气象类专业Matlab课程教学探索与思考

2019-05-30 15:00:33次浏览

寇蕾蕾

【摘 要】气象类专业学生需要处理来自地面站、探空站、气象雷达、气象卫星等各种观测手段的不同类型和格式的资料，Matlab具有强大的数值计算和可视化显示功能，使得处理和分析各种气象资料变得方便和快捷。本文介绍了气象类专业Matlab课程教学工作的相关问题，从教学目标的制定、教学内容的设计、教学方法的选择对气象类Matlab教学进行了探索与思考。使学生在掌握基本编程能力的同时，能深入理解专业课程内容，培养学生理论结合实践、综合分析和应用气象资料的能力。

【关键词】气象类专业 Matlab 气象资料应用

气象类专业包含大气科学、大气物理、大气探测、应用气象等各类与气象有关的专业学科。不同专业的培养要求不尽相同，但气象类专业的共通特点即是要处理和应用各类气象资料。处理和应用各类气象资料需要专业的读取和显示资料的能力，同时也需要通用的分析数据和数值计算的能力。我校根据学校的专业特色及学生技能需求，在纵观各种编程软件和绘图软件优缺点的基础上，于2011年开设了专门针对气象类专业学生的Matlab程序设计课程《Matlab在气象中的应用》。经过这几年的教学实践，在教学内容和教学方法上做出了一系列的探索和改进，有效提高了课程教学的质量，培养了学生分析和处理专业资料的能力。

一、气象类专业Matlab教学的意义

随着气象业务的不断发展，越来越多的观测手段使得气象数据格式变得更加繁多，如二进制、文本(txt)格式、表格(Excel)格式文件，以及hdf、Grib、Netcdf等通用数据格式文件。气象类专业学生不仅需要掌握各种专业理论基础知识，还需具备处理和应用各种气象资料的实践能力。而气象资料的应用包括将气象数据读取、分析以及更进一步的综合处理，这对使用者提出了较高的要求。Matlab软件包含丰富的工具箱与模块集，不仅有常规的读写文件的能力，还有与专业数据格式相应的数据库，从而使得读写和处理各种格式的气象数据变得简单。因此在气象类专业可以考虑使用具备强大数值计算和可视化能力的Matlab软件实现数据提取分析以及可视化输出。

二、气象类专业Matlab教学探索

结合气象类专业课程特点和学生实践技能需求，对气象类专业的Matlab程序设计课程的教学内容和教学方法进行了探索和拓展，并取得了良好的教学效果。以下列出了课程设计方面的一些主要内容，供理工类应用型课程的教学建设参考。

(一)教学目标的制定

为了更好地安排理论课和实践课教学内容，在内容设计前先制定教学目标。教学目标的制定主要依据如下三个原则：课程总体要求，学生实际以及社会需要。对于气象类专业学生，专业课中所涉及的气象资料主要包含地面观测、探空、雷达、和卫星资料，因此教学目标的制定须联系学生所学专业课的实际需要。另外，随着气象业务的发展和气象部门对毕业学生的社会需求，教学目标的制定也应与时俱进。基于以上三个原则，Matlab教学目标主要分为两大类：一类是掌握Matlab编程的基本理论和技巧，另一类是学会利用Matlab处理各类气象资料。具体每次课程的教学目标制定又融合于每次课程的教学内容中。如利用Matlab处理气象资料又分为读写不同格式的资料、资料的统计分析以及拟合插值等、气象图像的去噪增强等。

(二)教学内容的设计

Matlab在气象中的应用主要包含四大模块：气象数据处理，图形绘制，数据分析，图像处理。Matlab课程主要内容之一是这四大模块内容的应用和实现。另外，在内容的编排设计上还须考虑了Maltab语言自身的基本语法和特点的介绍。以下是教学内容设计的具体方案：(1)理论教学和实践教学的分配。Matlab是一门实践性很强的课程，而相应的理论知识又不能缺少，这样才能保证学生既能将学到的知识投入应用，又能具有一定的深度理解。时间分配上，理论教学和实践教学可并驾齐驱。内容分配上，理论和实践大致对应，但在实践教学的内容上，还会加强理论在专业资料处理应用上的实践。(2)基本原理和专业应用教学的分配。Matlab将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化等诸多功能集成在一个易使用的视窗环境中，因此其涵盖内容繁多。但对于气象类专业学生，其主要目标是各类气象资料的处理应用，因此在基本理论课程上主要涵盖三章内容即可：Matlab简介和语法、Matlab矩阵创建和处理、Matlab图形绘制。而专业应用则结合了气象专业的课程目标和特点，主要涵盖以下四章内容：Matlab读写常规格式数据文件、Matlab读写通用数据格式文件如Netcdf和hdf文件、利用Maltab进行数据分析、气象图像处理。其中前两章是关于气象资料的读写，后两章是关于气象资料的分析处理和应用。(3)专业实践和综合应用实践的分配。在实践教学中不仅要考虑基本理论和专业的实践，还要涉及专业实践和综合应用实践的分配。例如，一次实践课程安排为作图实验，即各种作图练习和应用的专业实践，而在文件处理的实践中既要实现气象数据的读取，也要以作图的形式将结果显示，还要对读出的数据进行统计和插值分析，即综合应用实践。

(三)教学方法的选择

根据学生专业的特点，依据教学目标和教学内容，对教学方法进行了探索。(1)理论教学方法的选择。理论教学过程中除了运用常规课堂的教学方法如讲授法、提问法外，还主要考虑了以下三点：理清逻辑关系、加强实例的演示、实例的选择，结合专业的特点。理清逻辑关系即要建立Matlab理论知识和气象类专业知识的联系，本课程内各章节之间的联系，每章内各知识点之间的联系。将这些联系作为经纬线，串接起来讲授内容，使学生可以纲举目张、举一反三，加深对知识点的理解。由于Matlab课程实践性很强，因此在Matlab理论教学中安排了大量的实例演示，通过现场展示，让学生对知识点有了更直观的了解，并对实践训练有了先验的感性认识。每次课程的每个知识点都有2个左右的实例，每次课堂教学都提供了将近20个实例，每个实例都可以直接拷贝到Matlab软件中运行，从而帮助学生加强理解和实践。除此以外，实例的选择还结合了专业的特点。例如，在pcolor作图函数的讲解和演示中利用了天气雷达数据，从而通过代码的编写和天气雷达图像的显示，使同学更好的了解了此函数的编写以及在专业知识中的应用。(2)实践教学方法的选择。实践教学方法主要考虑以下三个方面：实践教案的编写、实践习题的选择、实习报告的填写。每一次实践课程都有一个完善的实践教案，其中包括本次实验的目的、实验方案、实验习题、实验结语。实验方案将本次实验课程内容进行了简单的归纳和整理，通过举例对完成本次试验的方法和途径进行了展示，从而方便学生更好的完成本次实验内容。对于实践性较强的课程，学好的主要途径即是多动手。因此，在每一次实践课程中都安排大量的相应练习。实验习题的选择主要考虑了基本理论的练习和专业技能的练习。如Matlab文件处理这一章的实践教学中，其中两道习题是简单的常规的文本文件读写，其他习题则处理专业气象资料，如利用Matlab读取2012年6月NCEP资料中的气压数据，并画出等压面图像。每次实践课程后都要有一份完整的实验报告，包括实验习题的完成情况、本次实验的感想等。除此以外，教学过程中还加强了教学反馈。首先，在实验课上，根据学生实践的实际情况及时与其讨论和交流，同时也激励学生主动咨询和提问；其次，基于上交的实习报告，把完成情况向学生反馈，并通过电话、电子邮件等多种途径与学生进行讨论。

三、 气象类专业Matlab课程教学效果

通过上述探索，气象类专业的Matlab课程《Matlab在气象上的应用》取得了良好的教学效果。在2012～2013第一学期的大气探测专业Matlab课程教学的学生评教中，Matlab课程的综合评价为“优”，其中评价内容包括教学态度、教学方法、教学管理、教学效果等。另外，在最近一次大气探测专业大四学生对编程语言的掌握程度的调研中，80%以上的学生对Matlab的掌握程度为“掌握”，其他如C语言等编程语言的主要掌握程度为“了解”或“不熟”。除了编程技巧的掌握，我们更关注Matlab在气象专业知识上的应用。通过调查发现，在2013年大气探测专业的本科毕业论文设计中，有60%以上的学生均是选择了把Matlab作为编程工具来实现自己的毕业设计。例如，09级大气探测的伍华丽同学利用Matlab模拟了多普勒天气雷达谱参数的提取以及性能分析，解帅同学利用Matlab进行TRMM卫星测雨雷达三维降水结构特征的个例分析。从以上可以看出，基于气象类专业的特点，开设专门的Matlab课程是非常有意义的，Matlab在气象数据模拟分析、气象资料处理和可视化显示中均得到了很好的应用。

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