氣象類專業(yè)Matlab課程教學(xué)探索與思考

1、    氣象類專業(yè)matlab課程教學(xué)探索與思考    寇蕾蕾【摘 要】氣象類專業(yè)學(xué)生需要處理來(lái)自地面站、探空站、氣象雷達(dá)、氣象衛(wèi)星等各種觀測(cè)手段的不同類型和格式的資料，matlab具有強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)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(xué)工作的相關(guān)問(wèn)題，從教學(xué)目標(biāo)的制定、教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)、教學(xué)方法的選擇對(duì)氣象類matlab教學(xué)進(jìn)行了探索與思考。使學(xué)生在掌握基本編程能力的同時(shí)，能深入理解專業(yè)課程內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生理論結(jié)合實(shí)踐、綜合分析和應(yīng)用氣象資料的能力?！娟P(guān)鍵詞】氣象類專業(yè) matlab 氣象資料應(yīng)

2、用氣象類專業(yè)包含大氣科學(xué)、大氣物理、大氣探測(cè)、應(yīng)用氣象等各類與氣象有關(guān)的專業(yè)學(xué)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(diǎn)即是要處理和應(yīng)用各類氣象資料。處理和應(yīng)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(shí)也需要通用的分析數(shù)據(jù)和數(shù)值計(jì)算的能力。我校根據(jù)學(xué)校的專業(yè)特色及學(xué)生技能需求，在縱觀各種編程軟件和繪圖軟件優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，于2011年開設(shè)了專門針對(duì)氣象類專業(yè)學(xué)生的matlab程序設(shè)計(jì)課程matlab在氣象中的應(yīng)用。經(jīng)過(guò)這幾年的教學(xué)實(shí)踐，在教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法上做出了一系列的探索和改進(jìn)，有效提高了課程教學(xué)的質(zhì)量，培養(yǎng)了學(xué)生分析和處理專業(yè)資料的能力。一、氣象類專業(yè)matlab教學(xué)的意

3、義隨著氣象業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的觀測(cè)手段使得氣象數(shù)據(jù)格式變得更加繁多，如二進(jìn)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(xué)生不僅需要掌握各種專業(yè)理論基礎(chǔ)知識(shí)，還需具備處理和應(yīng)用各種氣象資料的實(shí)踐能力。而氣象資料的應(yīng)用包括將氣象數(shù)據(jù)讀取、分析以及更進(jìn)一步的綜合處理，這對(duì)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(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，從而使得讀寫和處理各種格式的氣象數(shù)據(jù)變得簡(jiǎn)單。因此在氣象類專業(yè)可以考慮使用具備強(qiáng)大數(shù)值計(jì)算和可視化能力的matlab軟件實(shí)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(xué)探索結(jié)合氣象類專業(yè)課程特點(diǎn)和學(xué)生實(shí)踐技能需求，對(duì)氣象類專業(yè)的matlab程序設(shè)計(jì)課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法進(jìn)行了探索和拓展，并取得了良好的教學(xué)效果。以下列出了課程設(shè)計(jì)方面的一些主要內(nèi)容，供理工類應(yīng)用型課程的教學(xué)建設(shè)參考。（一）教學(xué)目標(biāo)的制定為了更好地安排理論課和實(shí)踐課教學(xué)內(nèi)容，在內(nèi)容設(shè)計(jì)前先制定教學(xué)目標(biāo)。教學(xué)目標(biāo)的制定主要依據(jù)如下三個(gè)原則：課程總體要求，學(xué)生實(shí)際以及社會(huì)需要。對(duì)于氣象類專業(yè)學(xué)生，專業(yè)課中所涉及的氣象資料主要包含地面觀測(cè)、探空、雷達(dá)、和衛(wèi)星資料，因此教學(xué)目標(biāo)的制定須聯(lián)系學(xué)生所學(xué)專業(yè)課的實(shí)際需要。另外，隨著氣象業(yè)務(wù)的發(fā)展和氣象部門對(duì)

5、畢業(yè)學(xué)生的社會(huì)需求，教學(xué)目標(biāo)的制定也應(yīng)與時(shí)俱進(jìn)?；谝陨先齻€(gè)原則，matlab教學(xué)目標(biāo)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(xué)會(huì)利用matlab處理各類氣象資料。具體每次課程的教學(xué)目標(biāo)制定又融合于每次課程的教學(xué)內(nèi)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(jì)分析以及擬合插值等、氣象圖像的去噪增強(qiáng)等。（二）教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)matlab在氣象中的應(yīng)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(nèi)容之一是這四大模塊內(nèi)容的應(yīng)用和實(shí)現(xiàn)。另外，在內(nèi)容的編排設(shè)計(jì)上還須考慮了maltab語(yǔ)言自身的基本語(yǔ)法和特點(diǎn)的介紹。

6、以下是教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)的具體方案：（1）理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)的分配。matlab是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，而相應(yīng)的理論知識(shí)又不能缺少，這樣才能保證學(xué)生既能將學(xué)到的知識(shí)投入應(yīng)用，又能具有一定的深度理解。時(shí)間分配上，理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)可并駕齊驅(qū)。內(nèi)容分配上，理論和實(shí)踐大致對(duì)應(yīng)，但在實(shí)踐教學(xué)的內(nèi)容上，還會(huì)加強(qiáng)理論在專業(yè)資料處理應(yīng)用上的實(shí)踐。（2）基本原理和專業(yè)應(yīng)用教學(xué)的分配。matlab將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化等諸多功能集成在一個(gè)易使用的視窗環(huán)境中，因此其涵蓋內(nèi)容繁多。但對(duì)于氣象類專業(yè)學(xué)生，其主要目標(biāo)是各類氣象資料的處理應(yīng)用，因此在基本理論課程上主要涵蓋三章內(nèi)容即可：matlab簡(jiǎn)介和語(yǔ)法、ma

7、tlab矩陣創(chuàng)建和處理、matlab圖形繪制。而專業(yè)應(yīng)用則結(jié)合了氣象專業(yè)的課程目標(biāo)和特點(diǎn)，主要涵蓋以下四章內(nèi)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(jìn)行數(shù)據(jù)分析、氣象圖像處理。其中前兩章是關(guān)于氣象資料的讀寫，后兩章是關(guān)于氣象資料的分析處理和應(yīng)用。（3）專業(yè)實(shí)踐和綜合應(yīng)用實(shí)踐的分配。在實(shí)踐教學(xué)中不僅要考慮基本理論和專業(yè)的實(shí)踐，還要涉及專業(yè)實(shí)踐和綜合應(yīng)用實(shí)踐的分配。例如，一次實(shí)踐課程安排為作圖實(shí)驗(yàn)，即各種作圖練習(xí)和應(yīng)用的專業(yè)實(shí)踐，而在文件處理的實(shí)踐中既要實(shí)現(xiàn)氣象數(shù)據(jù)的讀取，也要以作圖的形式將結(jié)果顯示，還要對(duì)讀出的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)

8、和插值分析，即綜合應(yīng)用實(shí)踐。（三）教學(xué)方法的選擇根據(jù)學(xué)生專業(yè)的特點(diǎn)，依據(jù)教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容，對(duì)教學(xué)方法進(jìn)行了探索。（1）理論教學(xué)方法的選擇。理論教學(xué)過(guò)程中除了運(yùn)用常規(guī)課堂的教學(xué)方法如講授法、提問(wèn)法外，還主要考慮了以下三點(diǎn)：理清邏輯關(guān)系、加強(qiáng)實(shí)例的演示、實(shí)例的選擇，結(jié)合專業(yè)的特點(diǎn)。理清邏輯關(guān)系即要建立matlab理論知識(shí)和氣象類專業(yè)知識(shí)的聯(lián)系，本課程內(nèi)各章節(jié)之間的聯(lián)系，每章內(nèi)各知識(shí)點(diǎn)之間的聯(lián)系。將這些聯(lián)系作為經(jīng)緯線，串接起來(lái)講授內(nèi)容，使學(xué)生可以綱舉目張、舉一反三，加深對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解。由于matlab課程實(shí)踐性很強(qiáng)，因此在matlab理論教學(xué)中安排了大量的實(shí)例演示，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)展示，讓學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)有了

9、更直觀的了解，并對(duì)實(shí)踐訓(xùn)練有了先驗(yàn)的感性認(rèn)識(shí)。每次課程的每個(gè)知識(shí)點(diǎn)都有2個(gè)左右的實(shí)例，每次課堂教學(xué)都提供了將近20個(gè)實(shí)例，每個(gè)實(shí)例都可以直接拷貝到matlab軟件中運(yùn)行，從而幫助學(xué)生加強(qiáng)理解和實(shí)踐。除此以外，實(shí)例的選擇還結(jié)合了專業(yè)的特點(diǎn)。例如，在pcolor作圖函數(shù)的講解和演示中利用了天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)，從而通過(guò)代碼的編寫和天氣雷達(dá)圖像的顯示，使同學(xué)更好的了解了此函數(shù)的編寫以及在專業(yè)知識(shí)中的應(yīng)用。（2）實(shí)踐教學(xué)方法的選擇。實(shí)踐教學(xué)方法主要考慮以下三個(gè)方面：實(shí)踐教案的編寫、實(shí)踐習(xí)題的選擇、實(shí)習(xí)報(bào)告的填寫。每一次實(shí)踐課程都有一個(gè)完善的實(shí)踐教案，其中包括本次實(shí)驗(yàn)的目的、實(shí)驗(yàn)方案、實(shí)驗(yàn)習(xí)題、實(shí)驗(yàn)結(jié)語(yǔ)。實(shí)驗(yàn)方

10、案將本次實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容進(jìn)行了簡(jiǎn)單的歸納和整理，通過(guò)舉例對(duì)完成本次試驗(yàn)的方法和途徑進(jìn)行了展示，從而方便學(xué)生更好的完成本次實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。對(duì)于實(shí)踐性較強(qiáng)的課程，學(xué)好的主要途徑即是多動(dòng)手。因此，在每一次實(shí)踐課程中都安排大量的相應(yīng)練習(xí)。實(shí)驗(yàn)習(xí)題的選擇主要考慮了基本理論的練習(xí)和專業(yè)技能的練習(xí)。如matlab文件處理這一章的實(shí)踐教學(xué)中，其中兩道習(xí)題是簡(jiǎn)單的常規(guī)的文本文件讀寫，其他習(xí)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(shí)踐課程后都要有一份完整的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，包括實(shí)驗(yàn)習(xí)題的完成情況、本次實(shí)驗(yàn)的感想等。除此以外，教學(xué)過(guò)程中還加強(qiáng)了教學(xué)反饋。首先，在實(shí)驗(yàn)課

11、上，根據(jù)學(xué)生實(shí)踐的實(shí)際情況及時(shí)與其討論和交流，同時(shí)也激勵(lì)學(xué)生主動(dòng)咨詢和提問(wèn)；其次，基于上交的實(shí)習(xí)報(bào)告，把完成情況向?qū)W生反饋，并通過(guò)電話、電子郵件等多種途徑與學(xué)生進(jìn)行討論。endprint三、 氣象類專業(yè)matlab課程教學(xué)效果通過(guò)上述探索，氣象類專業(yè)的matlab課程matlab在氣象上的應(yīng)用取得了良好的教學(xué)效果。在20122013第一學(xué)期的大氣探測(cè)專業(yè)matlab課程教學(xué)的學(xué)生評(píng)教中，matlab課程的綜合評(píng)價(jià)為“優(yōu)”，其中評(píng)價(jià)內(nèi)容包括教學(xué)態(tài)度、教學(xué)方法、教學(xué)管理、教學(xué)效果等。另外，在最近一次大氣探測(cè)專業(yè)大四學(xué)生對(duì)編程語(yǔ)言的掌握程度的調(diào)研中，80%以上的學(xué)生對(duì)matlab的掌握程度為“掌握”

12、，其他如c語(yǔ)言等編程語(yǔ)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(guān)注matlab在氣象專業(yè)知識(shí)上的應(yīng)用。通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在2013年大氣探測(cè)專業(yè)的本科畢業(yè)論文設(shè)計(jì)中，有60%以上的學(xué)生均是選擇了把matlab作為編程工具來(lái)實(shí)現(xiàn)自己的畢業(yè)設(shè)計(jì)。例如，09級(jí)大氣探測(cè)的伍華麗同學(xué)利用matlab模擬了多普勒天氣雷達(dá)譜參數(shù)的提取以及性能分析，解帥同學(xué)利用matlab進(jìn)行trmm衛(wèi)星測(cè)雨雷達(dá)三維降水結(jié)構(gòu)特征的個(gè)例分析。從以上可以看出，基于氣象類專業(yè)的特點(diǎn)，開設(shè)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(yīng)用?！緟⒖嘉墨I(xiàn)

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(yīng)用于信息與計(jì)算科學(xué)專業(yè)教學(xué)的實(shí)踐與體會(huì)j. 教學(xué)研究， 2010， 33（5）： 49-52.5常勝， 黃啟俊. 融合專業(yè)主