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探讨可视化课程教学及气象数据分析与NCL语言的有机结合

2020-06-17 306 上传者：管理员

摘要：气象数据分析与可视化课程的教学目标是培养学生分析气象数据和将气象数据可视化的能力。在教学过程中，优化课程内容体系，结合热点问题精心设计实践，有助于提升教学效果。

关键词：
NCL
实践
气象数据
课程内容
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一、引言

气象数据分析与可视化课程是气象类专业中强调实践性的一门课程，通过本课程的教学，可以训练和培养学生对气象数据分析并进行可视化的能力，当遇到设计气象数据的问题时，能够进行分析判断，确定分析数据的方法、可视化方案的选择，能够通过相应的软件或语言实现数据分析与可视化。该课程在学生培养计划中被列为高年级专业选修课，是对前期的概率与统计、气象统计方法等课程的进一步实践，又为未来工作和继续学习打下基础。

二、课程主要工具与语言

本校的气象数据分析与可视化课程在设立之初，对于课程使用的工具和语言进行了对比，当时国内开设该课程的本科院校主要使用绘图软件GrADS、Origin等[1]作为主要工具，这些软件的优点在于操作简便；而近几年气象行业中NCL语言已经非常流行，由于其具有开源、语言简洁、丰富的内置函数、出图美观等特点，在业务、科研领域应用广泛，本校的气象数据分析与可视化课程便选取了NCL语言作为主要工具。选取NCL作为主要工具的优点在于该语言已经较为成熟；既可以对数据进行分析，又可以进行可视化，减少需要学习的软件数量。目前NCL在气象行业中的应用较为广泛，未来学生在工作或继续学习时能够大大减少语言的学习时间。官方网站不仅有相应额手册和论坛，便于教学与实践过程中查找并解决遇到的问题，还有许多实例讲解，针对每一种数据分析或可视化方法都有大量的开源代码，甚至一些常用的分析方法和可视化方法的每一个函数都有若干相应的实例代码，为实践过程中提供了充分的参考，有利于学生的课上课后实践以及进一步的学习。

三、优化课程内容体系

气象数据分析与可视化课程面向的学生主体是学习过基础编程思想和C语言以及Fortran语言的本科生，对高等数学、概率论与数理统计、气象基础理论知识有一定程度的掌握，但对于气象数据、可视化方法接触较少，为了便于更好地进行气象数据分析与可视化实践，在该课程的理论部分中需要优化课程内容体系。

在课程内容的开始，首先设计了对常见气象数据的介绍，包括气象数据的种类、格式、维度，使学生对气象数据有一个初步的了解。接着系统性地介绍常用的数据可视化方法，主要针对气象领域常用的时空数据和地理空间数据[2]。而后再介绍本课程使用的工具———NCL语言的运行、语法等相关理论知识，从这一部分开始，配合上机实践，使学生在实践中更好地掌握理论知识。随后着重讲解气象数据常用的分析方法，包括求和、多种时间空间平均、距平、方差、相关、线性回归等，通过课堂讲解实例来实现函数使用方法的教学，使用课堂练习及课后练习加强对气象数据分析方法的掌握。最后详细讲解气象数据常用的可视化方法，主要包括折线图、柱状图、箱型图、地图、等值线及叠加、矢量图等，同样通过课堂讲解实例来介绍每一种绘图方法，并在每一个实例中加入调整绘图资源属性的一些小知识，比如添加标题、修改坐标轴名称等，在课堂练习及课后作业中也有相应的实践内容，利于强化知识点掌握程度。

课程内容中加入了气象数据及常用可视化的基础性过度内容，主要是为了使没有接触过气象数据和可视化的学习者在课程之初对这两方面先有初步了解，有助于后续课程的教学。在数据分析及可视化的主体内容教学过程中，主要选取常用的方法，一方面这些方法在数据分析和可视化中属于基础地位，方法简单但极常用[3]，可以满足本科生做常规的分析和可视化的需求；另一方面，在教学过程中通过常用方法的讲解让学生了解如何在NCL官网查找需要的函数，做到“授人以渔”，如果学生在未来的学习工作中需要进行更深入更复杂的分析或可视化，也知道该如何查找相关函数。在可视化的课堂实例中递进地加入绘图资源属性的修改，使得可视化过程更加完整，也避免了将其单独作为一章内容造成的不连续性。

四、结合专业热点问题设计实践

气象数据分析与可视化课程是一门理论与实践密切结合的课程，在教学过程中有大量的实践内容，在实践练习的设计过程中，需要充分考虑练习与已学内容的关联性、难易程度，此外，精心的实践设计会使学生更加感兴趣。本课程的实践在前序基础课程的基础之上，使用实例来使学生实现相应的数据分析与可视化，还可以回顾气象学中的一些基本知识，例如，在可视化的折线图中，设计了使用多年全球气温资料来展现全球平均气温随时间的变化，既复习了平均的分析方法，又对气候学中的热门问题全球气候变化有了更直观的理解；在可视化的等值线中，设计了使用冬季、夏季的全球海平面气压资料来展现冬夏两季海平面气压场分布特征，对天气学原理、气候学等前序基础课程的相关内容有更深入的认知；在箱型图中，绘制北京、上海、广州三地的降水量箱型图，一方面复习了前序基础课程气象统计方法中的平均值、中位数、上四分位数、下四分位数等基础知识，又对这三个我国城市的降水量有了初步但较为直观的认识；等等。

气象数据分析与可视化的教学中，实践是最为重要的一个环节，计算机语言和自然语言都有一个特点，经常练习和使用才会更加熟悉。和自然语言的学习一样，我们在课堂上有理论知识的讲解，有课堂例题讲解，除了课堂讲解的实践例子之外，课堂练习、课后练习也是教学过程中必不可少的内容。每一个需要学生掌握的分析方法和可视化方法都设计了若干练习题，这些练习均结合已学课程内容和前序基础课内容，其难度与课堂实例相近，例如，在可视化的折线图中，练习题设计了绘制不同纬度地区的平均气温随时间的分布情况，在例题全球平均气温变化的基础之上，进一步细化到不同纬度地区的气温变化，但是主要掌握的知识点还是平均的计算方法、折线图的绘制；在可视化的等值线中，练习题设计了冬季、夏季全球500hPa等压面上位势高度的绘制，在例题中了解了海平面气压场的基础上深入了解高空配置，对前序基础课程天气学原理、气候学等有更深入的掌握；等等。练习后留有讲评和答疑时间，在课堂上，理论知识、实践例题讲解之后，进行课堂练习环节，学生在规定时间内进行课堂练习的实践，实践过程中教师需要环绕教室解答实践中的问题，在讲评和答疑环节，教师针对学生在实践过程中反馈的遇到较频繁的问题，教师给予统一讲解；课后练习需要学生在课下时间自主完成，并将作业提交给教师，在讲评及答疑环节，教师还需要针对课后练习中常出现的问题进行讲评，如果学生对上一次的课后作业有疑问也可以提出并共同解决，使实践过程更加闭合且完整。

五、结语

本文对基于NCL语言的气象数据分析与可视化课程教学进行探讨。在课程建设过程中选取的实践工具决定了该课程的方向；对于一门理论与实践并重的课程，内容体系的优化十分重要，从理论到实践的循序渐进、理论及实践内容的难易程度、可延伸程度都需要考虑到；实践内容的设计除需要结合本课程的已学内容外，还可以与前序专业基础课程、专业热点问题相结合，增加学生的实践兴趣。

参考文献：

[1]康娜,于兴娜,杨素英.《气象数据分析与可视化》课程教学的思考[J].教育教学论坛,2015,(16):216-217.

[2]陈为,张嵩,鲁爱东.数据可视化的基本原理与方法[M].北京:科学出版社,2013.

[3]白雪莹.气象数据可视化表达研究与分析[J].科技传播,2017,(12):58-59.

徐婷,段炼.基于NCL语言的气象数据分析与可视化课程教学的思考[J].教育教学论坛,2020(07):347-348.

基金:中央高校教育教学改革专项资金项目(E2019032);中国民用航空飞行学院教研项目(A201824)资助.