovative ability  The network course of radar meteorology, which is connected connected and focused on the new characteristics such as the integration of science and education, has distinct regional characteristics and advanced nature, which can provide strong support for the cultivation of top talents in atmospheric science in the new period.

 Keywords: Radar Meteorology; Web Course; Guangdong-Hong Kong-Macau Greater Bay Area; Doppler Meteorological Radar Network