自主合作探究式方法在大学生科技竞赛的应用

何阳 盛峥 展恩泽 陈鑫涛 彭明旭 张博宇 刘珏

【摘要】为综合分析评估在株洲橡胶所施放的新型临近空间气象气球探测资料精度，分别利用经验预报模式资料和卫星遥感资料进行对比。参加项目的本科生对这一全新课题采用自主合作探究式研究方法，明确研究目标，合理确定分工，对新型临近空间气象气球探测资料精度进行综合分析，研究表明，相比于经验预报模式资料和卫星遥感资料，探空气球的资料精度更高，数据更具有连续性，可靠性更强，它也可以作为其他探测结果的标定值。

【关键词】自主合作 探究式方法 临近空间 探空气球 误差分析

【中图分类号】G642 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2017）09-0231-01

在以往的大学生科技竞赛（小论文，小软件，小创作）中，经常会出现老师为主完成科技竞赛项目，全程包办的情况，反而学生不能得到较好的锻炼和提高，针对此问题，指导老师在“临近空间气象大球探测数据分析”这一全新研究课题中，全过程中让学生动手，完成资料的收集、数据的分析比对和论文的编写过程。实践表明大学生自主探究式教学是促进学生学习方式转变的有效手段。新世纪课程改革提出，“积极倡导自主、合作、探究的学习方式”，“改变课程过于注重知识传授的倾向，强调形成积极主动的学习态度，使获得基础知识与技能的过程同时成为学生学会学习和形成正确价值观的过程”，“引导学生质疑、调查、探究，在实践中学习，促进学生在教师指导下主动地、富有个性地学习”。

临近空间是指距地面20～100公里的空域。随着新型航空器、航天器和浮空器等的不断研发与升级，该区域已成为用来开展高科技应用和国防安全活动的新领域，被越来越多的国家所重视。为了在该区域顺利开展各项任务，临近空间的气象保障就显得尤为重要。在以往的高空探测中，由于我国气球能达到的最大高度不能满足临近空间的数据探测需要，所以一般是用气象火箭对该高度区间的大气环境进行原位直接精准测量。但是株洲橡胶所研发的新型探空气球却为探测该区间提供了新的参考。正常探空气球750g能探测的最大高度约为30km、1500g能探测的最大高度约为35km，而3000g新型探空气球的有效探测高度能达到40km，能包括平流层中下部，对相关高度的临近空间能进行更有效的探测。

本文利用我国新型气象探空气球升空的实验数据（能达到40km高度），运用综合分析评估，将其与卫星数据和经验预报模式进行对比，对获取资料进行数据处理，通过误差分析并编程绘图来说明高空探测大球数据的优越性，并指明外国的经验模式在我国并不适用。我国要基于自己的气象火箭和气象气球的综合数据来建立切实可靠高效的“本土经验模式”。

一、气球探测资料与NRLMSISE-00经验模式资料的对比分析

我们通过对比，发现高空气球探测资料的温度随高度曲线与NRLSISE-00经验模式虽然大体趋势一致，但在平流层底层及中层部分高度区域偏差较大。高空气球探测资料曲线与经验模式的偏差基本上一直存在，且大部分高度上偏差较明显，偏差普遍超过2℃。相比之下，大气密度的偏差并不明显。通过具体计算，求出气球探测资料与NRLSISE-00经验模式温度的最大偏差为 4.13℃，平均误差率为3.8%；空气密度的最大偏差为2.13g/m3，平均误差率为7.9%。考虑到NRLSISE-00经验模式由国外开发，对于中国地区的探测数据不是很完善、准确，特别是平流层中上部以上的探测数据，更为缺乏，所以对于中国区域平流层中上部的大气参数的变化特征，并不能准确描述。下面我们通过一张表格来具体对比气球资料与经验模式资料。

二、气球探测资料与SABER卫星资料的对比

利用4次气象气球的探测资料，分别与相对应的SABER卫星资料进行对比分析，可知气球探测资料与标准值之间均存在一定的偏差。其中，温度的偏差最大，最大偏差达到9.66℃，平均误差率最大能为6.1%，均方根误差最大为2.95℃；而气压及密度偏差较小，均方根误差最大仅为2.21hpa、1.95g/m3。下面在表2列出4次探空气球探测资料与SABER卫星资料的详细对比结果，其中Tem是指温度，单位为℃；Pre是指气压，单位为hpa；Den是指大气密度，单位为g/m3。

三、结论

新型临近空间气象气球最大上升高度能达到40km，能够作为获取临近空间大气参数的重要仪器，为探测临近空间提供了新的切實有效的方式。它能够获取15km-40km空间内的大气参数——温度、气压和湿度。通过进一步的数值处理，可以得到密度和高度等值。通过对比我们发现，用气球进行临近空间的大气探测是切实有效的，数据也是准确可靠的，可以采用气球探测结果作为预报数据。目前气球能到达到的有效探测高度为40km左右，但对于之上的平流层空间，还无法探测，这将是下一步努力的方向。

本课题以我国首次试验的气象大球探测数据分析为目的，其研究重视学生的气象背景，发展学生的创造性思维，培养自学能力，力图通过自我探究引导学生学会学习和掌握科学方法，为自主学习和研究工作开展奠定基础。指导教师作为自主探究式课堂教学的导师，其任务是调动学生的积极性，促使他们自己去获取知识、发展能力，做到自己能发现问题、分析问题、解决问题，促进探究的开展，把握探究的深度，以评价学生探究过程的效果。