科技文献研究案例在“统计天气预报”课程设计中的应用

龙景超 徐华 常舒婕

[摘 要]统计天气预报是大气科学专业中理论性和实践性兼具的一门核心课程。该课程的教学水平和质量对学生专业知识积累和专业素养的养成具有重要影响。该文针对目前教学中存在的“数学推导与专业理论结合不足、案例更新慢、课堂互动不足”等问题，将科技文献中经典和前沿科学研究融入课程内容的教学方式，以助于增强教师教学的故事性、趣味性和前沿性，优化文献情景的讨论和互动。教学实践表明，该措施能有效提高学生专业兴趣和学习主动性，开阔学生的专业视野，有利于教学质量的提升。

[关键词]统计天气预报;专业文献;教学改革;案例教学

[中图分类号] G642.0[文献标识码] A[文章编号] 1674-9324（2020）44-0-03[收稿日期] 2020-08-01

引言

高校本科生课程教学内容应该体现前沿性，紧跟学科发展方向[1]。在学习经典理论的同时，将学科研究领域和技术发展的最新成果貫穿到课程教学的始终，课程建设才能与时俱进，才能适应学科发展和学生的需求。科技论文是科研成果的重要载体，其研究案例是对经典理论的继承和发展。将文献中合适的案例引入实际教学，有利于帮助学生跳出统计天气预报课程中晦涩难懂的理论推导与方法的实际运用相结合，使学生能在大气科学背景下更深层次的理解理论和方法，增强方法的实际运用能力。同时，文献的阅读和课堂主题讨论有助于提高文献阅读水平、观点的表达能力和开阔科学视野。

一、存在的问题

统计天气预报是根据已有的气象历史资料，用概率论与数理统计、多变量统计分析方法寻找天气现象发生的可能规律，预报未来气象要素最大可能值的一种方法[2]。该课程涉及了大气科学常用的统计分析和预报方法，教学内容涉及概率论、线性代数等数学知识，并以此为基础进行数学推导。所以，课程对数学要求较高，内容也相对枯燥。广东海洋大学大气科学专业开设统计天气预报课程的历史悠久，具有丰富的教学素材的积累，为课程教授和学生培养奠定了坚实的基础。近年来，随着课堂多媒体的普及、网络教学的推广，该课程已由原来单纯的“课堂讲解+板书”为主的形式，逐步发展为“课堂讲解+板书+多媒体”的授课方式或“课堂讲解+板书+多媒体+慕课平台”的线上线下混合式教学方式。在这些新方式下，教师利用先进平台和技术手段将更多教学素材生动形象地展示出来，增强了相关知识点的图像感，更有利于帮助学生理解。同时，科技的运用提高了“教”和“学”的效率，让师生有更多时间实现理论和实践的结合。

然而，为了保持课程教学内容的系统性、科学性和连贯性，让学生知其然也知其所以然，很多理论性较强的课程都会以数学公式推导贯穿专业课程教学的始终。比如，统计天气预报课程的核心内容回归分析、聚类分析以及主成分分析等仍需要通过大量的数学推导来解释其基本原理。由于数学推导的理论性较强，使得学生对课程涉及的基本原理和方法与专业课程难以有效结合，学生很难理解统计天气预报课程在大气科学专业中的基础性和重要性，较难提升兴趣和认同感，教学效果并不明显。以往“讲解+练习”的教学模式下，学生熟悉方法的推导，也能进行给定数据的演算。但在涉及实际问题的实践环节，往往不能很好地理解专业背景所蕴含的信息及其与预报方法之间的关系，即理论知识和实际运用的脱节。另一方面，高校教学本身节奏较快，以公式推导为主的理论课程很容易形成以老师为中心—老师讲、学生听，如果师生互动没有真正成为教学的“标准动作”，则互动环节很容易被忽略。缺少了学生的反馈，教师授课的节奏就不能很好地适应学生的学习状态，师生之间“教”与“学”就不能有效地产生共鸣。

专业课程的设置是为专业服务的，如果对数学符号、数学公式的介绍课时占比过高，将不利于基础理论与专业背景知识的结合，就背离了《统计天气预报》中“天气预报”这一专业基础。总之，统计天气预报课程是专业课，而非数学课，应该更多地体现专业课程的物理内涵。因此，如何在教学中激发学生学习兴趣和主动性、增强课堂互动，及如何跟专业知识充分融合的问题一直是本课程教学中关注的重要。

二、案例教学的优势

案例教学法是指教师根据教学内容及教学目标，通过创设案例，组织学生分析研究表达等活动，让学生在具体情况中积极思考，主动探索，以培养学生综合素质[3]。该方法是一种培养实战型人才的方法，能有效地解决教学中理论脱离实际的问题。通过对案例的分析，学生可直观快速地形成感性认识，再通过教师归纳总结上升到理性认识，快速获取、掌握知识，学生真正成为教学活动的主体，学习积极性也可得到明显提高[4]。

引入文献研究案例的教学方式与传统的依赖教材的教学方式有所不同。首先，教学内容组成不同。前者需要根据教师对学科经典和前沿的了解，精心挑选兼具故事性、趣味性、逻辑性和前沿性的研究案例，因此该教学方法是一种具有独特性质和内涵的编排体系[5]。该教学方法打破了以教材为中心的传统教学模式。教材仅为教师教学的参考，教学内容将以教师个人理解和思考为主线，根据教学内容结合精选的案例，将学习的知识点融入案例中。专业领域的科技文献是以专业前沿为切入点，运用相应研究方法开展研究，所以文献本身就为研究方法提供了全面而立体的专业背景。只要文献选择得当，学生就能在专业背景下渐进式地、自然而然地接触到研究方法。其次，在引入文献研究案例的教学方式中教师扮演的角色略有差异。与传统的“教师讲、学生听”的模式不同。案例教学需课前挑选案例、安排阅读、课上讲解、组织讨论、课后训练等环节，教学过程被多元化、复杂化。因此，教师是整个过程的组织者、掌舵者，引导教学逐步深入、循序渐进。相应地，学生的角色也从听众变为了主角。主动学习收获的不再是本本上的教条，而是鲜活的知识以及思考问题、解决问题的能力[4]。总之，通过案例的学习和训练，学生突破了“学习大气科学就是学理论，学习统计预报方法就是学习数学”的感官认知，并将原本相对孤立的专业理论和预报方法融合起来，有助于使学生的理解更加立体和丰富。

三、案例教学的具体实施

科技文献的选取应注重兼顾专业领域的前沿研究和经典研究。前沿研究能将最新的学科进展呈现给学生，提高学生学习兴趣，开阔专业视野;经典研究则能将学科发展史潜移默化地融入教学，让学生了解学科发展脉络、培养学科研究的基本思维。比如在相关分析知识点的讲解中，引入大气科学领域的经典工作——南方涛动现象的发现[6];在多元线性回归预报方法的讲解中，引入中国东部极端降水日数年际尺度的可预测性的最新研究成果[7]。笔者以后者为例，分享科技文献案例教学中所采取的步骤和注意事项。

（一）案例的准备

案例教学的第一步是案例的准备。教师对相关的经典或前沿研究进行查询、收集，并按照教师的理解选择具有代表性的研究案例。选择时需要考虑本科阶段学生专业知识积累，选择难度适中，涉及的研究方法与课程内容相对一致，且在实践环节能及时用到的研究案例。这样学生能较容易地读懂文献背景知识、研究方法和分析过程，并能平稳地运用到实际问题的分析中。同时，教师应该充分考虑案例所涉及的知识点和课堂讨论中可能遇到的问题，教师提前准备背景材料或者引导学生提前复习或查询相关资料。

1.教师对知识点进行梳理，并就最新研究进行调研。例如，多元线性回归模型是一元线性回归模型和逐步回归模型的中间环节，具有承上启下的作用。明确其在知识体系中的位置，联系上下游的知识点。

2.选择研究案例进行剖析，并制作课件。中国东部极端降水日数年际尺度的可预测性的研究论文，对控制因子的分析过程翔实易懂，对学生理解其物理过程、开阔研究视野大有裨益，且论文建模过程呈现的主要步骤与教学内容相对一致，可作为训练的参考。

3.为学生提供阅读、讨论的线索和引导学生提前准备。为了更好地理解所选文献，学生需要提前查询我国降水分级标准、掌握一元线性回归分析涉及的“最小二乘法”的基本原理、复习统计预报方法建模的基本步骤等。同时，充分考虑讨论中可能遇到的问题，提前查阅资料提前解决。

（二）案例的讲解和讨论

方法的介绍以概念性和通俗性为主，其目的是让学生懂得文献中涉及的方法“是什么”“有什么用”等，从而避免了接触到该方法就陷入数学推导的迷茫。同时，也能较清晰地呈现该方法在科学研究中的位置，更好地能学以致用。文献的行文各环节构成了严谨的逻辑链，具有科学性和故事性。科学性有助于培养学生专业的思维方式，故事性则有助于提升文献和课程讲解的吸引力。另外，文献呈现的美观的图像和研究的实用价值，有助于提高学生兴趣、增强学生对知识和方法的认可度。

1.课堂讲解。从研究背景出发，引导学生回顾大气科学相关知识为研究对象的引入做铺垫。通过问题导向的办法，逐步提出问题，引发学生思考，渐渐深入，最后对各个环节进行总结。这样可以帮助学生将局部的片面的感性认识上升到整体的完整的理性认识。其中，问题导向的方法需精心筹划，确保问题间紧密的逻辑联系和承接关系。如：中国东部极端降水的空间分布是什么？→如何分型？→控制因子是什么？→如何选择因子？

2.组织讨论。讨论环节的主角是学生，教师则担当主持人，把握讨论主题和方向。全班可分为若干小组，小组讨论、集思广益最终形成统一的观点和意见并由代表对结果进行分析和总结。教师在学生讨论期间应保持中立，必要时给予一定提示，帮助学生理清分析思路。讨论的结果为开放式，言之有理即可。学生讨论环节的表现可纳入课堂表现进行考核，激励更多的学生积极参与课堂活动。

（三）结合案例开展练习

课后练习需在课堂案例讲解的基础上进一步阅读文献，模仿文献所涉及的方法进行实际操作。本課程鼓励学生结合自己感兴趣的问题，运用实际数据进行探索性研究训练，并形成研究报告。随着本课程教学方式的推进，下一步可以考虑将探索性研究和课堂公开报告作为考核的一部分，这将有效提升学生对知识的掌握程度和动手能力。

四、教学反思

本课程从2019年开始将科技文献研究案例引入教学中，形式和步骤逐渐成熟和完善，学生反馈也比较好。通过对教学过程的思考和学生的反馈，有如下几点经验的总结：（1）案例的选取直接决定案例式教学效果，需充分调研和剖析文献案例的合理性，与时俱进紧跟学科前沿;（2）教学实践要根据教学内容、教学目标的需要灵活运用多种教学方法，相互配合。（3）本课程涉及不同专业，即便相同专业学生的层次也有所不同，因此面对不同教学对象需考虑适当调整教学内容，因材施教、多种教学手段相结合。

五、结语

专业领域科技文献通常能合理运用相关理论和方法，并予以发展创新。面对广东海洋大学统计天气预报课程教学中面临的“内容理论性过强、与专业知识结合不够、案例更新不及时”等问题，探讨了在教学中融入经典和前沿科学研究的方法，以期增强教学趣味性、前沿性和实用性，开阔专业视野。通过科技文献的阅读、案例的讲解和有组织的讨论，让学生对方法“是什么”“有什么用”“效果是如何”等理解从感性认识上升为理性认识，从而建立整体概念，更好地学以致用。本学期教学实践表明，专业文献案例的运用有助于提高学生学习兴趣、主动性并能有效增强实战能力。

参考文献

[1]冯美卿，张钟珑.研讨型教学实例分析：“同时给予化疗药物和基因的抗肿瘤治疗给药系统研究进展”及评析[J].教育教学论坛，2013（31）：108-110.

[2]施能.气象统计预报[M].北京：气象出版社，2009.

[3]杨素英.实例教学法在“GrADS气象图形图像软件”教学中的应用[J].黑龙江生态工程职业学院学报，2010，23（06）：92-93.

[4]倪健，池静，徐祥林.浅谈案例教学法的应用与实践[J].河北工程大学学报（社会科学版），2006（01）：121+123.

[5]郑金洲.案例教学：教师专业发展的新途径[J].教育理论与实践，2002（22）：36-41.

[6]Berlage H.P.，de Boer H.J.On the Extension of the Southern Oscillation Throughout the World during the Period July 1 1949 up to July 1 1957.Geofisica Pura e Applicata 44，287-295（1959）.https：//doi.org/10.1007/BF01997657

[7]Li Juan，Wang Bin. Predictability of Summer Extreme Precipitation Days over Eastern China. Clim Dyn 51，4543-4554（2018）.https：//doi.org/10.1007/s00382-017-3848-x.