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《锋面坡度公式的教学实践和总结：1.课程结构和预备知识点》

本文是关于教学实践类硕士学位论文范文跟锋面坡度公式和课程结构和教学实践方面硕士学位论文范文。

摘要：锋面坡度公式的推导与应用是气象类专业主干课程《天气学原理》的重难点之一.尽管方程形式较简单,但学生运用时仍然存在诸多困难.根据教学反馈,锋面坡度公式是本课程中学生最难以理解的部分之一,同时也是锋面分析的重要理论依据.基于此,本文对坡度公式推导时需要用到的预备知识点进行了梳理,以期提高课堂教学质量.

关键词：天气学原理；锋面坡度公式；预备知识

中图分类号：G642.41 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）31-0197-02

一、引言

锋面坡度公式是天气图绘制,尤其是锁定锋面位置的理论依据,如何让学生真正掌握和熟练运用相关理论知识一直是困扰专业课程教师的难题.教学实践表明,多数学生没有真正深入理解坡度公式的潜在应用价值及其与天气分析课程中锋面分析的关系.尽管任课教师反复强调通过锋面时等压线应具备折角或者很大的曲率；或者反之,在定地面锋线时应当考虑等压线的气旋式曲率弯曲和风场上气旋式切变等结构特征,很多学生仍然稀里糊涂,对任课教师所讲述的要点根本不通晓.

在锋面坡度公式的教学过程中,授课教师需将方程推导的来龙去脉讲解清楚,包括方程推导的假设条件、隐含的数学条件和方程的简化与改写,重点讲解锋面坡度公式引申的推论.通过类比的方式,将密度零级不连续假设下的锋面坡度公式,推演到密度的一级不连续假设下的锋面坡度公式.授课教师可以通过天气示意图和实况天气图帮助学生掌握锋面坡度公式的引申推论.只有这样不厌其烦地引导,学生才可能更容易理解和掌握该重点内容,切实将该理论应用到天气分析课程中来,指导天气图绘制.笔者首先重点介绍锋面坡度公式在相关课程中的重要性,总结和梳理了推演锋面坡度公式时用到的各类预备知识点.

二、课程框架

南京信息工程大学大气科学和海洋科学等专业都开设了《天气学原理和方法》系列课程[1],共计十章.前面五章系统讲述了天气学中的基本理论和方法,重点阐述了中高纬度大尺度环流的基本特征；这五章放在《天气学原理》课程中讲述.后面五章主要阐述了控制中国的天气系统和各类天气过程下的环流背景,这些内容放在《中国天气》课程中讲述.《天气学原理和方法》系列课程的学习一般需要花费一整年的时间,该课程是大气科学类专业的核心课程,也是气象学硕士研究生入学考试的必考科目.

为了配合《天气学原理和方法》系列课程的学习,南京信息工程大学大气科学类专业还开设了实践性课程（图1）,即天气学分析系列课程,包括《天气分析基础》[2]和《典型天气过程分析》[3].锋面坡度公式是《天气学原理和方法》第二章一个非常重要的知识点.四门课程都涉及到锋面分析,掌握锋面坡度公式的原理与应用对于巩固这些课程必定大有帮助.

三、几个预备知识点

（一）预备知识点一：气象上常常假设锋面是一个物质面

在学习锋面时,很多学生无法理解什么是物质面.由于课时的限制,学生往往无法将新的概念在原有的知识体系中建立起来[4].而事实上,在讲授锋面时,学生已经先修了大学物理和流体力学等课程,授课教师完全可以在这些课程的基础上给同学们讲授物质面的含义.物质面可以理解成为流体中的一段“刚体”,该“刚体”把两种属性的流体区分开来.这样,学生就会大大加深对物质面这一含义的理解.必须给学生指出,锋面作为物质面是为了推导锋面坡度公式,考虑到大气湍流、辐射和分子扩散等作用,真正意义上的物质面是不存在的.

（二）预备知识点二：地转风公式的普适性《天气学原理和方法》在66页直接写到：“将零级简化的运动方程和静力方程带入锋面坡度公式”.锋面坡度公式中的x和y方向跟局地直角坐标系的x和y方向根本不是同一概念.否则,锋线必须是南北向的,这与事实完全不符.

地转风原理不仅仅适用于普通局地直角坐标系（x-O-y,x指向正东方向,y指向正北方向）,而且适用于广义局地直角坐标系.这里的广义直角坐标系定义为普通局地直角坐标系沿z轴逆时针旋转一定角度,两种坐标公用z轴.在普通局地直角坐标系下,零级简化的运动方程为-塄p/ρ+fV×k軋等于0.在广义的局地直角坐标系下重新展开可得-1/ρ（鄣p/鄣x忆i′+鄣p/鄣y忆j′）+f（u忆i′+v忆j′）×k軋等于0.于是可以得到广义的局地直角坐标系下的运动方程组-1/ρ鄣p/鄣x忆+fv忆等于0,-1/ρ鄣p/鄣y忆-fu忆等于0.去掉撇号将其简洁化,原有的地转关系可在广义局地直角坐标系下继续应用.教材中一笔带过的地方可能隐藏许多知识点,需要授课教师仔细琢磨,这样才能加深学生对锋面坡度公式的认知、理解与应用.

（三）预备知识点三：解读“锋面随高度向冷空气一侧倾斜”

锋面随高度是向冷空气一侧倾斜的,这是推导锋面坡度公式的事实基础.但锋面为什么随高度向冷空气倾斜,也需要任课教师给学生逐条解读.当冷暖空气相遇时,一般冷（暖）空气一侧气压偏高（低）,那么在近地面就会出现由冷空气指向暖空气的气压梯度力.因为暖空气密度一般比冷空气密度小,所以在冷空气向暖空气一侧推移的过程中,暖空气会浮到冷空气之上.同时向右的地转偏向力逐渐改变风向,使之逐渐与锋面平行（事实上二者仍有一定交角）.

（四）预备知识点四：运动坐标系和固定坐标系两个坐标的转换关系在第二章之前没有做任何介绍,需要授课教师提前给学生讲解移动坐标系和固定坐标系下局地变化的关系.假设移动坐标系相对于固定坐标系的移动速度为C軑,则以移动速度V軑运动的质点相对于移动坐标系的速度为V軑-C軑,其个别变化为d/dt等于δ/δt+（V軑-C軑）·塄,其中δ/δt是移动坐标系下的局地变化.在固定坐标系下该质点的个别变化为d/dt等于鄣/鄣t+V軑·塄.个别变化不依赖于坐标系的选取,于是可以得到δ/δt+（V軑-C軑）·塄等于鄣/鄣t+V軑·塄,即δ/δt等于鄣/鄣t+C軑·塄,这就是运动坐标系与固定坐标系的转换关系.如若授课教师按照教材的顺序讲解（第五章）,授课效果将大打折扣.

四、教学体会与总结之一

鉴于锋面坡度公式是天气学分析中锋面分析的重要理论依据之一,如何让学生真实有效地领会、掌握并熟练应用锋面坡度公式的相关推论是困扰大气科学专业教师的难题之一.为了有效地提高教学效果,我们对锋面坡度公式的来龙去脉进行了梳理与总结.第一部分浅谈了锋面坡度公式在相关课程中的重要地位及锋面坡度公式推导前的预备知识点,第二部分则是公式演绎与推论总结[5].

锋面坡度公式的推导本身具有一定的难度,教师在讲解时务必要循循善诱,不能直接把公式推导搬到幻灯片之上.在学生原有的知识框架体系下引入新的知识增长点,则是授课教师该真切思考的.由于在推导锋面坡度公式时应用到了较多的假设与预备知识点,很多学生课上根本无法紧跟教师的节奏,从而产生了畏惧的心理,导致后续学习无法跟进.教师在讲解时可以适当把握节奏,讲这些预备知识点时适时板书,最好能够推演给学生.具备了相关的预备知识点,剩下的推演也就迎刃而解了.

参考文献：

[1]朱乾根,林锦瑞,寿绍文,唐东升.天气学原理和方法[M].北京:气象出版社,2007.

[2]唐卫亚,王丽娟,徐菊艳,侯瑞钦,钱代丽.天气学分析基础[M].北京:气象出版社,2016.

[3]江燕如,王丽娟,钱代丽,郭志荣,徐菊艳,王黎娟,王妍.典型天气过程分析[M].北京:气象出版社,2016.

[4]谭顶良.高等教育心理学[M].南京:河海大学出版社,2006.

[5]饶建,陈丹,胡景高,虞越越.锋面坡度公式的教学实践与总结:2.公式演绎与推论总结[J].教育教学论坛,2018.

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