西南低涡可视化教学平台设计与开发

王腾蛟，张新华

西南低涡可视化教学平台设计与开发

王腾蛟，张新华

（中国气象局气象干部培训学院四川分院，四川 成都 610072）

结合西南低涡教学需要和现代网络教学技术的应用情况，对西南低涡可视化教学平台的设计和开发进行了研究与探讨，并详细阐述了教学平台的功能模块设计与开发所采用的关键技术。通过学员试用来测试教学平台的实用性和可靠性，收集反馈意见来不断完善教学平台的功能，提高培训教学效果。

西南低涡；教学平台；个例分析；B/S架构

1 教学平台建设的背景介绍

西南低涡是在青藏高原特殊地形和一定环流条件下，发生于中国西南地区700 hPa或850 hPa等压面上的气旋性环流或有闭合等高线的低涡，是一个尺度为300～500 km的中α尺度系统[1-2]。西南低涡常常造成四川及长江中下游、华南、华北地区的暴雨、大暴雨天气，它是夏季造成中国重大降水天气过程的重要天气系统之一[3-4]。气象科技工作者针对西南低涡活动、结构特征、形成维持机制及发展东移机制等开展了一系列研究，对西南地区强降水预报及相应的防灾减灾决策具有重要的指导意义[5]，但研究成果较为零散且以文字描述为主，缺乏形象具体、综合全面的展现形式，业务科研成果未充分转化为培训学习资源，在一定程度上影响了成果推广应用效率和对预报业务工作的指导作用。

近年来，随着气象现代化建设的推进，天气预报业务也发生了很大变化，学员学习预报业务技术的需求日益旺盛。目前，中国气象局气象干部培训学院四川分院（以下简称四川分院）主要承担三种国家级预报业务类班型：预报员岗位素质和能力培训班、地市级预报员轮训班和高原山地气象业务培训班。三种班型的学员对西南低涡知识的学习需求有所不同：预报员岗位素质和能力培训班的学员具备一定专业基础知识，他们需要学习西南低涡预报相关知识，通过个例分析初步建立预报思路；地市级预报员轮训班的学员具备一定的预报经验，他们需要了解西南低涡的前沿科研成果，扩充知识体系，完善预报思路；高原山地气象业务培训班的学员是西南地区的预报员，他们具备一定的预报经验，但是需要了解新技术、新资料在西南低涡预报中的应用进展，提高预报业务技术水平。可见，西南低涡作为四川分院的区域特色课，面向的学员不同，侧重点也有所不同。

西南低涡培训通常采用“一对多”的集中讲授方式，教师主要以口头传授、课件展示的方式讲解培训内容，教学形式比较单一，不利于学员直观认知和深入理解，教学效果不理想。

随着计算机技术和网络技术的快速发展，基于多媒体网络开展培训教学，可以拓展学习时空、共享培训学习资源，有利于开展个性化学习、协作式学习、交互式学习，更好地完成教学任务，提高教学质量[6-7]。

2 教学平台建设的意义

为充分发挥四川分院的区域优势，完善和丰富区域特色课的教学内容与呈现形式，有必要利用计算机网络技术搭建一个形象具体、综合全面、理论结合实践的西南低涡可视化专题培训教学平台，提供丰富的专题学习资源，注重培训学习的针对性、趣味性和实效性，实现“点对点”的培训辅导，便于开展培训教学和学员学习实践，达到改进教学方法和提高教学效益的目的。

3 教学平台的主要内容

教学平台的主要内容包括四大模块：西南低涡概况、典型个例分析、动态模拟和资料库（文献资料及个例气象资料），平台导航结构如图1所示。

图1 平台导航结构图

西南低涡概况模块全面地介绍了西南低涡的基础理论知识，包括定义、移动路径、预报关注点和统计特征等，内容主要以文字、表格和静态图片的形式呈现，适用于初步接触西南低涡的学员，帮助其建立宏观的知识体系。

典型个例分析模块选择了1999—2013年15个影响范围广泛的西南低涡暴雨个例进行详细分析。分析内容包括过程摘要、雨情分析、环流背景分析（天气图和卫星云图）和物理量分析（涡度、散度、垂直速度以及水汽通量散量）。通过个例分析帮助新任预报员初步建立预报思路。该模块采用文字和动画相结合的展现形式，便于学员直观认知。

动态模拟模块利用WRF中尺度数值模式和NCEP再分析资料对西南低涡结构较为完整的2个个例进行精细模拟（过程时间段分别是2013-06-29—07-02和2010-07-15—07-20的西南低涡暴雨过程），从水平和垂直两个方向立体地展现西南低涡结构随时间的演变特征，并应用Grads和Surfer数据分析及绘图软件制作西南低涡结构演变过程教学动画。该模块内容应用新技术、新资料研究西南低涡精细化结构，并采用文字和动画相结合的展现形式，有助于具有一定预报经验的预报员扩充知识体系，完善预报思路。

资料库模块由重要参考文献和个例气象资料组成。其中，重要参考文献部分展示1949—2014年国内外有关西南低涡研究的重要参考文献共计140篇；个例气象资料部分提供典型个例分析对应的气象数据（包括MICAPS资料、雷达、卫星、NCEP/NCAR再分析资料等）。学员可以根据自己的需要下载文献和数据进行自主学习。

以上4个模块的内容从基础理论向实践应用逐步递进，较为全面地展现了西南低涡相关知识体系。教师在授课时可根据学员的实际情况选择某一模块着重讲授，学员则可利用课余时间选择感兴趣的模块自主学习。

4 教学平台的设计

4.1 技术架构选择

该平台展示的内容主要包括西南低涡基础知识、西南低涡研究文献资料库、典型个例分析结果、模拟动画、个例气象数据资料等，使用的用户为培训班学员，系统运行于局 域网，涉及的内容更新操作较少。同时，鉴于学员在计算机水平上存在差异，平台技术架构选择B/S（浏览器/服务器） 架构。

B/S架构是Web兴起后的一种主流网络结构模型，服务器提供Web访问服务，客户端使用Web浏览器。这种架构统一了客户端，具有零安装、零维护、系统功能扩展容易等特性。同时，将所有的功能模块和呈现内容放在服务器进行集中管理，大大简化了系统开发维护的难度与成本。

4.2 平台开发运行环境

平台建设采用了静态网站搭建方案，服务器部署于单位网络管理中心，服务器安装了Windows Server 2008，Web服务采用Tomcat7，客户端则通过浏览器访问，浏览器插件为Adobe Flash Player 11及以上版本。

4.3 平台功能模块的设计与实现

教学平台的主界面如图2所示，由平台简介、西南低涡概况、典型个例分析、动态模拟、资料库5个导航按钮组成，通过点击导航按钮可以进入子页面学习。

图2 平台主界面

平台内容包含了文字、图像、动画、气象资料数据、科研文献等多种文件，为便于教师开展教学、学员进行学习实践，通过分析培训教师的教学需求和学员的学习需求，确定平台主要应实现以下六种功能：动态目录列表显示、图像等比例缩放显示、多张静态图像浏览显示控制、文献在线浏览阅读、动画文件播放控制、资源下载。各模块的功能主要采用JavaScript脚本来实现，JavaScript是一种基于对象和事件驱动并具有相对安全性的客户端脚本语言，程序代码运行于客户端，对服务器资源占用较少，能确保平台稳定、可靠的运行。平台主要功能模块如下。

动态目录列表显示模块。个例分析和动态模拟两个模块的内容较多，呈现形式也丰富，为便于教学及学习浏览，采用框架页组织分析内容，左侧个例分析目录，实现动态目录显示功能，即用鼠标点击个例名称可展开或折叠个例分析内容链接列表。

图像等比例缩放显示模块。因部分图像在内容页中是缩小显示状态，在平台使用中用户除了查看天气形势的整体变化外，通常还关注局地天气形势的变化，需打开原始图像并进行缩放显示。图像等比例缩放显示模块实现的功能是鼠标点击小图像、打开新窗口显示原图、网页控件自动捕获鼠标操作、实现以鼠标位置为中心等比例缩放显示。

多张静态图像浏览显示控制模块。因选取的典型个例涉及的时次较长，对应的分析图像也较多。因此，需提供浏览显示控制播放按钮组，实现相关的多张静态图像浏览显示控制功能，具体实现的功能如下：①显示缩略图。对当前显示的图像加黄色边框以进行标识，可随时了解播放进度，当鼠标点击某个缩略图时，停止自动播放，显示当前图像。②自动播放。通过“设置开始”和“设置结束”操作可设定图像浏览显示范围，通过“播放”和“停止”操作控制自动播放，通过“慢放”和“快放”设置自动播放的速度，通过“重新设置”操作恢复播放初始设置。③单张图像浏览。通过“后退”和“前进”操作实现单张图像浏览。某天气个例地面天气图分析显示效果如图3所示。

图3 地面天气图分析

动画文件播放控制模块。典型个例分析和动画模拟模块包含许多动画文件，用户除了解整个天气过程的演变情况外，还需关注具体某个时次的分析结果以及局地变化。因此，平台需提供动画文件播放控制功能，通过点击“暂停”和“继续|重播”按钮实现播放控制，通过点击“放大”和“缩小”按钮实现缩放显示。

文献在线浏览阅读模块。平台收集了140篇西南低涡研究相关的文献，并按研究时间顺序（倒序）分页显示。为方便阅读需实现文献的在线浏览阅读，采用PDF2SWF专用软件将PDF格式文献转化为浏览器可播放的Flash文件，并提供播放控制按钮和工具栏。实现电子书的在线翻页显示，翻页时有视觉上的翻页特效，并提供鼠标滚动缩放预览、移动与全屏阅读等功能。

资源下载功能模块。为便于进行天气个例分析讲授以及实习教学，可通过映射方式访问个例涉及天气过程的常规气象数据资料。同时，平台提供气象数据资料分类下载功能，便于学员在本机使用气象数据资料。

5 教学平台的应用

教学平台建成后，分别在预报员岗位素质和能力培训班以及地市级预报员轮训班中进行试用，开展了典型个例分析培训教学以及实习操作，学员普遍反映教学平台设计合理、导航结构清晰、操作简易、运行流畅、内容新颖、学习效果较好。具体来说，西南低涡概况栏目全面地介绍了西南低涡基本知识及科研成果，典型个例分析栏目较为完整地展示了典型个例的环流背景和物理量分析，动态模拟栏目较为直观地展现了西南低涡的三维结构变化，资料库的文献和数据下载功能为学员自学提供了便利。

6 结语

西南低涡可视化教学平台从西南低涡基础知识、西南低涡研究文献资料、典型个例分析结果、模拟动画、个例气象数据资料等方面，分层次、全方位地展现了西南低涡相关知识内容，提供的功能较为实用。本文详细阐述了西南低涡可视化教学平台的设计和开发工作，平台展现的内容多，提供的功能较为实用，经过专家测试和学员试用，证明该系统具有较高的可靠性、稳定性和适用性，应在今后的培训教学中推广使用。针对试用中收集到的反馈意见，我们将对平台进行完善与补充，力求开发出适用性更强、便于教师授课与学员自助学习的教学平台。

［1］卢敬华.西南低涡概论［M］.北京：气象出版社，1986：58．

［2］陈忠明，闵文彬.西南低涡的统计研究.第二次青藏高原大气科学试验理论研究进展［M］.北京：气象出版社，2000：268-378．

［3］谌贵珣，何光碧. 2000—2007年西南低涡活动的观测事实分析［J］.高原山地气象研究，2008，28（4）：59-65.

［4］陈启智，黄奕武，王其伟，等. 1990—2004年西南低涡活动的统计研究［J］.南京大学学报（自然科学版），2007，43（6）：633-642.

［5］何光碧.西南低涡研究综述［J］.气象，2012，38（2）：155-163.

［6］宋木庆，赵立君，于涛.网络多媒体教学系统平台的设计与实践［J］.中国科技信息，2009（3）：115-117.

［7］卢业华.多媒体网络教学平台的设计与实现［J］.软件导刊（教育技术），2009（5）：83-85.

2095－6835（2020）24－0146－03

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A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.24.055

王腾蛟（1988—），硕士研究生，工程师，主要研究领域为气象教育培训。

〔编辑：王霞〕