《中国教育现代化2035》指出，加快信息化时代教育变革，推动信息技术在教学、学习等方面的应用，构建覆盖全国的数字教育资源公共服务体系，逐步使农村、边远、贫困、民族地区的学校都能共享优质教育资源。《教育信息化 2.0 行动计划》明确提出，要引导教育发达地区与薄弱地区通过信息化实现结对帮扶，开展联校网教、数字学校建设与应用，实现“互联网+”条件下的区域教育资源均衡配置机制，缩小区域、城乡、校际差距，缓解教育数字鸿沟问题，实现公平而有质量的教育。
我国地域辽阔，跨越不同温度带和干湿地区，地形复杂多样，地势高低悬殊，造成我国气候的多样化，为科学教育提供了丰富的气象科学素材与资源。然而，长期以来，这些资源并未得到有效的整合，导致各地区的相关素材不能实现广泛共享。纵观我国的科学课程教学（尤其是在气象科学方面），大多数教师仍然主要采用讲授方式，即使采用了信息技术手段，也停留于在多媒体课件中配上陈旧的视频、图像或早期的历史气象数据，难以激发学生的学习兴趣并增强他们在信息化环境下提出问题、分析问题、解决问题的能力。
建设基于教育云的远程气象监测站，将在一定程度上缩小基础教育数字鸿沟，促进优质教育资源共享，培养学生信息化环境下的学习能力与科学素养。教育信息化 1.0 阶段的骨干工程和项目为农村教育信息化的发展打下了重要的设施、环境和资源建设基础，发达地区信息化建设的现有优势，也为开发基于教育云的远程气象监测站提供了很大的可能性。鉴于此，笔者提出服务于科学教育的远程气象监测站的设计和开发设想。
一、远程气象监测站的设计与实现
本研究采用基于浏览器 / 服务器（Browser/Server，B/S）的方式构建远程气象监测站。基于 B/S 的远程气象监测站只需使用一般的浏览器便可访问，构建方便且容易实现。该远程气象监测站由硬件和软件两部分构成。
（一）远程气象监测站的硬件构成
远程气象监测站的硬件包括三个部分（见图 1）。一是数据采集装置，采用数字化微型气象站，即一个基于手持技术（传感技术）的便携式气象数据采集系统，能定量、实时、准确地测量气象数据，通过无线技术把数据发送到多媒体电脑。微型气象站搭载的传感器包括风向及风速传感器、温度及相对湿度传感器、降水量传感器、气压传感器等，主要负责数据采集。二是视频、音频获取装置，包括网络摄像仪和麦克风，负责拍摄气象现象的照片与视频、收集现场音频。三是监测及 Web 服务器，负责监测管理及网络管理，包括数据管理（数据分析处理、历史数据存放）及提供网络连接服务等功能。
（二）远程气象监测站的软件构成
服务器中安装了具有不同功能的软件程序，以便与硬件配合完成各种功能。一是人机界面程序，即监测者控制监测行动的界面，监测者只需通过键盘及鼠标执行操作，就可进行气象监测控制、数据处理等活动。二是数字化微型气象站的配套软件 Weather-Lab，它是一个数据分析处理工具，具有强大的气象数据统计与图示功能。三是远程控制软件，监测者通过浏览器及服务器的 IP 地址便可登录远程监测站的服务器，通过人机界面程序及 Weather-Lab 软件对气象站进行远程控制及观察、数据采集等操作。四是视频会议软件，在客户端的计算机上安装即时文字和视频交流软件，能使登录服务器的师生将监测视频、数据与他人共享。
（三）远程气象监测站的优势
与传统的气象监测工具相比，远程气象监测站具有三个方面的优势。一是技术先进性与集成性。监测站集成了传感技术、无线技术、网络技术等先进科技，实现了多技术融合，使数据采集、传输、处理更加高效准确；通过设计先进的硬件（数字化微型气象站等）与功能丰富的软件（Weather-Lab 数据分析工具、远程控制软件等），实现气象监测的自动化、智能化及气象数据的图形化、可视化。二是便捷性与实时性。得益于数字化微型气象站等硬件设备的便携性，能够在不同地点轻松建立远程气象监测站进行气象数据的采集；通过无线技术，能够将气象数据实时传输到服务器，便于用户及时获取和分析。三是互动性与共享性。用户通过浏览器即可登录监测站服务器，进行远程控制和观察，提高学习的互动性和趣味性。视频会议软件等工具的应用，使用户之间可以共享监测视频和数据，促进协作学习和资源共享。
二、基于远程气象监测站的学习案例
协作学习最适用于以学习者为中心建构科学概念的教学，其理论基础与建构主义、案例教学、情境学习和社会认知等理论相一致。在相关气象主题的学习活动中，来自不同班级（或不同学校、不同地域）的学生在教师的指导下，利用远程气象监测站上的实时或非实时的交互工具开展交流，明确共同的主题和学习目标；然后进行相互协作，利用远程气象监测站采集到的数据以及各种网络学习资源完成任务；遇到问题时，在教师的指导和同伴的协作下调整探究计划和行动措施。笔者为学生设计了基于远程气象监测站的系列气象科学探究课题，这些课题贴近生活，可促进学生对科学概念的理解，难度适中且富有探究性。
下文以其中一个课题——运用远程气象监测站数据探讨近几天感冒多发的原因为例加以说明。
（一）活动目的
运用气象数据从气温变化的角度探讨近日感冒多发的原因，掌握对气象变化情况进行定量分析和定性描述的方法，提升气象图像分析能力；通过协作学习提升科学探究能力，促进与同伴之间的交流；通过信息技术的引入，激发学习气象科学的兴趣。
（二）探究内容
根据气温变化探讨近几天感冒多发的原因，相关数据包括近几天的气温和气温日较差（最高气温与最低气温的差值）。
（三）探究工具
远程气象监测站、Weather-Lab 软件、办公软件等。
（四）活动过程
第一，创设情境。教师提出问题：“同学们，近日感冒的发病率增加，根据我们日常生活的经验，这是否跟近日的天气变化有关系呢？”学生进入问题情境，回忆日常生活中的经验并展开对该问题的思考。
第二，激发思考。教师引导学生利用气象数据来解决这个问题：“根据资料显示，感冒发生的概率与气温有一定关系，且与一天中的气温日较差关系最大。天气突变是感冒发病的关键影响因素。恰好近几天冷空气来袭，并引发了强降雨，我们可否从气温变化的角度探讨近几天感冒多发的原因呢？”教师进一步提问：“气温数据该如何测量呢？”由此，引入远程气象监测站这个认知工具。教师示范远程气象监测站平台的使用方法，并演示 WeatherLab 软件的基本操作方法。通过信息化认知工具的引入，激发学生的学习兴趣。
第三，自主探究。来自不同班级的学生组建学习小组，利用网络平台建立联系，然后在教师的引导下根据课题制订行动计划，并在线上、线下开展探究活动。学生利用远程气象监测站收集气象数据，分析、处理、评价所获得的气象信息，并通过 Weather-Lab软件的数据处理功能（如数据点指针工具）直接分析曲线的变化情况，或将数据导出至Excel 等软件进行数据汇总、统计分析及图表整理。教师还可以根据实际情况，指导学生在网络上收集相关的学习资料作为补充，以便辅助理解。
第四，协作交流。学生通过协作的形式进行讨论，共享所得的气象信息，解决问题。如开展实时或非实时的讨论会，提出问题、互相协商、寻求答案，并实现知识互补，逐步形成学习共同体。在共同体成员的相互带动下，每位学生都积极参与、认真探究。在此过程中，教师应发挥促进者的作用，通过观察、对话等方式进行必要的评价与辅导。
第五，总结评价。教师引导学生对气象变化情况进行定性描述和定量分析，学生共同撰写活动报告，从气温变化的角度总结近日感冒多发的原因。学生自由陈述结论并进行互评，教师作出点评与总结，引导学生对自己在学习过程中的探究表现进行反思。最后，教师根据学生的学习表现，采用质和量相结合的方式给出评价。
三、基于远程气象监测站的学习体验调查
（一）研究内容与方法
为了解学生基于远程气象监测站的气象学习体验，笔者采取准实验研究中的静态组比较设计进行调查。调查对象为广州某重点中学的高一年级学生，他们已具备初中阶段以及高一年级的地理课程知识和基本的计算机网络操作技能。将这些学生随机分为两组：一组为实验组（n=42），让他们体验基于远程气象监测站的气象探究学习；另外一组为控制组（n=42），仍接受传统学习，仅向他们介绍远程气象监测站在气象探究学习中的应用并展示相应的教学案例。在实验前，两组学生对基于远程气象监测站的气象学习均没有了解，可以认为态度上没有差异，基准水平一致；在实验后，采用问卷进行后测，了解两组学生态度上的差异。
（二）调查工具
本研究使用的“运用远程气象监测站进行气象探究学习的态度量表”由叶海智的“网络教学对学习者情感发展影响的调查表”改编而成。该量表是李克特五点量表，由九个项目组成。笔者对量表实施预测试后，使用SPSS 软件对量表的同质性信度与相关性结构效度进行分析。在信度检验中有α=0.885，说明信度良好，且删除任意项目后由其他项目组成的α 系数均小于原量表的总系数，说明各项目均符合要求。在效度检验中，每个项目与总量表之间的相关性均非常显著（相伴概率p＜ 0.001），即效度良好。
（三）研究结果与分析
以学生对量表各项目的评价为指标进行独立样本单因子t检验。经过变异数同质性检验后，对部分相伴概率p＜ 0.05 的项目（即变异数不同质）进行校正，t检验结果见表 1。结果显示，传统学习者（控制组）与数字化学习者（实验组）在“信息多，情感体验丰富”“增强自信心”“培养合作精神”等方面的态度不存在显著性差异；在“学习情境如身临其境”“激发想象力和创造性”“促进人与人之间的交流”“满足求知欲”“培养学习兴趣”“激发学习动机”等方面的态度存在显著性差异，数字化学习者认为运用远程气象监测站进行学习在这些方面具有显著优势。两组学习者在各项目上的平均值均大于3，说明他们都对基于远程气象监测站的学习有着积极态度。
在创设学习情境方面，有 25%的传统学习者和 62%的数字化学习者认为远程气象监测站优势较大。通过访谈得知，数字化学习者认为，远程气象监测站能够提供实时的天气影像或实况录像，可创设身临其境的学习体验；配套软件中的数据显示功能可以对测量仪表（风向标、雨量计等）进行模拟，增强了学习的情境性，即使只是进行远程监测，也觉得学习情境很“实在”。在学习内容方面，超过50%的传统学习者和数字化学习者认同运用远程气象监测站具有“信息多，情感体验丰富”的优势。通过访谈得知，学习者认为，利用远程气象监测站学习，不仅可以同时掌握气压、气温、湿度、风向、风速、雨量等多种气象参数信息，还可以通过配套软件得出年 / 月 / 日降雨量、最高温度、最低温度、露点温度、体感温度、风寒指数等较复杂的气象数据，信息量巨大，情感体验丰富。
在自我激励方面，93%的数字化学习者认为，运用远程气象监测站学习在激发想象力和创造性方面有较大优势，这反映出青少年学生的想象力丰富，创造精神强，很容易在数字化认知工具的使用中得到激发。通过访谈得知，由于传统气象监测仪器操作复杂且数据不够准确，探究活动结果不太理想，易使学习者对气象学习失去信心。数字化认知工具的引入使探究活动的成功率增加，能在一定程度上增强学习者的自信心。
无论是传统学习者还是数字化学习者，都认为计算机支持下的协作学习对培养合作精神影响颇大。而在促进人与人之间的交流方面，数字化学习者对协作学习促进人际交往、发展社会交往技能的优势体验更深刻。
在满足求知欲和培养学习兴趣方面，数字化学习者的态度比传统学习者更为乐观。在激发学习动机方面，41%的数字化学习者认为基于远程气象监测站的学习优势较大。远程气象监测站中丰富多样的学习信息可以最大限度地满足学习者的求知欲和好奇心。在马斯洛需要层次理论中，认知的需要指人对于周围的一切具有一种与生俱来的好奇心，主要表现为喜爱分析、把事物还原为其基本组成、喜欢做实验并看到实验的最终结果、愿意对问题作出解释等。可见，计算机支持下的学习能更大限度地满足学习者“认知的需要”。
四、基于教育云的远程气象监测站应用展望
《“十四五”国家信息化规划》明确提出，要开展“互联网 + 教育”云网一体化建设，构建泛在的网络学习空间，支撑各类创新型教学的常态化应用，推动优质教育资源开放共享，缩小区域、城乡、学校之间的差距，实现更加公平更有质量的教育。基于教育云的远程气象监测站的建设是一项庞大的系统工程，需要科学论证和合理的规划设计。笔者结合我国气象资源的分布情况，初步提出基于教育云的远程气象监测站建设规划模型，为远程气象监测站的应用发展提供参考。
（一）整合优质气象教学资源
我国有热带季风气候、亚热带季风气候、温带季风气候、温带大陆性气候、高原山地气候等主要气候类型。可在各气候带中的相应地区选取一些教育信息化程度较高的中小学，建立远程气象监测站。云计算技术可以使每个远程气象监测站都成为数据存储中心和数据计算中心，整合优质气象教学资源。教育云提供了海量的存储空间，可以将远程气象监测站采集到的气象数据实时上传并存储在云端，不仅保证了数据的安全性和长期可访问性，还使不同地区、不同学校的师生都能够共享这些数据资源。通过云端的数据共享平台，教师可以轻松获取丰富、准确的气象数据用于教学和研究，而学生则可以接触第一手的气象资料，增强对气象科学的理解和兴趣。
（二）提供均等的气象监测机会
建设基于教育云的远程气象监测站，可以实现欠发达地区与发达地区的对接。发达地区的学校可在教育云平台上发布优质气象教学资源，欠发达地区的学校可通过云平台获得共享；发达地区的教师也可通过教育云平台与欠发达地区的学生进行远程交流，较好地解决城乡之间、区域之间、学校之间教育发展不均衡的问题。此外，无论是城市还是乡村，无论是重点学校还是一般学校，学生都能通过最基础的网络条件及计算机设备进入远程气象监测站进行气象监测活动，体验远程学习。对于身 体有碍而无法进行户外气象监测的学生，同样能够通过特殊的计算机设备进行远程监测，实实在在地体现教育的公平性。
（三）促进基于区域间差异的气象主题协作学习
在协作学习中，差异实质上是一种学习资源。基于差异的学习策略开展协作学习，其目标并不是制造差异，而是通过差异引发深层次学习，使参与协作学习的伙伴能够共同发展，促进他们相互启发，最终达到缩小或消除差异的目的。学生可以运用基于教育云的远程气象监测站，开展跨区域的同步观测与数据共享，基于不同区域的气象数据进行对比分析，探究区域间气象差异的成因与影响；进一步开展关于气象主题的协作调查研究活动，如全国气候变化调查、日照调查、酸雨调查、城市热岛效应调查、沿海地区台风来袭情况调查等，探索自然变化与气候变化的规律、气候因子间的互动关系、气象与生活的关系，在此过程中实现信息交换、传授借鉴、协作研究、通信对话、交换意见、同伴互评、共同发展的目的。在教育云平台上建立专门的协作学习交流区，可支持学生、教师及气象专家之间的实时互动，让他们通过视频会议、在线论坛等形式，分享观测结果、讨论问题、交流心得，促进区域间的知识共享与思想碰撞。还可以邀请气象专家参与协作学习项目，为学生提供专业指导与资源支持，帮助学生深入理解气象知识，提高学习效果。
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发表于 2025-7-16 16:21:27