1、教学理念 大气探测技术实验教学中心是面向电子信息工程(大气探测方向、雷电防护科学与技术方向、气象信号处理方向)、大气科学、应用气象学、遥感科学与技术、环境工程、环境科学、地理信息系统等9个专业(方向)进行实验实习教学的综合性实践教学中心。中心拥有综合气象观测技术、气象信息分析与处理技术、大气探测技术虚拟仿真实验教学中心、科学研究、校外实践等5个高水平实验教学平台(如图1所示),是国内气象探测领域规模最大、教学环境最好、培养人才最多、教学特色鲜明的气象类专业实践教学中心。全国气象业务系统70%以上的大气探测技术业务骨干、中国民航50%以上的气象预报与装备保障人才均在该中心进行过实验实习培训,承担了中国气象局、中国民航局所有气象雷达机务理论培训任务。 图1 大气探测技术实验教学中心实验教学平台 中心以理念革新引领实验教学方法和手段的不断创新,在多年的实验教学过程中确立了“气电结合、学科交叉、夯实基础、强化应用、注重创新”的实验教学理念。 在实验教学中,引入CDIO工程教学模式,通过科研与实验教学相互融合,不断提升学生的工程实践和创新能力。通过行业和企业的深度参与,培养学生的企业文化素养和适应社会的能力。学校于2010年成为教育部首批“卓越工程师教育培养计划”试点高校。 2、实验教学体系 根据中心的实验教学定位,建立既能有效支撑理论课程教学体系又具有相对独立性的实验教学体系,克服传统实验教学的主要缺点:实验项目根据理论课程特定知识点的需求而设置,缺乏整体性和系统性;实验项目多以演示性和验证性为主,综合性和设计性项目比例较少;实验项目考虑理论知识点过多,未能与行业和企业的实际业务需求相结合。 中心从人才培养体系的整体出发,以培养学生工程实践能力、科技创新能力和业务应用能力为核心,构建了“两结合、三模块、四层次”的大气探测技术实验教学体系(如图2所示)。 图2大气探测技术实验教学体系 “两结合”:大气探测技术既需要大气科学理论基础知识,又需要电子、计算机等工程技术。因此,中心在构建实践教学体系时,充分考虑了“理工结合”和“气电结合”,其中“理工结合”是指在实验课程及实验项目设置中既包含理学实验,侧重对相关基础理论知识的理解,又包含工学实验,侧重工程实践能力的培养,体现了学科交叉特色;而“气电结合”是指在单科性实验的基础上,强化了电子、计算机技术与大气科学理论知识交叉结合的实验课程及实验项目,从而使学生既掌握大气科学基础知识,又掌握电子、计算机等技术,能将电子、计算机等工科技术熟练应用于气象探测领域。如图2中阴影部分所示。 “三模块”:针对大气探测工程技术人才培养的特点,需在夯实学生基础的前提下,强化其应用实践能力,并注重其创新精神的培养。因此,中心将实验课程及项目整合成“基础型、应用型、创新型”三个实践教学模块,基础模块主要培养学生大气科学和电子信息基础知识和能力;应用型模块主要培养学生大气探测实践技能、大气探测仪器设备的使用、维护和保障能力以及观测资料的分析、处理和应用能力;创新型模块主要是在学生具备了大气探测技术所需的“气电结合”基础知识和工程应用能力的基础上,能够针对现有气象探测技术、仪器及业务流程和规范等,培养学生发现问题、解决问题的能力,具有创新思维。 “四层次”:是指在“三模块”的基础上,将实验内容分为验证型、综合型、设计型、业务型四个层次。 “验证型”实验的教学目的是让学生了解、熟悉大气科学基本原理、现象以及天气现象的发生、发展及消亡等过程,气象探测仪器的基本原理、数据及性能表现形式、使用及基本实验方法等,为综合型、设计型及业务型实验奠定理论基础。例如:大气现象的模拟验证类、气象观测仪器使用类实验等。 “综合型”实验的教学目的是培养学生综合利用相关课程的基础知识,借助测试、分析仪器、工具及软件,发现并解决观测系统存在的问题,或者从观测资料中发现有用气象信息,分析天气现象、过程等,开展气象预报及各类气象服务的能力。例如,各类气象仪器的计量检定实验、基于卫星遥感资料的各类天气现象或过程的分析实验、基于雷达观测资料的各种天气现象或过程的分析实验、基于气象观测资料的各类气象预报、服务实验等。 “设计型”实验主要是依托学校“中国气象局大气探测重点开放实验室”、“高原大气与环境四川省重点实验室”、“中国气象局气象探测工程技术中心—气象雷达信号处理分中心”、“四川省大气探测技术及装备工程技术研究中心”以及多个四川省高校重点实验室等科研平台,吸纳学生参与教师科研项目,开展气象观测传感器、模块、仪器、系统的设计,各种卫星遥感观测产品、雷达观测产品以及气象预报、气象服务产品的设计等,培养学生的创新精神和能力。 “业务型”实验主要紧密结合气象业务流程,以实际气象业务系统的操作技能、预报及服务流程和技能为核心,使学生通过中心的实践实训,能直接接触气象业务系统的先进仪器设备和技术,毕业后能快速适应工作岗位要求,能够发现并解决气象业务系统存在的问题,促进气象业务系统的改革和发展。例如:中心建立了能够业务运行的气象预报会商系统,学生可以参与中央气象台和四川省气象台的实时气象业务会商;气象雷达机务培训项目可以使学生熟悉气象观测系统各类在网雷达的结构、原理、使用及维护等,具备气象雷达机务岗位所需的各种技术能力,因此,不仅面向本校学生,而且面向全国气象、民航等系统业务一线的雷达机务人员培训。 根据大气探测技术实验教学体系结构及人才培养目标要求,以及气象业务实际需求,基于中心形成的5大实验教学平台,共面向9个专业开设各类实验、实习和实训课程88门,开出必修和选修实验教学项目共计440余项(见表2),实验开出率达97%以上,详细实验列表见附件05。 表2 大气探测实验教学中心实验项目统计表
体系结构 |
实验课程名称 |
实验 个数 |
实验 学时 |
学生 人次 |
综合气象观测技术实验教学平台 |
气象雷达实验室 |
气象雷达原理与系统 |
4 |
8 |
240 |
气象雷达实习 |
8 |
16 |
240 |
雷达气象学 |
2 |
4 |
240 |
综合气观测场 |
气象探测原理 |
5 |
10 |
240 |
特种气象观测技术 |
6 |
16 |
240 |
综合气象观测实践 |
9 |
16 |
240 |
应用气象学综合实验 |
10 |
24 |
320 |
工程导论 |
9 |
16 |
320 |
大气电子实验室 |
气象电子综合设计 |
2 |
16 |
240 |
工程实践 |
5 |
16 |
160 |
工程实践 |
5 |
16 |
80 |
电工原理 |
4 |
16 |
240 |
电子技术综合设计(I) |
17 |
32 |
160 |
电子技术综合设计(II) |
8 |
32 |
80 |
DSP器件及其应用 |
5 |
10 |
240 |
基于项目驱动的应用系统设计 |
5 |
10 |
240 |
数据采集技术 |
6 |
12 |
240 |
DSP技术 |
5 |
10 |
240 |
ADSP技术及应用 |
5 |
10 |
240 |
软件综合设计 |
4 |
16 |
400 |
现场可编程门阵列设计 |
8 |
16 |
240 |
信号与系统A |
4 |
8 |
240 |
信号处理实验与设计 |
3 |
16 |
80 |
信号处理硬件综合设计 |
6 |
16 |
80 |
气象仪器计量检定实验室 |
气象仪器计量检定技术 |
6 |
12 |
240 |
遥感遥测实验室 |
卫星气象观测综合实践 |
10 |
32 |
160 |
雷电电子工程实室 |
雷电科学基础 |
2 |
4 |
240 |
防雷工程 |
7 |
24 |
80 |
防雷装置与器件 |
5 |
10 |
80 |
低压电气系统 |
2 |
4 |
80 |
高电压技术 |
2 |
4 |
80 |
防雷工程设计 |
3 |
16 |
80 |
雷电灾害风险评估 |
3 |
16 |
80 |
雷电记录系统设计 |
3 |
16 |
80 |
工程实践 |
5 |
16 |
80 |
电磁场与电磁波技术实验室 |
电磁场与电磁波 |
4 |
8 |
240 |
微波技术与天线 |
4 |
8 |
240 |
射频电路(双语) |
4 |
8 |
240 |
微波电路与器件 |
4 |
8 |
240 |
微电路EDA |
5 |
10 |
160 |
微波测量技术 |
4 |
8 |
160 |
频率合成技术 |
3 |
6 |
160 |
微波电路设计 |
1 |
4 |
160 |
电磁仿真设计 |
2 |
4 |
160 |
微波集成电路设计 |
2 |
4 |
160 |
微波电路 |
4 |
8 |
160 |
气象信息分析与处理技术实验教学平台 |
天气分析与预报实验室 |
数值天气预报 |
4 |
8 |
320 |
统计天气预报 |
3 |
6 |
320 |
现代天气预报业务系统 |
8 |
16 |
320 |
天气分析预报综合实验 |
14 |
32 |
320 |
毕业实习 |
11 |
32 |
320 |
中小尺度天气学 |
1 |
2 |
320 |
天气诊断分析 |
1 |
2 |
320 |
大气模拟实验室 |
天气学原理 |
2 |
4 |
560 |
大气流体力学 |
1 |
2 |
240 |
动力气象学 |
1 |
2 |
240 |
大气模拟实验 |
2 |
4 |
240 |
综合气象观测数据处理实验室 |
数值计算方法 |
4 |
8 |
320 |
信息构建与传播 |
4 |
8 |
240 |
气象图形软件应用 |
4 |
8 |
400 |
FORTRAN程序设计 |
8 |
16 |
400 |
数字信号处理 |
5 |
10 |
80 |
数字信号处理(双语) |
4 |
8 |
80 |
数字图像处理 |
4 |
8 |
80 |
高级程序设计语言A |
5 |
10 |
80 |
高级程序设计语言B |
5 |
10 |
80 |
信号处理仿真及应用 |
10 |
16 |
80 |
数字视频信号处理技术 |
2 |
4 |
80 |
语音信号处理 |
3 |
6 |
80 |
应用气象实验室 |
应用气象预报 |
3 |
6 |
320 |
农业气象学 |
1 |
2 |
320 |
公共管理学 |
1 |
2 |
80 |
大学化学实验Ⅰ |
9 |
16 |
400 |
大学化学实验Ⅱ |
10 |
16 |
400 |
环境常用软件 |
6 |
12 |
160 |
大气污染控制工程实验 |
5 |
16 |
160 |
水污染控制工程实验 |
6 |
16 |
160 |
环境工程原理课程设计 |
4 |
16 |
160 |
大气污染控制课程设计 |
4 |
16 |
160 |
工程实践 |
21 |
16 |
160 |
环境微生物 |
5 |
10 |
160 |
环境影响评价综合实践 |
2 |
16 |
160 |
环境监测实验 |
9 |
16 |
160 |
固体废物处理与处置实验 |
7 |
16 |
160 |
污染源调查 |
3 |
6 |
160 |
气象观测资料应用实践 |
2 |
4 |
880 |
公共气象服务 |
4 |
8 |
640 |
GIS应用技术 |
2 |
4 |
240 |
2、教学方法和手段 中心针对气象业务的发展需求和学生工程实践能力的培养,基于“教研融合、资源集成、联合培养、探索创新”的实验教学改革指导思想,充分利用现代信息技术,开展开放式、互动式、研究式相结合的实验教学。同时,借鉴长期承担中国气象局气象业务培训的经验,创立了特色鲜明的雷达机务、地面气象观测、雷电灾害防护等业务培训教学和天气预报会商教学的本科实验教学方法。 (1)引入网络化、多媒体等现代信息技术手段,开展开放式、互动式和研究式相结合的实验教学。 中心拥有完善的网络多媒体实验教学平台,实现了教学目标开放、实验教学内容开放和实验教学过程开放,支持实验教学项目的设计、课件发布、视频演示等功能,并建立有互动区域,通过多种通信手段(qq,微信、邮件等),完成实验预约、实验设计提交与指导、实验小组自主组队、实验结果分析、实验疑难解答等任务。 中心依托学校大气科学、大气探测学科的传统优势,把优质科研实验资源引入实验教学中,以自愿原则成立由学生自主组成的实验研究小组,引入科研实验室学术带头人、青年骨干教师等,参与指导学生实验;将最新科研成果转化为教师自制仪器设备和带研究性质的科技创新实验项目,使实验设备和实验内容面向当前气象探测技术发展前沿,让学生掌握气象探测的最新技术和方法;让学有余力的学生提前进入省部级重点科研实验室,在指定教授指导开展科学研究;贵重精密和大型设备(主要为虚拟仿真实验平台)对本科学生进行开放。中心在实践教学中,重视与学生之间的互动交流,搭建师生互动网络平台,充分发现实验教学中涌现的新问题,新信息、新方法和新手段,并整理归纳,形成教学案例库,从而形成科研和教学相互提升的良好局面。 (2)创立了机务雷达、地面自动观测、雷电灾害防护培训教学方法和天气预报会商教学方法 中心建成高于国家标准的综合气象观测场(见图3)、中央气象台同等水准的校气象台和机务雷达培训基地,已承担了中国气象局地面观测人员、机务雷达人员和气象预报人员64批次总计2428人次。中心通过长期积累,将基于业务培训的教学方法应用于本科学生的机务雷达、地面自动观测、雷电灾害防护和会商教学方法应用于天气预报等实验教学中。
图 3 综合气象观测场 案例1:业务培训教学方法 中心根据中国气象局对气象岗位的相关要求,设置了气象数据共享平台业务岗位、透射能见度仪、交通气象站、自动气象站业务岗位、探空雷达业务岗位、毫米波雷达业务岗位、全固态雷达业务岗位、激光雷达业务岗位、边界层风廓线雷达及声雷达业务岗位、雷电灾害防护业务岗位等,采取多批次轮训的方式开展气象岗位的业务培训,覆盖所有气象探测相关专业学生。 表3机务雷达、地面自动观测部分业务岗位一览表
岗位名称 |
每批人数 |
岗位要求 |
管理办法 |
指导 教师 |
探空雷达业务岗位 |
20 |
(1)下午7点打开L波段探空雷达跟踪温江气象观测场放球,每周1~2次;(2)观测雷达工作是否正常及定期清理维护; (3) 特殊时刻观测:除常规观测时间外,其它时间有领导参观或老师需要获取相应天气的数据时,配合开机观测。 |
在制定的放球时间抽查; 定期检查雷达运行状态。 |
王江 |
毫米波雷达业务岗位 |
20 |
(1)维护雷达的正常运行,雷达无法正常工作时,及时联系负责人; (2) 常规观测:每周根据天气情况开机运行一次或两次,将观测数据存档保存相应的图像,并做好相应的记录(包括天气情况、运行时间、运行方式等); (3) 特殊时刻观测:除常规观测时间外,其它时间有领导参观或老师需要获取相应天气的数据时,配合开机观测。 |
结合每天的天气情况,根据记录的完整性对岗位进行考核管理,确保有天气事件时数据不缺失。 |
王旭 |
全固态雷达业务岗位 |
20 |
(1)全固态气象雷达日常观测:包括按规定时间开机、关机、数据保存等; (2)全固态气象雷达日常维护:包括定期检测雷达工作是否正常、定期进行雷达场地清洁卫生等; (3)协助全固态气象雷达检修,遇有雷达故障时,协助老师完成故障排除与修理; (4)协助对全固态气象雷达进行参观和考察的一些事宜; (5)全固态气象雷达运行情况全程跟踪与记录。 |
每周向雷达管理老师,汇报雷达运行情况 每周检查设备运行记录 每周雷达管理老师不定期检查雷达运行情况和数据存储情况。 |
李学华 |
雨滴谱仪、土壤水分廓线仪、酸雨自动观测设备、紫外辐射测量仪业务岗位 |
20 |
(1)每天上午和下午各查看一次雨滴谱仪终端软件,检查软件是否正常运行。在有降雨发生后,及时将雨滴谱仪数据与自动站雨量数据进行分析对比。对比数据应记录并保存; (2)每周用土壤水分廓线仪现场取测一次土壤水分(不同土壤深度),并在计算机软件终端获取记录数据; (3)每周对酸雨观测设备进行一次维护,检查蒸馏水和KCL溶液。溶液少时要及时添加; (4)每两周清洗维护一次仪器。 |
1、考核学生是否到岗。 2、雨滴谱分析数据和土壤水分观测数据作为工作量考核指标。 |
张素娟 |
微波辐射计的业务岗位 |
20 |
(1)客观条件允许时,保证微波辐射计全天24小时正常工作,故障时及时进行维护、报修; (2)软件运行维护,包括数据传输、保存、处理等; (3)微波辐射计天线罩的清洁工作。 |
做好维护、维修记录,定期汇报,不定期抽查 |
刘海磊 |
透射能见度仪、交通气象站 、自动气象站业务岗位 |
20 |
(1)每天记录人工观测天气一次、记录仪器观测数据一次; (2)每天记录百叶箱干湿球温度、水银气压自动站仪器观测数据一次。 |
每月审查记录册,缺失10%以上不合格 |
卢会国 |
案例2:会商教学方法 中心充分利用四川省气象局气象台多媒体双向会商系统,组织学生参加我国气象实时会商讨论,学习全国范围内的关键性、灾难性和敏感型预报,中心同时邀请国内外一线的首席预报员现场或远程对学生进行业务指导,训练学生建立不同区域、不同季节、不同种类天气的预报能力为着眼点,形成正确的、物理意义清晰的预报思路,使学生熟悉台站气象业务构成、对应技术路线、业务关联和实际业务需求。 在本科生大四预报实习期间,每天早上8:30开始,学生在天气预报大厅实时观看由中央电视台主持的全国各地重要天气过程的视频会商,由发生重要天气过程的各省气象台首席预报员汇报本地区近期天气特点、预报能力为着眼点、预报思路、预报结论等,再由中央、其他省的首席预报员对该地区的预报进行点评和讨论,特别是有不同意见时要经过反复讨论,最后形成一致的预报意见。在此过程中,中心教师和学生可以提出不同意见,供专家参考。学生通过这一教学模式能够掌握预报技巧,吸取其他预报员的成功经验,梳理出预报思路、着眼点、关键环节等重要的预报路线。
图4(a)中央气象台会商室 (b)学校中心气象台会商室 (3)根据气象业务特殊需求,搭建虚拟实验教学平台,开展虚拟仿真教学 气象探测技术实验教学中有其特殊的环境和设备要求,例如新一代多普勒气象雷达、边界层风廓线雷达、毫米波测云雷达等气象探测仪器设备属于精密贵重仪器,价格昂贵,一台套的价格上百万,无法满足多人次实验的实施;同时强风、暴雨、龙卷等天气过程是随机事件,在学生开展实际观测实验时几乎不可能遇到这些真实的天气过程,即使遇到,也不可能在这些天气条件下开展实际观测。 中心秉承“虚实结合、以实为主、能实不虚”的原则,建成虚拟仿真实验教学平台,建成了气象观测产品虚拟仿真实验教学系统、气象雷达仿真实验教学系统、自动气象站仿真实验教学系统、雷电科学与防护技术仿真实验教学系统、微波毫米波仿真实验教学系统,其中气象雷达仿真实验教学系统包括基于Simulink的气象雷达系统仿真实验教学子系统、气象雷达模拟与故障诊断仿真子系统和气象雷达回波信号模拟及处理教学子系统。 案例3:气象雷达回波信息模拟及处理教学系统 该系统是中心自主开发的一套集真实气象雷达回波信息模拟、接收机性能参数定量测试与雷达信号处理算法验证为一体的新型多功能仿真教学系统(见图5),可以开设包括10个实验项目,通过模拟控制天气回波的参数,实现在实验室内完成对接收机性能参数的定量测试,具有成本低、研发和测试周期短等特点。除此之外,系统还可以对接收机及后端的信号处理的多种算法进行验证并生成多种气象雷达二次产品。 该系统中实验项目之一:气象雷达回波信息的模拟 硬件平台:计算机;数字接收机;E8767信号源(含模块调制组件) 软件系统:通过VC和Matlab构成一套集回波生成和仿真验证软件系统。
图5气象雷达回波信息模拟及处理教学平台示意图 案例4:自动气象站观测仿真系统 成都信息工程学院和中国气象科技集团公司联合开发了多要素气象站数据采集器系统,含数据采集器和业务软件平台。基于该科研成果,配合学校购置的JJQ1自动气象站信号模拟器,搭建了自动气象站观测模拟仿真实验平台,可以开展《自动气象观测原理》、《大气科学导论》等课程主要内容相关的模拟仿真实验,具体包括空气温度观测模拟仿真实验、相对湿度观测模拟仿真实验、风向观测模拟仿真实验、风速观测模拟仿真实验、气压观测模拟仿真实验、雨量观测模拟仿真实验、地温观测模拟仿真实验、蒸发观测模拟仿真实验、辐射观测模拟仿真实验等,使学生在实验室就能很好地了解和掌握各种常规气象要素的观测原理、方法和技术,理解和掌握各种常规气象要素传感器的结构、工作原理、使用和维护,理解和掌握自动气象站系统的组成结构、工作原理、使用和维护等,是真实自动气象站观测实验的有力补充,可以很好地解决基于实际自动气象站观测系统实验开设能力(受台套数限制,开出组数受限)和开设条件(某些要素实际观测需要较长的时间才能观测到其变化,有些要素根据当时的天气现象无实际观测值或观测值为常数)有限的问题。
图6 虚实结合,开展自动气象观测实验教学 3、主要教学成果 中心服务“气电结合、以电为主”的交叉学科,承担电子信息工程(大气探测方向、雷电防护科学与技术方向、信号处理方向)、大气科学、应用气象学、电子信息科学与技术等9个专业的大气探测技术相关实验教学任务,每年实验教学达213600人时数;培养了我国气象业务系统70%以上的气象探测技术骨干人员和30%以上的气象预报员;培养了我国民航空管50%以上的气象装备保障和预报人员;我国四大卫星发射基地的气象装备保障工作者大部分来自我校。 中心十分重视大学生学术科创活动的开展,尤其注重学科竞赛对学生的引导作用。通过学科竞赛的组织,扩大了学生参与面,提高了学生学习兴趣,对教学工作起到很好的助推作用。同时,中心通过这些校内学科竞赛,选拔出一大批优秀的后备人才,并选派经验丰富的指导教师有针对性的进行提高培训,为学生参与国家、省市级各项重点学科竞赛打下坚实基础。 近三年,中心教师指导学生参加各类学科竞赛获全国一等奖24项,二等奖26项,三等奖30项,其中全国大学生电子设计竞赛全国一等奖13项、二等奖15项,获得省级竞赛奖项合计463项、全国大学生电子设计竞赛等学科竞赛获国家1等奖13项,国家二等奖17项(详见附件18)。 培育出了气象防灾减灾宣传志愿者中国行、中国人口普查宣传万里行、湿地使者行动、无偿献血宣传服务等享誉全国的特色科技实践项目。 积极开展在职培训,为大气探测业务的现代化发展提供了人才和技术保障,为各级气象部门和民航空管部门培训大气探测类在职人员64期,总计2428人,在研究生学历教育方面,总计培养大气探测技术类在职研究生373名,已有122名学员顺利毕业(详见附件21)。 与在第二炮兵部队签署协议,培养高素质新型军事气象人才,构建起以培育当代革命军人核心价值观为主线的“国防绿”文化体系,促进了国防生培养质量的提高,牵引带动了校园主流文化建设,产生了良好的军事和社会效益,获四川省高校校园文化建设一等奖,教育部德育创新成果优秀奖,受到解放军总政治部和第二炮兵主要领导充分肯定。共为部队培养661名优秀气象人才(详见附件20)。
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