基于“核心素养”导向的气象学专业研究生实验课教学改革实践

摘  要：培养核心素养是研究生教育的重要目标。气候预测建模实验课致力于培养气象学研究生的核心素养，通过做气候分析和预测相关的实验，提高研究生的动手能力，增强科学技术素养;通过数学原理讲解和数学建模，夯实理论基础，提高研究生的数学素养;将思政元素融入到实验课中，增强研究生的社会责任感和社会服务意识。课堂引入前沿知识，拓宽研究生的学术视野。通过这样的教学改革实践，气象学研究生的培养质量有较大的提高。

关键词：核心素养;实验课;研究生

中图分类号：G643      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2022）19-0142-05

Abstract： Cultivating the key competency is an important goal of the graduate education. The experimental course "Climate Prediction and Modeling" is committed to cultivating the key competencies of graduate students majoring in Meteorology. This course can improve the practical ability of graduate students and enhance their scientific and technological literacy by doing experiments related to climate analysis and prediction. It can consolidate its theoretical basis and improve the mathematical literacy of graduate students by exploring mathematical principles and practice mathematical modeling. It can enhance the social literacy， sense of responsibility and sense of social service of graduate students by integrating ideological and political elements into the experiment course. It can broaden the academic vision of graduate students by introducing the cutting-edge knowledge in class. Through such teaching reform， the teaching quality of Meteorology graduate students has been greatly improved.

Keywords： key competency; experimental course; graduate student

中国的教育改革历经几十年的发展历程：在20世纪70年代，中国教育的目标以强化基础知识、培养基本技能为主。到了80年代，教育目标转变为发展智力和培养能力。90年代，提出了培养学生综合素质的新目标，强调“德育为先，能力为重，全面发展”。随着教育改革的不断推进，2014年《教育部关于全面深化课程改革落实立德树人根本任务的意见》发布，正式提出了培养“核心素养”的教育目标，成为当前教育研究和教学实践关注的重点。

此后，核心素养在广大中、小学课程中得到了广泛的实践和持续的研究。但高校的研究生教育如何构建以核心素养为目标的课程教学体系还没有得到重视和研究。研究生教育是最高层次的教育，肩负着为建设创新型国家培养大批拔尖创新人才的重要使命[1]。因此，需要进一步明确研究生核心素养的内涵，创新研究生的课程培养体系和课程教学方式，使研究生能够比本科生具备更高阶的学习能力、生活能力、独立探索能力、创新能力和批判思维能力等，培养他们的科学精神和科学素养，使其成为更具竞争力的高层次人才。为此，国防科技大学气象海洋学院在气象学专业研究生的气候预测建模实验课程中积极开展了以“核心素养”培养目标为导向的教学实践改革，为提高国防科技大学研究生人才培养质量和学校“双一流”建设进行了积极的探索。

一、“核心素养”的内涵

核心素养的英文表达是“Key Competencies”。“Key”是指核心的、最重要的、关键的，而“Competencies”是指能力。可见，“核心素养”从英文表达来看是指最关键和重要的能力。1997年12月国际经济合作和发展组织 （OECD）开启了国际学生评估计划，并通过此项计划同步启动了“素养的界定与遴选：理论与概念基础（DeSeCo）”项目。通过几年的研究，OECD在2002年的DeSeCo报告中给出了“素养”定义，即成功地满足要求或完成任务的能力，包括认知能力和非认知能力[2]。而“核心素养”是指特定的能力，是指能够使个人有效参与多项竞争或社会领域活动，帮助个人在社会中成功生活的能力。核心素养包括行动能力、交互使用工具（语言、知识、信息和新技术）的能力以及适应社会群体和发挥作用的能力。在2005年DeSeCo项目发布的《行动纲要》里进一步延伸了核心素养的内涵，即为个人实现自我价值、促进终身发展、融入主流社会和充分就业所必需的知识、技能及态度的集合[3]。此后，欧盟、联合国教科文组织以及美国、澳大利亚等国家纷纷提出了“核心素养”的解读和界定，虽然各国家和组织提出的核心素养的内涵有所区别，但基本涵盖了以下素养：语言素养、数学素养、学习能力、问题解决能力、沟通和交流、团队协作、信息技术素养、自我规范能力、创新和创造力和国际视野等[4]。

二、气象学专业研究生的核心素养要求

气象学是大气科学的一个分支，是研究大气中物理现象和物理过程及其变化规律的学科。现代气象学的发展经历了两百多年的历史，是一门年轻的学科。在十八世纪的萌芽阶段，人们以经验和感性的认识来解释天气现象。伴随着物理学和化学理论的发展以及气压、温度、湿度和风等测量仪器的陆续发明，气象学的发展开始由定性的判断转为定量的分析和预报。在近代，计算机技术、雷达、激光和卫星等探测新技术的飞速进步，大大促进了气象学的发展。特别是近几年来，信息科学和技术的发展，海量气象大数据（包括地面、高空、海洋、辐射、农气、雷达、卫星资料等数据）的广泛应用，以及人工智能技术的普及和应用，使得天气预报和气候预测的准确率越来越高，气象学的发展步入到新的时代。

在这样的发展背景下，必然对气象学专业研究生的核心素养提出了更高的要求。气象学专业的研究生是从事气象学科中大气物理、大气探测、大气化学、气候学、海气相互作用等领域研究的高层次人才。而从气象学发展史来看，气象学的发展得益于物理学、化学等科学的发展，因此，气象学专业的研究生首先需要具备深厚的科学素养，打好科学理论基础，才能更深入地理解支配大气运动、天气和地球系统相互作用的物理规律。

万物皆数，气象学也不例外。气象学是一门理科学科，是以数学为基础的学科，所有的气象学理论均可以通过数学去表达。如目前所有的数值天气预报模式，其动力框架都采用同一套大气动力学方程组，且其他物理过程，如降水过程、陆面过程、海气相互作用等都是用数学公式来描述的。可见，要理解气象学理论必须要具备扎实的数学素养。

而在信息化时代，气象大数据迎来了大爆发，海量的气象大数据中蕴含着大量不为人知的联系和奥秘。要能利用好卫星、雷达、飞机和船舶等测量的气象大数据，从中提取有用信息应用于天气预报和气候预测，并借助人工智能技术提高天气气候预报的准确率，需要研究生具备学习、掌握和利用这些新技术并应用于气象的素养。

我国的气象学虽然已经取得了长足发展，但与国外仍然有一定差距，这就要求研究生要有国际视野，善于学习国外的先进理论成果和经验。而且，气象专业的研究生毕业后，大多进入到气象保障的服务行业中，而气象方面的工作大多社会服务性强，公众关注度高，因此需要气象学研究生具备很强的社会责任感和社会服务意识等素养。此外，作为气象学的研究生，要和其他研究生一样，具备学习能力、发现问题和解决问题的能力以及创新能力，这些素养是气象学研究生和其他专业研究生的通用核心素养。

三、以核心素养培养为目标的实验课教学实践——以气候预测建模实验课为例

实验课是以做实验为教学方式的课程，对于学生加深理论知识的进一步理解和提高动手能力具有重要的意义。而气候预测建模实验，是国防科技大学气象海洋学院气象学专业研究生的一门选修课，该课程系统介绍各种气候预测方法的数学原理和物理基础以及目前最常用的气候预测建模方法，并提供大量预测实例、气象数据和参考程序供研究生做气候预测实验，是一门应用性强、理论与实践紧密结合的课程。该课程是我院大气科学学科气候变化与国防安全研究方向的重要内容，对于研究生掌握气候预测建模方法，研究短期气候预测技术和气候变化机理，从事气候研究和气候预测保障工作有重要意义。而为了培养气象学研究生的核心素养，我们对实验课做了以下改革实践。

（一）提高科研实践能力，增强科学技术素养

研究生和本科生一大不同点在于：研究生开始进行科学研究的系统训练，需要具备独立开展科学研究的能力。因此，科学素养是其要打造的最重要的核心素养之一。美国科学促进委员会在“2061计划”丛书中的《面向全体美国人的科学》中给出的科学素养的定义为：熟悉自然界、尊重自然界的统一性;懂得科学、数学和技术相互依赖的一些重要方法;了解科学的一些重大概念和原理;有科学思维的能力;认识到科学、数学和技术是人类共同的事业，认识它们的长处和局限性。同时，还应该运用科学知识和思维方法处理个人和社会问题[5]。可见，科学知识、科学思维、科学精神和应用科学技术的能力是核心素养的主要要素，需要实验课也要围绕着培养研究生科学素养这一教育目标和几大要素来开展教学实施。

因此，气候预测建模实验课瞄准提高研究生科学素养这一目标，对研究生需要具备的基本科研实践能力，包括编程能力、绘图能力和撰写科研论文的能力等进行了针对性的训练。首先，编程和绘图软件是进行气象学研究必备的工具，实验课的所有实验需要通过一些计算机语言编程实现，并通过绘图软件进行可视化分析。气象上常用的编程和绘图工具包括Fortran、Matlab、Python、NCL和Grads等，而国防科技大学的人才培养方案已经设定在本科阶段学习Python、Matlab、C等计算机编程语言，但这些本科生在进入研究生阶段后，还不具备熟练运用这些计算机编程语言以及绘图工具进行气象数据的编程处理和可视化绘图的能力。为提高研究生的计算编程能力，我们精心设计了六大模块的气候分析和预测实验，要求研究生利用计算机编程去实现实验目标。但对研究生采用哪种工具语言并不设限，只要擅长使用即可，鼓励他们提供不拘一格的实验方法和实验结果，这是一种适合研究生的个性化培养的方式。通过这些实验的训练后，本科阶段有较好计算机学习基础的研究生可以很快上手编程实现自己的想法，并对结果进行绘图可视化分析，为他们从事后面的课题研究和完成毕业论文打下坚实的基础。

另外，这门课的实验报告要求完全按照科研论文的写作要求进行撰写，即研究生提交的实验报告，必须涵盖科研论文所必备的几块内容：引言、数据和实验方法、结果分析和小结。其中，如何对图进行分析表达，图、表的绘制方式，以及图题和表题的撰写方式，老师都会给予细致的指导和要求。对于部分工作量大、难度较高的实验，要求他们分成3～4人的实验小组进行实验，小组成员之间需要深度合作，才能完成课题。且在提交团队实验报告时，需要标注团队每个成员的贡献，这也是现行国际高档次SCI期刊的要求。通过这样的训练，研究生可以了解科研论文的写作模式，迅速掌握科研论文写作技巧，为后面撰写科研论文和毕业论文打下基础。