氣象類專業(yè)Matlab課程教學探索與思考

1、    氣象類專業(yè)matlab課程教學探索與思考    寇蕾蕾【摘 要】氣象類專業(yè)學生需要處理來自地面站、探空站、氣象雷達、氣象衛(wèi)星等各種觀測手段的不同類型和格式的資料，matlab具有強大的數(shù)值計算和可視化顯示功能，使得處理和分析各種氣象資料變得方便和快捷。本文介紹了氣象類專業(yè)matlab課程教學工作的相關問題，從教學目標的制定、教學內容的設計、教學方法的選擇對氣象類matlab教學進行了探索與思考。使學生在掌握基本編程能力的同時，能深入理解專業(yè)課程內容，培養(yǎng)學生理論結合實踐、綜合分析和應用氣象資料的能力。【關鍵詞】氣象類專業(yè) matlab 氣象資料應

2、用氣象類專業(yè)包含大氣科學、大氣物理、大氣探測、應用氣象等各類與氣象有關的專業(yè)學科。不同專業(yè)的培養(yǎng)要求不盡相同，但氣象類專業(yè)的共通特點即是要處理和應用各類氣象資料。處理和應用各類氣象資料需要專業(yè)的讀取和顯示資料的能力，同時也需要通用的分析數(shù)據(jù)和數(shù)值計算的能力。我校根據(jù)學校的專業(yè)特色及學生技能需求，在縱觀各種編程軟件和繪圖軟件優(yōu)缺點的基礎上，于2011年開設了專門針對氣象類專業(yè)學生的matlab程序設計課程matlab在氣象中的應用。經(jīng)過這幾年的教學實踐，在教學內容和教學方法上做出了一系列的探索和改進，有效提高了課程教學的質量，培養(yǎng)了學生分析和處理專業(yè)資料的能力。一、氣象類專業(yè)matlab教學的意

3、義隨著氣象業(yè)務的不斷發(fā)展，越來越多的觀測手段使得氣象數(shù)據(jù)格式變得更加繁多，如二進制、文本（txt）格式、表格（excel）格式文件，以及hdf、grib、netcdf等通用數(shù)據(jù)格式文件。氣象類專業(yè)學生不僅需要掌握各種專業(yè)理論基礎知識，還需具備處理和應用各種氣象資料的實踐能力。而氣象資料的應用包括將氣象數(shù)據(jù)讀取、分析以及更進一步的綜合處理，這對使用者提出了較高的要求。matlab軟件包含豐富的工具箱與模塊集，不僅有常規(guī)的讀寫文件的能力，還有與專業(yè)數(shù)據(jù)格式相應的數(shù)據(jù)庫，從而使得讀寫和處理各種格式的氣象數(shù)據(jù)變得簡單。因此在氣象類專業(yè)可以考慮使用具備強大數(shù)值計算和可視化能力的matlab軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)提

4、取分析以及可視化輸出。二、氣象類專業(yè)matlab教學探索結合氣象類專業(yè)課程特點和學生實踐技能需求，對氣象類專業(yè)的matlab程序設計課程的教學內容和教學方法進行了探索和拓展，并取得了良好的教學效果。以下列出了課程設計方面的一些主要內容，供理工類應用型課程的教學建設參考。（一）教學目標的制定為了更好地安排理論課和實踐課教學內容，在內容設計前先制定教學目標。教學目標的制定主要依據(jù)如下三個原則：課程總體要求，學生實際以及社會需要。對于氣象類專業(yè)學生，專業(yè)課中所涉及的氣象資料主要包含地面觀測、探空、雷達、和衛(wèi)星資料，因此教學目標的制定須聯(lián)系學生所學專業(yè)課的實際需要。另外，隨著氣象業(yè)務的發(fā)展和氣象部門對

5、畢業(yè)學生的社會需求，教學目標的制定也應與時俱進?；谝陨先齻€原則，matlab教學目標主要分為兩大類：一類是掌握matlab編程的基本理論和技巧，另一類是學會利用matlab處理各類氣象資料。具體每次課程的教學目標制定又融合于每次課程的教學內容中。如利用matlab處理氣象資料又分為讀寫不同格式的資料、資料的統(tǒng)計分析以及擬合插值等、氣象圖像的去噪增強等。（二）教學內容的設計matlab在氣象中的應用主要包含四大模塊：氣象數(shù)據(jù)處理，圖形繪制，數(shù)據(jù)分析，圖像處理。matlab課程主要內容之一是這四大模塊內容的應用和實現(xiàn)。另外，在內容的編排設計上還須考慮了maltab語言自身的基本語法和特點的介紹。

6、以下是教學內容設計的具體方案：（1）理論教學和實踐教學的分配。matlab是一門實踐性很強的課程，而相應的理論知識又不能缺少，這樣才能保證學生既能將學到的知識投入應用，又能具有一定的深度理解。時間分配上，理論教學和實踐教學可并駕齊驅。內容分配上，理論和實踐大致對應，但在實踐教學的內容上，還會加強理論在專業(yè)資料處理應用上的實踐。（2）基本原理和專業(yè)應用教學的分配。matlab將數(shù)值分析、矩陣計算、科學數(shù)據(jù)可視化等諸多功能集成在一個易使用的視窗環(huán)境中，因此其涵蓋內容繁多。但對于氣象類專業(yè)學生，其主要目標是各類氣象資料的處理應用，因此在基本理論課程上主要涵蓋三章內容即可：matlab簡介和語法、ma

7、tlab矩陣創(chuàng)建和處理、matlab圖形繪制。而專業(yè)應用則結合了氣象專業(yè)的課程目標和特點，主要涵蓋以下四章內容：matlab讀寫常規(guī)格式數(shù)據(jù)文件、matlab讀寫通用數(shù)據(jù)格式文件如netcdf和hdf文件、利用maltab進行數(shù)據(jù)分析、氣象圖像處理。其中前兩章是關于氣象資料的讀寫，后兩章是關于氣象資料的分析處理和應用。（3）專業(yè)實踐和綜合應用實踐的分配。在實踐教學中不僅要考慮基本理論和專業(yè)的實踐，還要涉及專業(yè)實踐和綜合應用實踐的分配。例如，一次實踐課程安排為作圖實驗，即各種作圖練習和應用的專業(yè)實踐，而在文件處理的實踐中既要實現(xiàn)氣象數(shù)據(jù)的讀取，也要以作圖的形式將結果顯示，還要對讀出的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計

8、和插值分析，即綜合應用實踐。（三）教學方法的選擇根據(jù)學生專業(yè)的特點，依據(jù)教學目標和教學內容，對教學方法進行了探索。（1）理論教學方法的選擇。理論教學過程中除了運用常規(guī)課堂的教學方法如講授法、提問法外，還主要考慮了以下三點：理清邏輯關系、加強實例的演示、實例的選擇，結合專業(yè)的特點。理清邏輯關系即要建立matlab理論知識和氣象類專業(yè)知識的聯(lián)系，本課程內各章節(jié)之間的聯(lián)系，每章內各知識點之間的聯(lián)系。將這些聯(lián)系作為經(jīng)緯線，串接起來講授內容，使學生可以綱舉目張、舉一反三，加深對知識點的理解。由于matlab課程實踐性很強，因此在matlab理論教學中安排了大量的實例演示，通過現(xiàn)場展示，讓學生對知識點有了

9、更直觀的了解，并對實踐訓練有了先驗的感性認識。每次課程的每個知識點都有2個左右的實例，每次課堂教學都提供了將近20個實例，每個實例都可以直接拷貝到matlab軟件中運行，從而幫助學生加強理解和實踐。除此以外，實例的選擇還結合了專業(yè)的特點。例如，在pcolor作圖函數(shù)的講解和演示中利用了天氣雷達數(shù)據(jù)，從而通過代碼的編寫和天氣雷達圖像的顯示，使同學更好的了解了此函數(shù)的編寫以及在專業(yè)知識中的應用。（2）實踐教學方法的選擇。實踐教學方法主要考慮以下三個方面：實踐教案的編寫、實踐習題的選擇、實習報告的填寫。每一次實踐課程都有一個完善的實踐教案，其中包括本次實驗的目的、實驗方案、實驗習題、實驗結語。實驗方

10、案將本次實驗課程內容進行了簡單的歸納和整理，通過舉例對完成本次試驗的方法和途徑進行了展示，從而方便學生更好的完成本次實驗內容。對于實踐性較強的課程，學好的主要途徑即是多動手。因此，在每一次實踐課程中都安排大量的相應練習。實驗習題的選擇主要考慮了基本理論的練習和專業(yè)技能的練習。如matlab文件處理這一章的實踐教學中，其中兩道習題是簡單的常規(guī)的文本文件讀寫，其他習題則處理專業(yè)氣象資料，如利用matlab讀取2012年6月ncep資料中的氣壓數(shù)據(jù)，并畫出等壓面圖像。每次實踐課程后都要有一份完整的實驗報告，包括實驗習題的完成情況、本次實驗的感想等。除此以外，教學過程中還加強了教學反饋。首先，在實驗課

11、上，根據(jù)學生實踐的實際情況及時與其討論和交流，同時也激勵學生主動咨詢和提問；其次，基于上交的實習報告，把完成情況向學生反饋，并通過電話、電子郵件等多種途徑與學生進行討論。endprint三、 氣象類專業(yè)matlab課程教學效果通過上述探索，氣象類專業(yè)的matlab課程matlab在氣象上的應用取得了良好的教學效果。在20122013第一學期的大氣探測專業(yè)matlab課程教學的學生評教中，matlab課程的綜合評價為“優(yōu)”，其中評價內容包括教學態(tài)度、教學方法、教學管理、教學效果等。另外，在最近一次大氣探測專業(yè)大四學生對編程語言的掌握程度的調研中，80%以上的學生對matlab的掌握程度為“掌握”

12、，其他如c語言等編程語言的主要掌握程度為“了解”或“不熟”。除了編程技巧的掌握，我們更關注matlab在氣象專業(yè)知識上的應用。通過調查發(fā)現(xiàn)，在2013年大氣探測專業(yè)的本科畢業(yè)論文設計中，有60%以上的學生均是選擇了把matlab作為編程工具來實現(xiàn)自己的畢業(yè)設計。例如，09級大氣探測的伍華麗同學利用matlab模擬了多普勒天氣雷達譜參數(shù)的提取以及性能分析，解帥同學利用matlab進行trmm衛(wèi)星測雨雷達三維降水結構特征的個例分析。從以上可以看出，基于氣象類專業(yè)的特點，開設專門的matlab課程是非常有意義的，matlab在氣象數(shù)據(jù)模擬分析、氣象資料處理和可視化顯示中均得到了很好的應用?！緟⒖嘉墨I

13、】1frederick k. lutgens， edward j. tarbuck， dennis g. tasa. the atmosphere： an introduction to meteorologym. prentice hall， 2010.2周建興. matlab從入門到精通m. 人民郵電出版社， 2012.3ma li， jiang zhihong， li hao， wu dan. the combination of java with matlab apply to meteorologyc. international forum on information technology and applications， 2009（3）：392-395.4楊雪梅. matlab應用于信息與計算科學專業(yè)教學的實踐與體會j. 教學研究， 2010， 33（5）： 49-52.5常勝， 黃啟俊. 融合專業(yè)主