虚拟仿真技术在气象学课程教学中的应用_王晟强.pdf

2023 年 4 期农业教育智慧农业导刊Journal of Smart Agriculture虚拟仿真技术在气象学课程教学中的应用王晟强，廖宗锌，叶绍明（广西大学 林学院，南宁 530004）高校开设气象学课程的目的在于使学生掌握各种基本气象要素的特点及其时空变化规律，能够将所学知识与生产、生活实际相结合，认识和解决生产中的气象问题，包括地球大气的特性、大气现象的发生、大气环流变化过程和气候变化规律等课程内容1-2。同时气象学是农林类专业必不可缺的核心课程。随着教育改革的推进，气象学课程改革已取得一些成效，但课时缩短不可避免，易形成“填鸭式”教学模式，学生对一些具有抽象性和多学科交叉性的概念理解不透彻，难以把握课程重难点内容，学生课堂所学知识与实际生产实践脱节的问题仍存在。新时代下，科学信息技术在全行业迅猛发展，教育部强调要推进科学技术与教育教学信息化深度融合3。因此，将现代科学技术应用到气象学课程教学中成为可能。现有的教育改革实践将线上教学和线下教学相融合4，可优化教学效果，提高教育教学质量，并可增加线上教育资源，包括网络课程、视频、图片、讲座和虚拟仿真平台等5。其中虚拟仿真技术可立足于教师的教学方式，结合先进科学信息技术构建集教学、实操、考查、共享功能于一体的简易操作平台6。未来，随着虚拟仿真技术在各教学领域应用的增多，必将对我国高等教育质量水平的提高有着积极的影响7，并深刻影响传统教学的教学模式、教学内容及教学手段，达到传统教学模式所不能达到或难以实现的讲授效果。1气象学课程教学现状分析气象学课程可分成 9 个分支学科，涉及许多的客观因素，可将自然科学与社会科学相联系，主要教学内容为叙述大气的特性，大气中辐射、温度的变化及其意义，大气环流过程发生的水热交替、气压变化和气候形成，以及防御气象灾害等。目前气象学课程教学仍然采用线上、线下 PPT 展示为主，板书为辅1的方式，教师以板书的方式将一些重点和抽象的知识点展现在黑板上，并通过实体模型展示，让学生在课上解决疑惑，掌握好各章节重点。同时老师根据教学安排，以学生打下坚实基础为主要目的，增加课后讨论、课后作业等内容，最后经过摘要：气象学是一门实践性强、知识点抽象的学科，其研究对象广泛，与社会经济发展息息相关。该文依据气象学教学任务和特性，试验虚拟仿真技术在气象学中的教学设计应用，叙述气象学虚拟仿真技术教学应用的作用和效果。经过教学试验表明，虚拟仿真技术在气象学教学上可以提升师生之间的教学联系，增强学习氛围，提升学习动机，与时俱进。通过可视化界面，学生可方便且系统地完成学习任务，达到教学模式改变的目的，深化课程建设。关键词：虚拟仿真技术；气象学；大气现象；可视化界面；教学模式中图分类号：G642文献标志码：A文章编号：2096-9902（2023）04-0100-04Abstract:Meteorology is a subject with strong practicality and abstract knowledge,which has a wide range of research objectsand is closely related to social and economic development.According to the teaching tasks and characteristics of meteorology,thispaper tests the application of virtual simulation technology in the teaching design of meteorology,and describes the function andeffect of the teaching application of virtual simulation technology of meteorology.The teaching experiment shows that virtualsimulation technology in meteorology teaching can improve the teaching relationship between teachers and students,the learningatmosphere,and learning motivation while keeping pace with the times.Through the visual interface,students can easily andsystematically complete the teaching task,achieve the purpose ofchangingtheteachingmode,anddeepenthecurriculumconstruction.Keywords:virtual simulation technology;meteorology;atmospheric phenomena;visual interface;teaching mode基金项目：广西高等教育本科教学改革工程项目（2021JGB108）第一作者简介：王晟强（1989-），男，博士，讲师。研究方向为森林生态学。D O I：1 0.2 0 0 2 8/j.z h n y d k.2 0 2 3.0 4.0 2 6100-2023 年 4 期智慧农业导刊Journal of Smart Agriculture农业教育课堂表现、实验考核、结课考查完成本门课程的学习。经过任课老师系统讲授，使学生明白气象学这门课程的重要性，掌握气象现象对林业、农业生产的影响，掌握日常天气现象的观测方法，学会使用观测仪器，进而了解大气现象的时空分布及其变化、利用所学知识解释大气中的各种现象和成因，给出预防气象灾害的措施。最终，培养观测气象要素、预防气象灾害领域的人才，使学生具备利用气象因子指导林木培育或木材生产、运输的能力，为今后从事林业生产的研究打下坚实基础。但在长期教学中，也发现了以下问题。1.1教学方式单一，教学课时少，知识点掌握不牢固随着教育改革的推进，以 PPT 为主、板书为辅的单一教授方式，并没有从根本上改变学生课堂中被动获取知识的习惯，难以提起学生的学习兴趣，势必会影响教学效果；老师教学任务重，上课课时缩短，易形成“填鸭式”教学模式，课堂上没有足够多的时间留给学生独立思考、透彻理解并加以练习，导致学生对一些具有抽象性和多学科交叉性的概念理解不透彻，难以把握课程重难点内容。因此，课堂上利用数字信息技术辅助教学，留给学生独立思考的时间足够多，任课老师改变教学手段，探讨新的教学方案，对本课程学习至关重要。1.2教学时间短，天气现象变化少，难以与实际联系气象学课程学习时间过程跨度小，在整个教学过程中，往往仅在简短的 3 个月内完成学习，学生学习到的气象现象并不全面。但天气现象却是多变的，在整个学习过程中，学生面临的天气现象甚至只有一种，课程结束后，学生自己面对复杂多变的气象现象就难以及时将所学理论与实际联系起来，这就导致学生对复杂的天气现象仅停留在认知阶段，记忆时间短，分析更复杂的天气时难以找到突破点。所以，任课老师需利用互联网技术寻找更多复杂的天气影像或图片，适时增加学生在日常生活中未遇到过的气象现象教学，加大课堂中理论知识与现实天气变化的联系。1.3抽象天气现象知识点多，学生想象力有差异，注意力不集中任课老师在教授抽象性的内容时，学生只能凭借自己的经历和想象力来理解，且每个人的经历及想象力有所差异，课堂教学时就难以保证所有的学生都理解，部分学生的理解会产生偏差，若任课老师继续往下授课，学生积累的问题会越来越多，学习兴趣就会不断下降，如在林业气象灾害部分，教材只介绍其基本的概念和规律，教学内容大多按照教材照本宣科，而与实际生产实践相结合较少。所以，老师为保证每个同学都能彻底理解这些知识点，往往会花费大部分时间去解释，这就导致在课时紧张的情况下，教学任务难以完成，且完全理解的学生，注意力会减少，学生的课堂参与性降低。这时候就需要提醒学生自己平时注意观看一些气象纪录片和阅读一些气象解读资料，增加对气象现象的了解，课前课后注重复习，加深对抽象知识点的理解。1.4关注点少，老师间协调少，学生实践能力弱很多高校，理论知识教授和实验操作教授往往会由不同的老师完成，若任课老师与实验老师之间的联系不够密切，一方面任课老师只注重学生在课堂上接受知识，而完全不关注实验过程，且学生在其他时间没有对所学知识进行复习，易发生学生理论知识能听懂，实验课没有头绪的现象；另一方面实验老师不关注任课老师上课进度，只按课时安排进行实验教学，就会发生理论课还未学到的内容，实验课已经涉及的现象。这就易导致学生知识理解和实验实操不能完全兼顾，学习效果不理想。因此，在教学中，所有的老师都要相互关注，将理论课和实验课联系起来，理论知识和实物观测结合，协助学生构建完善的知识体系，增强学生实践动手能力。2虚拟仿真技术研究现状日常生活中，虚拟仿真技术带来了众多便利，在一定程度上，人们生活更加便捷，时间更充裕。正是因为这一技术的发展，足不出户就可以看房、看车，但是有关虚拟仿真技术在教学领域的研究相对较少。随着教育改革的推进，虚拟仿真技术应用到室内设计这一领域所取得的效果，受到教育工作者的广泛关注，那么虚拟仿真技术能否应用到教育领域呢？答案是肯定的，目前在虚拟仿真技术教学中应用较多的信息技术主要有多媒体技术、人机交互技术、可视化技术、仿真技术、虚拟现实技术、增强现实技术、虚拟世界、3D 打印技术和遥感技术，其基本特征包括交互性、沉浸性、虚幻性和逼真性8-9。也正是因虚拟仿真技术的逼真性，越来越多的人将其应用到教学中，如将虚拟仿真技术运用到森林培育中，可以在极短时间内呈现出从种子到成熟林木生长的全过程，并可呈现出施肥、除草和防虫的抚育措施，有效解决了因林木培育时间长教学过程难以呈现的问题。且有研究发现，运用虚拟仿真技术可以提高学生的学习成绩及提升了学生的学习兴趣。3气象学虚拟仿真技术教学建设提出的必要性近年来，受疫情的影响，学生居家学习，线上教学成为主要授课方式，这在一定程度上促进了虚拟仿真技术在教学领域的应用。而学生在面对一些抽象知识时，掌101-2023 年 4 期农业教育智慧农业导刊Journal of Smart Agriculture握程度难以达到线下教学的效果。同时，因气象学处于多学科交叉点上，其大气现象具备不确定性，且在大气圈中任何时候都会有风、云、雨、雪、雷电及旱涝等形式各异的自然现象，学生难以准确把握；有些气象实验因存在危险性而难以在校园中实施，理论所学知识与现实大气现象有很大差异，使得学生面对多变的大气现象时无法系统地、科学地解释这些气象、作用和效应，而仅通过课堂教学，易导致学生思维能力下降。气象学的研究对象覆盖了整个地球的大气圈，以及微观和宏观环境，其传统的主要任务为使学生根据所学的气象规律分析并系统地解释大气现象的发生、作用和效应，诊断过去和现在的天气变化，进而阐述大气现象的演变规律，预测未来的天气、气候。但随着气象学概念的现代发展、变化，其研究范围不断拓宽，教学任务也在不断地增加，对大气现象的研究不再局限于当前利益，而更加注重潜在利益的研究发展。在有关林业气象的教学中，其任务更多在于使学生认识到气象或气候因子对造林、森林培育过程产生的经济影响及其森林气候与人类健康、娱乐和旅游的关系，确定林木质量最佳的最优化气象，以及要注意到森林中森林生物气候的作用，探究其生物生活的最佳生物小气候。此外，也要预测预报和防御影响林业产量和质量的不利气象、气象灾害。这些教学任务仅通过任课老师的课堂教学难以实现。从实验条件看，学校实验仪器大多已陈旧或不足，远远落后于当前新时代的发展、科学技术的进步，无法满足师生讲学的需要，实验教学模式仍然延续着陈旧的方法，某些气象实验现象不易观察，实验过程长，教学质量难以提高。实验仪