气象类专业Matlab课程教学探索与思考

1、    气象类专业matlab课程教学探索与思考    寇蕾蕾【摘 要】气象类专业学生需要处理来自地面站、探空站、气象雷达、气象卫星等各种观测手段的不同类型和格式的资料，matlab具有强大的数值计算和可视化显示功能，使得处理和分析各种气象资料变得方便和快捷。本文介绍了气象类专业matlab课程教学工作的相关问题，从教学目标的制定、教学内容的设计、教学方法的选择对气象类matlab教学进行了探索与思考。使学生在掌握基本编程能力的同时，能深入理解专业课程内容，培养学生理论结合实践、综合分析和应用气象资料的能力。【关键词】气象类专业 matlab 气象资料应

2、用气象类专业包含大气科学、大气物理、大气探测、应用气象等各类与气象有关的专业学科。不同专业的培养要求不尽相同，但气象类专业的共通特点即是要处理和应用各类气象资料。处理和应用各类气象资料需要专业的读取和显示资料的能力，同时也需要通用的分析数据和数值计算的能力。我校根据学校的专业特色及学生技能需求，在纵观各种编程软件和绘图软件优缺点的基础上，于2011年开设了专门针对气象类专业学生的matlab程序设计课程matlab在气象中的应用。经过这几年的教学实践，在教学内容和教学方法上做出了一系列的探索和改进，有效提高了课程教学的质量，培养了学生分析和处理专业资料的能力。一、气象类专业matlab教学的意

3、义随着气象业务的不断发展，越来越多的观测手段使得气象数据格式变得更加繁多，如二进制、文本（txt）格式、表格（excel）格式文件，以及hdf、grib、netcdf等通用数据格式文件。气象类专业学生不仅需要掌握各种专业理论基础知识，还需具备处理和应用各种气象资料的实践能力。而气象资料的应用包括将气象数据读取、分析以及更进一步的综合处理，这对使用者提出了较高的要求。matlab软件包含丰富的工具箱与模块集，不仅有常规的读写文件的能力，还有与专业数据格式相应的数据库，从而使得读写和处理各种格式的气象数据变得简单。因此在气象类专业可以考虑使用具备强大数值计算和可视化能力的matlab软件实现数据提

4、取分析以及可视化输出。二、气象类专业matlab教学探索结合气象类专业课程特点和学生实践技能需求，对气象类专业的matlab程序设计课程的教学内容和教学方法进行了探索和拓展，并取得了良好的教学效果。以下列出了课程设计方面的一些主要内容，供理工类应用型课程的教学建设参考。（一）教学目标的制定为了更好地安排理论课和实践课教学内容，在内容设计前先制定教学目标。教学目标的制定主要依据如下三个原则：课程总体要求，学生实际以及社会需要。对于气象类专业学生，专业课中所涉及的气象资料主要包含地面观测、探空、雷达、和卫星资料，因此教学目标的制定须联系学生所学专业课的实际需要。另外，随着气象业务的发展和气象部门对

5、毕业学生的社会需求，教学目标的制定也应与时俱进。基于以上三个原则，matlab教学目标主要分为两大类：一类是掌握matlab编程的基本理论和技巧，另一类是学会利用matlab处理各类气象资料。具体每次课程的教学目标制定又融合于每次课程的教学内容中。如利用matlab处理气象资料又分为读写不同格式的资料、资料的统计分析以及拟合插值等、气象图像的去噪增强等。（二）教学内容的设计matlab在气象中的应用主要包含四大模块：气象数据处理，图形绘制，数据分析，图像处理。matlab课程主要内容之一是这四大模块内容的应用和实现。另外，在内容的编排设计上还须考虑了maltab语言自身的基本语法和特点的介绍。

6、以下是教学内容设计的具体方案：（1）理论教学和实践教学的分配。matlab是一门实践性很强的课程，而相应的理论知识又不能缺少，这样才能保证学生既能将学到的知识投入应用，又能具有一定的深度理解。时间分配上，理论教学和实践教学可并驾齐驱。内容分配上，理论和实践大致对应，但在实践教学的内容上，还会加强理论在专业资料处理应用上的实践。（2）基本原理和专业应用教学的分配。matlab将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化等诸多功能集成在一个易使用的视窗环境中，因此其涵盖内容繁多。但对于气象类专业学生，其主要目标是各类气象资料的处理应用，因此在基本理论课程上主要涵盖三章内容即可：matlab简介和语法、ma

7、tlab矩阵创建和处理、matlab图形绘制。而专业应用则结合了气象专业的课程目标和特点，主要涵盖以下四章内容：matlab读写常规格式数据文件、matlab读写通用数据格式文件如netcdf和hdf文件、利用maltab进行数据分析、气象图像处理。其中前两章是关于气象资料的读写，后两章是关于气象资料的分析处理和应用。（3）专业实践和综合应用实践的分配。在实践教学中不仅要考虑基本理论和专业的实践，还要涉及专业实践和综合应用实践的分配。例如，一次实践课程安排为作图实验，即各种作图练习和应用的专业实践，而在文件处理的实践中既要实现气象数据的读取，也要以作图的形式将结果显示，还要对读出的数据进行统计

8、和插值分析，即综合应用实践。（三）教学方法的选择根据学生专业的特点，依据教学目标和教学内容，对教学方法进行了探索。（1）理论教学方法的选择。理论教学过程中除了运用常规课堂的教学方法如讲授法、提问法外，还主要考虑了以下三点：理清逻辑关系、加强实例的演示、实例的选择，结合专业的特点。理清逻辑关系即要建立matlab理论知识和气象类专业知识的联系，本课程内各章节之间的联系，每章内各知识点之间的联系。将这些联系作为经纬线，串接起来讲授内容，使学生可以纲举目张、举一反三，加深对知识点的理解。由于matlab课程实践性很强，因此在matlab理论教学中安排了大量的实例演示，通过现场展示，让学生对知识点有了

9、更直观的了解，并对实践训练有了先验的感性认识。每次课程的每个知识点都有2个左右的实例，每次课堂教学都提供了将近20个实例，每个实例都可以直接拷贝到matlab软件中运行，从而帮助学生加强理解和实践。除此以外，实例的选择还结合了专业的特点。例如，在pcolor作图函数的讲解和演示中利用了天气雷达数据，从而通过代码的编写和天气雷达图像的显示，使同学更好的了解了此函数的编写以及在专业知识中的应用。（2）实践教学方法的选择。实践教学方法主要考虑以下三个方面：实践教案的编写、实践习题的选择、实习报告的填写。每一次实践课程都有一个完善的实践教案，其中包括本次实验的目的、实验方案、实验习题、实验结语。实验方

10、案将本次实验课程内容进行了简单的归纳和整理，通过举例对完成本次试验的方法和途径进行了展示，从而方便学生更好的完成本次实验内容。对于实践性较强的课程，学好的主要途径即是多动手。因此，在每一次实践课程中都安排大量的相应练习。实验习题的选择主要考虑了基本理论的练习和专业技能的练习。如matlab文件处理这一章的实践教学中，其中两道习题是简单的常规的文本文件读写，其他习题则处理专业气象资料，如利用matlab读取2012年6月ncep资料中的气压数据，并画出等压面图像。每次实践课程后都要有一份完整的实验报告，包括实验习题的完成情况、本次实验的感想等。除此以外，教学过程中还加强了教学反馈。首先，在实验课

11、上，根据学生实践的实际情况及时与其讨论和交流，同时也激励学生主动咨询和提问；其次，基于上交的实习报告，把完成情况向学生反馈，并通过电话、电子邮件等多种途径与学生进行讨论。endprint三、 气象类专业matlab课程教学效果通过上述探索，气象类专业的matlab课程matlab在气象上的应用取得了良好的教学效果。在20122013第一学期的大气探测专业matlab课程教学的学生评教中，matlab课程的综合评价为“优”，其中评价内容包括教学态度、教学方法、教学管理、教学效果等。另外，在最近一次大气探测专业大四学生对编程语言的掌握程度的调研中，80%以上的学生对matlab的掌握程度为“掌握”

12、，其他如c语言等编程语言的主要掌握程度为“了解”或“不熟”。除了编程技巧的掌握，我们更关注matlab在气象专业知识上的应用。通过调查发现，在2013年大气探测专业的本科毕业论文设计中，有60%以上的学生均是选择了把matlab作为编程工具来实现自己的毕业设计。例如，09级大气探测的伍华丽同学利用matlab模拟了多普勒天气雷达谱参数的提取以及性能分析，解帅同学利用matlab进行trmm卫星测雨雷达三维降水结构特征的个例分析。从以上可以看出，基于气象类专业的特点，开设专门的matlab课程是非常有意义的，matlab在气象数据模拟分析、气象资料处理和可视化显示中均得到了很好的应用。【参考文献

13、】1frederick k. lutgens， edward j. tarbuck， dennis g. tasa. the atmosphere： an introduction to meteorologym. prentice hall， 2010.2周建兴. matlab从入门到精通m. 人民邮电出版社， 2012.3ma li， jiang zhihong， li hao， wu dan. the combination of java with matlab apply to meteorologyc. international forum on information technology and applications， 2009（3）：392-395.4杨雪梅. matlab应用于信息与计算科学专业教学的实践与体会j. 教学研究， 2010， 33（5）： 49-52.5常胜， 黄启俊. 融合专业主