李 浩，趙現(xiàn)斌，李克凡，王曉蕾，李書磊，關(guān)吉平

（1.國防科技大學(xué) 氣象海洋學(xué)院，長沙 410003；2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，昆明 650500）

大氣探測學(xué)課程是大氣科學(xué)和應(yīng)用氣象學(xué)等專業(yè)的基礎(chǔ)課程[1]，國防科技大學(xué)氣象海洋學(xué)院開設(shè)該課程已有三十多年的歷史，面對課程學(xué)時的不斷精簡、探測技術(shù)的快速發(fā)展、課程思政的時代要求、復(fù)合創(chuàng)新的人才培養(yǎng)等新趨勢，教學(xué)團(tuán)隊(duì)秉承大氣探測學(xué)“理工結(jié)合，落實(shí)到工”的基本理念[2]，持續(xù)開展課程教學(xué)研究。類比法教學(xué)[3-4]按同類或相似事物規(guī)律相一致的特點(diǎn)，通過對未知或不確定對象與已知對象進(jìn)行歸類比較，進(jìn)而提出合理的猜測或預(yù)判。合理地運(yùn)用類比法，有助于理解抽象復(fù)雜的概念、性質(zhì)和原理等，有助于培養(yǎng)興趣、激發(fā)聯(lián)想、舉一反三。

大氣探測學(xué)課程具有“氣電一體，以氣為本”特點(diǎn)[2]，內(nèi)容多、跨度大，特別需要和適合采用類比法。以大氣探測體系二維圖示[2]作為類比線索，本文簡明扼要地分析了個別性、特殊性和普遍性等典型類比法應(yīng)用示范案例，突破形式邏輯的限制，注重提高類比的內(nèi)涵和外延。以類比一覽表為主要形式，分析類比的共同屬性和平行類推，旨在探討類比法在大氣探測學(xué)課程中的應(yīng)用。

一、記憶效應(yīng)與熱滯效應(yīng)的類比

熱滯效應(yīng)是指氣溫表與被測大氣相接觸，由于溫度差異產(chǎn)生熱量交換，最終達(dá)到熱平衡需要一定時間的現(xiàn)象，又稱之為熱慣性[1，5]。大氣探測接觸式測量普遍存在滯后效應(yīng)，滯后效應(yīng)對于氣象儀器的響應(yīng)特性、采樣間隔和數(shù)據(jù)處理具有重要影響。人的記憶效應(yīng)和其他心理活動密切聯(lián)系，是一種基本的心理過程，可以直觀描述人對事物記憶和遺忘的循序漸進(jìn)過程。每次信息重復(fù)輸入的維持記憶的時間各不相同，該效應(yīng)對人類記憶認(rèn)知研究產(chǎn)生了重大影響，加以利用可提升記憶能力。為了理解和掌握氣溫探測的熱滯效應(yīng)，可以將其與人的記憶效應(yīng)進(jìn)行類比，見表1。

從表1 中的類比對象的內(nèi)容可以看出，人的記憶效應(yīng)與氣溫探測的熱滯效應(yīng)適合進(jìn)行類比的基礎(chǔ)和前提是具有相似的內(nèi)容和共同屬性：記憶能力因人而異，不同的人對同一個內(nèi)容的記憶效果是不一樣的，且需要記憶的文字信息也是多樣的；熱滯大小因儀器而異，不同的氣象儀器對同一地點(diǎn)氣溫測量的原始結(jié)果也不一致，且需要探測的氣溫分布是多樣的。

基于兩者相似的內(nèi)容和共同屬性，可以開展形式邏輯類比，表1 中的平行類推條目：①人的當(dāng)前記憶結(jié)果不是瞬時效應(yīng)，而是前一段時期文字內(nèi)容的積累；當(dāng)前氣溫探測結(jié)果是前一段時期空氣熱量的積累，也就是說某時刻測溫元件的示值是讀數(shù)之前一段時間段內(nèi)氣溫的積分結(jié)果。②在人的當(dāng)前記憶中，越早的文字信息占比越少；當(dāng)前氣溫探測結(jié)果中距讀數(shù)時間越早的氣溫貢獻(xiàn)越少，也就是說某時刻測溫元件的示值受該時刻實(shí)際氣溫的影響最大。③對不同韻律類型文字信息，人的記憶衰減快慢不一樣；測溫元件對不同變化規(guī)律的氣溫平均效果不一樣，也就是說測溫值與氣溫頻率特征有關(guān)。④重復(fù)閱讀周期越短，獲取的記憶就越準(zhǔn)確；觀測采樣周期越短氣溫測量就越不失真，也就是說測溫采樣周期越小測值越準(zhǔn)確，符合香農(nóng)采樣定理的一般規(guī)律。

表1 記憶效應(yīng)與熱滯效應(yīng)類比一覽表

二、氣球測風(fēng)與飛機(jī)測風(fēng)的類比

氣球測風(fēng)是把氣球看作隨氣流水平移動的質(zhì)點(diǎn)，用儀器測量氣球相對于觀測點(diǎn)的空間坐標(biāo)位置，確定氣球的運(yùn)動軌跡。根據(jù)氣球在某時段內(nèi)位置的變化，計算出它的水平速度，從而得到相應(yīng)大氣層的平均風(fēng)向和風(fēng)速。氣象無人機(jī)基于探測任務(wù)的航跡規(guī)劃，可在危險的空中環(huán)境作業(yè)，可以重復(fù)探測且續(xù)航時間長，可實(shí)現(xiàn)大范圍目標(biāo)區(qū)域連續(xù)探空，是高空氣象探測的新技術(shù)，其測風(fēng)原理和方法比氣球測風(fēng)復(fù)雜。在課程教學(xué)中，氣球測風(fēng)一般先于無人機(jī)測風(fēng)。為了理解和掌握氣象無人機(jī)測風(fēng)技術(shù)[6]，可以將其與氣球測風(fēng)進(jìn)行類比，見表2。

表2 氣球測風(fēng)與飛機(jī)測風(fēng)類比一覽表

從表2 中的類比對象的內(nèi)容可以看出，氣球測風(fēng)與飛機(jī)測風(fēng)適合進(jìn)行類比的基礎(chǔ)和前提是具有相似的內(nèi)容和共同屬性：氣球測風(fēng)與飛機(jī)測風(fēng)都屬于直接探測和示蹤物測風(fēng)，都需要確定各自的運(yùn)行軌跡和空間坐標(biāo)；速度矢量合成的平行四邊形法則是普遍原理，即氣球與飛機(jī)均滿足速度的矢量合成，即風(fēng)速等于地速減空速。

基于兩者相似的內(nèi)容和共同屬性，可以開展形式邏輯類比，表2 中的平行類推條目：①氣球測風(fēng)方法中示蹤物是氣球，氣球自身無動力且其空速為零；飛機(jī)測風(fēng)法示蹤物是飛機(jī)，飛機(jī)是有動力的，因此其空速一般不為零，這與氣球的情況正好相反。②氣球的質(zhì)量和體積較小，能夠完全響應(yīng)風(fēng)場，所以其地速等于風(fēng)；飛機(jī)的飛行基于空氣流體力學(xué)原理，所以其地速的大小和方向均不等于風(fēng)，地速值大于風(fēng)速。③氣球受凈舉力和水平氣流作用自由漂移，其運(yùn)動軌跡不可控；飛機(jī)具有動力部件和飛控系統(tǒng)，可以規(guī)劃航線實(shí)現(xiàn)機(jī)動飛行，并且可以加載更多的環(huán)境和姿態(tài)傳感器。④氣球在垂直方向上近似勻速上升，從而實(shí)現(xiàn)不同高度的空中風(fēng)探測；飛機(jī)可以按水平歸零、S 彎曲線、爬升等多種方式飛行，實(shí)現(xiàn)空中多傳感器信息采集和空中風(fēng)解算。

三、蝙蝠與氣象雷達(dá)遙感的類比

主動大氣遙感是指遙感器向大氣發(fā)射電磁波或聲波信號，并接收與大氣相互作用后的信號，從中提取氣象要素的方法和技術(shù)。氣象雷達(dá)遙感采用主動大氣遙感方法，探測云雨等氣象目標(biāo)，反演大范圍氣象要素的時空分布，是最重要的大氣探測和危險天氣監(jiān)測手段之一[1]。蝙蝠具有回聲定位能力，蝙蝠的喉產(chǎn)生超聲波通過口腔發(fā)射出來，當(dāng)超聲波遇到昆蟲或障礙物反射回來時，能夠用耳朵接受并判斷探測目標(biāo)是昆蟲還是障礙物及其距離有多遠(yuǎn)。歷史上，早期的雷達(dá)就是基于蝙蝠仿生學(xué)原理研制出來的。為了理解和掌握氣象雷達(dá)遙感技術(shù)，可以將其與蝙蝠回聲定位進(jìn)行類比，見表3。

從表3 中的類比對象的內(nèi)容可以看出蝙蝠回聲定位與氣象雷達(dá)遙感適合進(jìn)行類比的基礎(chǔ)和前提是具有相似的內(nèi)容和共同屬性：蝙蝠和氣象雷達(dá)都能持續(xù)不斷地主動發(fā)射波，并接收目標(biāo)的后向反射回波，同屬于主動遙感技術(shù)；蝙蝠和氣象雷達(dá)都基于不接觸的方式，根據(jù)波所攜帶的目標(biāo)信息，遠(yuǎn)距離感知一個空間區(qū)域內(nèi)目標(biāo)的位置和性質(zhì)。

基于兩者相似的內(nèi)容和共同屬性，可以開展形式邏輯類比，表3 中的平行類推條目：①蝙蝠基于特定波長的超聲波進(jìn)行主動遙感，但超聲波傳播距離較小，抗干擾性能較差；氣象雷達(dá)采用電子技術(shù)收發(fā)微波波段電磁波進(jìn)行遙感，微波傳播距離較遠(yuǎn)，抗干擾性能強(qiáng)。②蝙蝠的口能周期性地發(fā)出脈沖式超聲波，作為可測距的信號源，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的連續(xù)定位；氣象雷達(dá)的發(fā)射系統(tǒng)能周期性地發(fā)出脈沖電磁波，作為連續(xù)探測云雨位置和性質(zhì)的信號源。③蝙蝠的耳朵和口腔聯(lián)動，轉(zhuǎn)動腦袋接收周圍不同目標(biāo)反射的超聲波；氣象雷達(dá)的接收天線和發(fā)射天線公用，伺服系統(tǒng)完成掃描，接收區(qū)域范圍內(nèi)云雨的后向散射波。④蝙蝠的大腦根據(jù)目標(biāo)反射的超聲波信息，解算目標(biāo)的位置和性質(zhì)；氣象雷達(dá)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)基于大氣電磁波傳輸和散射理論，反演云雨的位置和氣象要素。

表3 蝙蝠與氣象雷達(dá)遙感類比一覽表

四、稱重與氣象衛(wèi)星遙感的類比

氣象衛(wèi)星遙感屬于被動式大氣遙感，遙感器接收大氣自身發(fā)射的電磁輻射或反射自然源的電磁輻射，進(jìn)而獲取大氣信息的方法和技術(shù)，已成為全球大氣探測極其重要的技術(shù)[1]。氣象衛(wèi)星和氣象雷達(dá)雖然都屬于大氣遙感，兩者區(qū)別在于氣象衛(wèi)星遙感器沒有發(fā)射部分，從而可以節(jié)省能源、縮小體積和減輕重量。由此帶來的難點(diǎn)是如何理解氣象衛(wèi)星遙感測量目標(biāo)距離的基本原理，這是比較抽象的問題。不同于此前先修的氣象雷達(dá)，基于主動發(fā)射脈沖電磁波然后根據(jù)后向散射回波的延時完成測距。為了理解和掌握氣象衛(wèi)星遙感技術(shù)，可以將其與物體稱重問題進(jìn)行抽象的原理類比，見表4。

從表4 中的類比對象的內(nèi)容可以看出物體稱重問題與氣象衛(wèi)星遙感適合進(jìn)行類比的基礎(chǔ)和前提是具有相似的內(nèi)容和共同屬性：本文構(gòu)建了力矩平衡稱重案例，任務(wù)是得到每個物體的重量，但稱重時只能同時測量多個物體而不允許單獨(dú)測量一個物體；氣象衛(wèi)星遙感任務(wù)是確定不同高度的氣溫，但衛(wèi)星只能同時測量整個大氣層向上的總輻射，而無法直接測量某一個特定高度處大氣的輻射。

基于兩者相似的內(nèi)容和共同屬性，可以開展形式邏輯類比，表4 中的平行類推條目：①每次稱重允許調(diào)整每個物體在稱上的位置，但砝碼位置始終不變，當(dāng)然砝碼配重有變化；遙感器的濾光輪可以調(diào)整從而改變接收通道，但輻射傳感器不變，當(dāng)然接收輻射有變化。②改變物體在稱上的位置，砝碼配重有變化，但并不改變物體的重量；改變接收輻射的通道，雖然接收到的輻射有變化，但并不改變實(shí)際氣溫值。③每次均需要恰當(dāng)?shù)卣{(diào)整物體在稱上的位置，以便使所關(guān)注的物體對砝碼配重影響最大；衛(wèi)星遙感需要設(shè)計遙感通道及其權(quán)重函數(shù)，以便使相應(yīng)高度的氣溫對輻射測值影響最大。④將多次稱重的力矩平衡方程聯(lián)立，由于每次每個物體的力臂是已知的，從而可以求解每個物體的重量；將多通道衛(wèi)星測值聯(lián)立方程組，由于權(quán)重函數(shù)是已知的，可以反演氣溫垂直分布。

表4 稱重與氣象衛(wèi)星遙感類比一覽表

五、結(jié)束語

在大氣探測學(xué)教學(xué)改革建設(shè)中，根據(jù)課程的知識點(diǎn)體系及之間的邏輯關(guān)系，結(jié)合類比法教學(xué)一般方法，切實(shí)提高類比的可比性、啟發(fā)性、條理性[7-8]。需要注意，類比法屬于形式邏輯中的平行思維，中間隱含了歸納和演繹程序[4]。類比對象之間的共同屬性是類比的前提，兩者共性越多則類推結(jié)論越可靠，但類推結(jié)果的真實(shí)性仍然需要實(shí)踐檢驗(yàn)。實(shí)踐表明，合理運(yùn)用類比法教學(xué)可以培養(yǎng)興趣、激發(fā)聯(lián)想、舉一反三，是一種事半功倍的教學(xué)方法。