《大气气溶胶》课程设置与实践教学探索

摘要：《大气气溶胶》课程是针对大气物理学与大气环境相关专业本科生和研究生开设的特色专业课程之一。本文首先从课程设置阐述了该课程的主要教学内容，指出不同章节教学内容重点和难点的安排。其次，本文提出了各章节理论教学过程中可开展的实践教学内容，为加强该课程教学效果提供了参考。

关键词：课程设置；实践；能动性；学习兴趣

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）15-0109-03

一、前言

大气气溶胶是指大气与大气中的各种固态和液态粒子组成的混合体系，狭义上特指各种固态（干）和液态（湿）粒子。自上个世纪第二次世界大战以来，气溶胶因对环境以及气候变化产生了深刻的影响而广受关注。气溶胶严重污染人类赖以生存的大气环境，影响大气物理与大气化学过程，对大气辐射、大气光学现象和电学过程都有较大影响，因此，大气科学和环境相关专业的学生有必要学习和普及大气气溶胶相关知识。

然而，各大高校大气科学以及环境相关专业很少专门针对大气气溶胶科学设置相关课程。实际上，自18世纪工业革命以来，气溶胶相关研究已成为基础和应用科学中的一项特殊课题，吸引了物理学、化学和气象学等多学科专家的关注，进而推动了该学科的发展[1]。1955年，前苏联学者[2]出版了《气溶胶力学》，为气溶胶科学奠定了理论基础。20世纪中后期，各国高速发展的经济造成了环境的严重污染，世界性环境问题日益严重，学科发展对气溶胶测量技术提出了新的要求，伴随着各种微电子、激光以及计算机技术、现代分析化学和分析电镜技术的介入，气溶胶科学得以快速发展。

南京信息工程大学针对大气科学与大气环境相关专业本科生和研究生开设了《大气气溶胶》特色专业课，课程内容与当前全球面临的气候变化与环境问题密切相关，课程涉及到的气溶胶基础知识、研究方法以及基本理论为深入研究气候效应和环境问题奠定了基础，相关知识还广泛应用在军事、卫生、工业和农业等领域。该课程侧重气溶胶动力学、光学理论知识学习，同时还要求学生能理解和掌握气溶胶相应测量技术。在讲授过程中，通过结合实际问题，设置与理论知识相关的研究课题，引导学生动手实践，提高学习乐趣，从而做到实践与理论学习相结合，提高教学质量，培养学生研究素质[3，4]。

二、课程设置

《大气气溶胶》课程要求学生能全面掌握气溶胶基本概念、分类、尺度谱、主要形成机制等基础知识，并且能够从动力学理论出发，理解Brown运动、Stokes定律、Brown运动碰并、切变、重力沉降等内容，熟悉气溶胶粒子的一般动力学方程，理解干沉降和湿沉降过程，并在大气气溶胶消光原理基础上，理解气溶胶对辐射传输过程的影响，进而在辐射强迫和气候效应概念基础上，熟悉气溶胶辐射强迫特征，最后从测量分析方法上，要求学生掌握气溶胶浓度、光学特性以及化学成分测量分析的基本方法。

该课程分别从大气气溶胶基础知识、大气气溶胶的来源与化学特征、气溶胶粒子动力学、对流层气溶胶、平流层气溶胶、大气气溶胶光学特性、气溶胶气候效应以及气溶胶测量与分析8个章节开展研究性学习的实践模式教学。

前3章内容主要介绍气溶胶相关基础知识。其中，绪论内容要求学生掌握大气气溶胶概念，理解大气气溶胶研究意义，了解大气气溶胶的研究历史和研究方法。大气气溶胶基础知识内容要求学生掌握大气气溶胶的尺度、分类和浓度的表示方法，利用气溶胶谱观测资料画图，熟悉三模态气溶胶数浓度分布特征、常用的几类谱分布函数，理解气溶胶粒子谱分布特征参量，了解谱分布函数应用现状。大气气溶胶的来源与化学特征内容中，需掌握大气气溶胶粒子的主要形成机制、几种常用的源解析方法，熟悉大气气溶胶的主要化学组成特征，理解不同来源的气溶胶尺度分布特征，了解全球气溶胶产生率。

气溶胶粒子动力学是本课程的重要基础理论，包括单个气溶胶粒子动力学和粒子群动力学。单个粒子动力学内容中，要求学生掌握平均自由程、Stokes定律和重力沉降等概念，理解Brown运动和相关概念（扩散、迁移），了解外力场单粒子运动。气溶胶粒子群动力学内容要求学生掌握Brown运动碰并、层流切变和湍流中的聚合、重力沉降聚合，熟悉气溶胶粒子一般动力学方程，了解外力场对粒子聚合的作用。

对流层气溶胶内容要求学生掌握干湿沉降过程、气溶胶标高、沉降速度概念，熟悉典型气溶胶类型垂直分布特征、干沉降速度测量方法、湿沉降清除系数，理解干沉降阻力模型、云内清除和云下清除过程，了解大气气溶胶分布的时间变化特征、滞留时间。

平流层气溶胶内容需要学生掌握平流层气溶胶基本特征，熟悉火山气溶胶主要成分、极地平流层云形成过程，理解平流层气溶胶与对流层气溶胶特征差异，了解全球平流层气溶胶研究进展。

大气气溶胶的光学特性相关内容中，要求学生掌握大气气溶胶的消光原理和相关表征参量（消光系数、单次散射反照率、相函数等），熟悉大、小尺度粒子的散射特征，大气能见度与消光系数的关系，理解气溶胶对辐射传输过程的影响及其参数化，了解全球和区域气溶胶光学特征。大气气溶胶的气候效应内容中，掌握大气气溶胶辐射强迫基本概念及分类，熟悉气溶胶直接辐射强迫过程，理解对流层和平流层辐射强迫效应，了解云的辐射强迫。

大气气溶胶的测量和分析教学内容中，需要学生掌握气溶胶浓度、光学特性以及化学成分测量分析的常用方法，熟悉气溶胶空气动力学和光学测量原理，理解气溶胶遥感探测技术，了解全球大气气溶胶遥感探测资料及相关产品。

三、实践教学内容

理论课程教学过程中，需要同时结合实践教学才能达到较好的教学效果[5-7]。《大气气溶胶》基础知识的授课内容中，讲授气溶胶粒子尺度、分类及其谱相关知识时，可结合不同类型气溶胶粒子谱仪观测资料，对各种等效直径、气溶胶粒子谱相关知识开展实践教学，增强学生对气溶胶基本概念的理解。如，可利用气溶胶宽范围粒子谱仪（WPS）的电迁移率和光学计数测量对不同粒径数浓度进行对比分析，指出空气动力学等效直径与光学等效直径的差别；还可利用该仪器观测资料，作出尺度在0.01～10μm范围的粒子谱分布，增强学生对不同模态气溶胶谱分布特征的形象认识，从而调动学生学习的积极性。

“大气气溶胶来源”相关内容可结合气溶胶单一类型源数值模式开展。如，通过编写沙尘和海盐等单一类型源数值模式估算沙尘和海盐产生通量，实践过程中可增强学生的动手能力，同时调动学生对气溶胶相关科研的认识和兴趣。此外，在对“大气气溶胶化学组分及其来源解析”的教学中，利用离子色谱监测仪气溶胶观测资料，教师课堂演示结合学生课后练习，加深学生对授课内容的理解，同时通过自身实践的成就感提高学生专业学习的兴趣[8，9]。

“气溶胶粒子动力学”相关章节理论性较强，涉及Strokes粒子层流运动、Brown扩散、聚合方程等内容，内容中的理论公式及其推导过程占了很大篇幅，在此情况下，要尽可能结合图形讲授相关公式内涵。如，不同尺度气溶胶粒子对应的聚合系数有较大差别，结合图形能更好地展现粒径尺度与聚合系数之间的关系。在介绍布朗扩散规律时，可对比学生比较熟悉的布朗运动，结合动画课件演示，加深学生对概念的理解。

课程对对流层和平流层气溶胶分布特征展开较详细介绍，结合目前地面和卫星遥感探测资料，全面介绍大气气溶胶垂直分布和全球及其区域分布特征。此外，还可以让学生参与编写和运行干沉降模式，量化评价气溶胶滞留时间和沉降通量特征。在平流层气溶胶中，结合典型的火山气溶胶事例讲授其特征，加深学生对理论知识内涵的把握，从而强化学生的学习效果。

此外，该课程还可对气溶胶光学特性讲授内容开展实践教学。如，可根据浊度仪、太阳光度计等探测资料，讲授单次散射反照率、后向散射系数、气溶胶波长指数等光学参量，使学生通过感性认识能很快掌握相关理论知识。还可以通过简单的一维辐射模式介绍，提高学生对气溶胶光散射与吸收过程的理解。

该课程可结合目前国际上的研究前沿，对大气气溶胶的气候效应开展实践教学。授课内容结合五次联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）评估报告相关内容进行讲授，讲授内容从课堂学习到动手实践，都可与相关研究课题联系起来，使学生在科学研究实践过程中培养专业综合素质，达到高校实践教学目标。研究过程中，各小组成员互相配合，团结合作，既能节省时间，又能高效地解决问题，还能体现每个成员的重要性，从而提升学生团队合作意识，培养学生团队合作精神。

该课程最后章节中，设置了“大气气溶胶的测量和分析技术”教学内容，章节内容全面开展实践教学，从气溶胶样品采集技术、气溶胶浓度测量技术、气溶胶化学组成测量分析方法以及气溶胶光学和遥感探测技术全面开展理论和实践相结合的教学模式，在气溶胶相关测量和分析技术理论知识指导下，开展气溶胶碰撞采样器、气溶胶粒子谱仪器操作、气溶胶光学参量观测等实践环节，使学生形成理性和感性认识，通过自己的亲身实践，增强学习的能动性，从而达到较好的学习效果。

四、小结与展望

本文全面介绍了《大气气溶胶》课程设置和各章节实践教学相关内容，通过气溶胶基础知识、气溶胶动力学、气溶胶光学等理论知识与实践教学相结合，对研究性学习的实践模式进行探索，以加强学生实践能力和理论知识应用能力为目标，培养学生学习兴趣的同时，提高教学质量。

在实践教学过程中，需要注意协调学生课堂和课后练习时间，实际参与的时间不宜过长，要保证学生既能动手实践，又能在有效的时间内完成。此外，还要及时对学生的实践效果进行评价，实践内容较多时，需要学生组成团队合作完成实践课程内容。此时要保证每个成员都能发挥自己的能力，做到各成员间的合作，建立合理的评价标准，让每个学生都感觉到公平合理，从而提高他们的学习积极性。

总之，本课程各章节教学内容都能与大气气溶胶相关科研资源配合开展实践性教学，使学生能更好地理解相关理论知识，增强学生对该学科的研究兴趣，为学生进一步开展气溶胶相关研究和工作奠定基础，达到高校专业课程的教学目标。

参考文献：

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