“气象信息可视化”课程教学设计与实践

［摘 要］ “气象信息可视化”课程是为气象学专业高年级本科学员开设的专业课程，具有计算机技术与气象学应用紧密结合、应用性和实践性非常强的特点。为提高“气象信息可视化”课程的教学效果，在分析课程和学员特点基础上，分析了课程开设过程中面临的主要困难和问题，对课程内容进行优化设计，提出了“四结合”的课程教学方法，并应用于教学实践，取得了较好的教学效果。

［关键字］ 气象信息可视化；教学设计；“四结合”教学法

［基金项目］ 2020年度国防科技大学跨学科综合性课程建设研究与实践“气象信息类课程建设研究与实践”（U2020109）

［作者简介］ 周爱霞（1978—），女，山东青州人，工学博士，国防科技大学气象海洋学院副教授，主要从事气象信息处理研究；郭酉函（1981—），女，河北邢台人，教育学硕士，国防科技大学气象海洋学院副教授讲师，主要从事信息技术方向的研究；李 骞（1980—），男，湖南湘潭人，工学博士，国防科技大学气象海洋学院副教授，硕士生导师，主要从事气象信息智能处理研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）46-0053-04 ［收稿日期］ 2023-09-11

引言

“气象信息可视化”课程是为气象学专业高年级本科学员开设的专业课程，是一门将计算机可视化技术应用于气象领域，解决气象数据可视化问题的课程，是一门计算机技术与气象学应用紧密结合、应用性和实践性非常强的课程。课程目标是使学员掌握主要的标量型和矢量型气象数据的二维、三维可视化表达方法，重点掌握各类可视化表达方法对应的基本概念、基本理论、典型算法及其工程应用，培养学员分析和解决气象信息可视化问题的能力，即遇到气象数据可视化问题时能够进行分析判断，确定数据可视化方案，并通过相应的软件或语言实现数据可视化［1-3］。

一、“气象信息可视化”课程情况分析

（一）课程特点分析

1.直接对接气象行业应用需求，岗位针对性强。与通识类信息课程及计算机专业开设的信息类课程不同，“气象信息可视化”课程针对气象领域气象数据可视化问题而开设，内容聚焦于气象行业数据可视化主题应用，学习内容贴近实际应用场景，岗位针对性强，能够很好地对接学员未来的岗位工作或科研工作。学员进入工作岗位后，可直接进行相应的应用或工作，缩短了将所学知识应用于岗位任职的适应时间。

2.课程具有跨学科、综合性强等特点。课程针对气象数据可视化主题应用开设，涉及计算机、气象等多个领域，涉及程序设计、数据结构、算法分析、计算机图形学、数字图像处理等多方面的计算机知识和气象学领域知识，课程综合性强。需要教员打破现有的课程教学学科界限和壁垒，通过跨学科融合，将不同领域的学科知识、技能及思维方法整合到教学的实施过程，从而打破知识教学碎片化、学科课程孤立化的局面［4-5］。

3.课程应用性强，对学员实际操作能力要求较高。由于课程面向岗位应用，要求学员通过课程学习能够解决岗位中面临的实际问题，因此，课程对学员工程实践能力、实际操作能力要求较高，将理论知识转化为实际解决问题的能力的要求较高，需要课程通过一定比例的、针对性强的实践课，帮助学员搭建理论与能力转换的桥梁［6］。

（二）学员情况分析

为了有针对性地进行教学内容和教学方法设计，笔者及所在课程教学团队在多年的教学实践中通过问卷调查、与学员直接交流等方式，了解学员的知识结构、学习特点、学习盲点等，并对学员特点进行分析，逐步完善教学内容体系和教学方法。气象类专业学员在学习“气象信息可视化”课程中具有以下特点。

1.具有较好编程基础和较全面的领域知识。学员在大学一年级、二年级的前期学习中，已经学习了“大学计算机基础”“程序设计基础”等课程，学习和使用过C语言、Python、Matlab等编程工具，具有较好的编程基础，这为课程的顺利开展提供了重要基础。气象学领域知识方面，学员已经学习了“天气学原理”“大气探测学”“气象雷达资料应用”“气象水文综合观测系统”等气象类课程，已具备了较全面的气象类专业知识，对于气象信息可视化的应用场景具有较好的基础和认识。表1为“气象信息可视化”课程对应的先修课程。

2.图形图像学基础较弱。气象信息的可视化主要借助计算机图形、图像技术实现，必要的图形、图像知识是进行气象信息可视化学习的前提。但受学时及专业的限制，针对气象类专业学员不专门开设“计算机图形学”“数字图像处理”等课程，学员未系统学习图形、图像方面的知识，导致学员的计算机图形、图像相关知识相对匮乏，因此在课程内容设计中需要有针对性地补充图形、图像相关知识，才能顺利进行后续内容的开展。

3.思维敏捷，学习积极性高。“气象信息可视化”课程面向的学员是气象专业高年级学员，对于“气象信息可视化”课程的学习来说，学员虽然计算机领域的知识稍显不够，但学员本身素质较高，思维敏捷，领悟能力强，对于课程中需要进行代码实现的工程实现类的作业显示出了较高的热情。

（三）课程开设过程中面临的主要问题

1.教学资源相对匮乏，课程建设难度大。目前，单纯的单学科课程资源非常丰富，如“计算机网络”“数据库技术”等课程，在MOOC平台及各大网站都很多。但跨学科的、面向应用、面向岗位的气象信息类课程则资源较少，笔者在中国大学MOOC平台检索发现目前还没有此类课程开设。通过多种渠道对此类课程教材进行检索发现，市面上也几乎没有可用的此类教材。因此，对于此类课程，从课程内容体系到教材及教学资源等方面均需从零开始，课程建设难度非常大。

2.教员素质要求高，教员培养难度大。“气象信息可视化”课程是跨学科综合性很强的课程，需要教员具备气象学、计算机科学等多学科专业知识。但多数教员只具备相对单一的学科专业背景，如计算机相关专业毕业的教员通常在计算机领域有很高的造诣，但需要补充大量气象领域知识或经过多年的气象信息领域研发工作才能对气象行业信息需求、信息技术在气象应用场景有较深的理解。因此，承担此类课程需要多年的积累，教员成长周期长，素质要求高，培养难度大。

3.课程知识跨度大，既要补充部分学员学科基础短板，又要实现行业应用，给课程内容组织、教学方法和教学模式带来了较大挑战。气象专业学员无法像计算机专业学员一样系统学习各类计算机课程，需要在课程中有针对性地补充相关基础知识。如何整合课程内容将其有机地结合在一起，既能夯实学科基础知识，又能实现技术应用，对于学员和教员来说都是较大的挑战。

二、课程教学设计

（一）课程内容设计及优化

根据课程目标与学员知识结构，对课程教学内容进行梳理和组织。根据知识间逻辑联系与可视化体系，按照先总后分、先基础后专业的顺序组织教学内容。课程内容分为气象信息可视化基础、气象标量场可视化、气象矢量场可视化三个模块。

气象信息可视化基础模块，主要包括可视化概述、计算机图形学基础、数字图像学基础等部分。气象信息可视化概述部分总体介绍可视化的概念与作用、可视化的分类与流程、可视化工具、可视化关键技术、可视化相关学科等，使学员对可视化的概念和方法有总体的认识；计算机图形学基础部分主要介绍与本课程密切相关的图形学知识，包括物体的几何表示方法、变换与裁剪、真实感图形等部分，使学员了解点、线、面及三维实体在计算机中的表示和生成方法；图像学基础部分补充图像的数字化方法、图像增强处理方法及图像滤波等相关内容，图形图像基础部分重点在于概念和基本原理的讲解，而不囿于烦琐的算法。气象标量场可视化主要包括等值线生成、色斑填充图生成、等值面生成、体绘制技术等主要内容，其中等值线、色斑图为二维可视化方法，等值面、体绘制为三维可视化方法。气象矢量场可视化部分介绍气象领域各类流场可视化的方法，主要介绍基于点图标的流场可视化、基于流线的流场可视化与基于纹理的流场可视化方法。每种可视化方法均按照概念与应用场景、数据及预处理、生成算法、工程实现思路的步骤进行讲解。

“气象信息可视化”是一门理论与实践密切结合的课程，教学中有大量的实践内容。在实践内容的设计过程中要充分考虑练习与已学内容的关联性、难易程度，此外，精心的实践设计能够提高学员的学习兴趣。本课程的实践教学内容主要包括可视化环境构建及等值线、等值面、体绘制和流线等几个典型算法的实现。

（二）教学方法设计

根据课程算法多、编程多、理论性强、实践性强的特点，教学团队结合“气象信息可视化”课程的特点，对课程的教学方法进行了改革和建设，总结并提出“气象信息可视化”“四结合”的教学思路。

1.理论学习与编程实践相结合。根据算法多、编程多的特点，在课程网站、教员提供的模拟软件中的编程框架基础上，要求学员对所学的可视化算法编程实现，一方面可使学员加深对算法的理解，另一方面能够提高学员工程实践能力。图1、图2分别为团队针对等值线生成、等值面生成两个算法开发的模拟软件，既可以演示算法实现步骤，也可以作为编程框架提供给学员，便于学员进行算法实现时学习和参考。

2.算法讲解与程序演示相结合。课程算法多、实践性强，而理解各类算法的思路是课程学习的重点，也是学员进行工程实现的基础。算法往往具有抽象、逻辑性强等特点，如何让学员更好地理解算法是课程需要重点解决的问题。为解决此问题，在授课中制作了大量生动形象、图文并茂、兼具算法动态演示功能的多媒体教学PPT及演示程序，以直观形象的动画方式，演示算法的原理、流程，加强学员对抽象算法的理解。

3.教学内容与科研实际相结合。针对课程应用性比较强的特点，改变传统授课重理论轻实践、重知识轻体验的教学模式，将教师在气象水文信息智能分析、战场环境模拟仿真及气象水文要素可视化等领域取得的科研成果及时引入教学，为教学提供真实案例，为学员提供真实的学习情景，既丰富了教学内容，使教学内容保持前沿性，也能够提高学员的学习兴趣和科研素质。

4.课堂学习与课外拓展相结合。由于课程具有跨学科的特点，所以课程内容涉及多领域、多学科内容，只通过有限的课堂学习时间很难完全达到学习目标，必须将课堂拓展到课外。一方面，团队制作了“气象信息可视化”网站，提供课程教学资源，供学员进行预习、课后学习及问题探讨，跟踪学员实践进度，做到课上与课后衔接，线上与线下融合。另一方面，为拓宽学员视野，在经典教材的教学内容基础上，根据业务领域需求，选取一些名师大家或顶级学术会议期刊的文章作为学员选学内容，此外，每年邀请地方知名大学的专家学者作学术报告，使学员对“气象信息可视化”的最新研究进展有所了解。

（三）课程考核方式设计

在课程考核方式上，改变传统教学多以终结性理论考试为主的考核模式，建立与跨学科课程相适应的多元、多维的学习考核评价模式，除以终结性理论考试考核学员理论知识的掌握情况外，增加过程考核成绩，对学员运用多领域知识综合解决问题的创造力、沟通交流能力、批判性思维及其精神品质、价值观念进行评价。具体做法是，教员根据每个专题实验完成和汇报情况为“项目组”打分，项目组的得分决定了对应组成员平均分的区间，项目组成员得分由组长打分和组员互评打分两项加权得到。通过这样的方式，模拟实际工作场景中团队的沟通与合作，培养学员的团队精神。

结语

在新工科背景下，积极进行跨学科教育，发展和建设跨学科课程，培养高素质综合型人才是服务国家人才战略和发展战略的必然要求。气象信息类课程具有明显的跨学科课程特征，对于提高国防科技大学气象海洋学院气象类专业学员的行业信息素养、更好地适应岗位需求，具有非常重要的意义。但跨学科课程是新事物，可借鉴的经验较少，建设难度大，需在实际的教学实践中不断总结完善。本文以“气象信息可视化”课程为例，对课程的教学内容、教学方法进行了探讨，在分析课程建设中主要困难的基础上，提出了课程教学内容整合思路和教学方法改革思路，并取得了较好的效果。通过团队多年的课程建设，“气象信息可视化”课程教学内容、教学方法日趋成熟，教学效果也日趋凸显。近年来，多名学员通过本课程的学习，进入气象信息可视化的领域的大门，多人获得大学“三小”设计大赛一等奖、优秀毕业设计，还有多名学员考取该方向研究生。课程教学团队多名教师也获得大学教学能手比赛一等奖、二等奖，教学效果显著。该课程的做法可为此类跨学科课程的建设提供借鉴，也可为其他领域跨学科课程建设提供参考。