2021-2022学年高中信息技术沪科版（2019）必修1 数据与计算第二单元 单元挑战 采集与分析气象数据 教案

第一单元 走进数据时代
项目一 气象数据及其应用——认识数据的价值
第一课时 从气象数据采集到应用
教材分析
本节的主要内容是从气象数据采集到天气预报和气象数据在社会各领域中的应用。本项目紧扣数据这一学科大概念，从认识气象预报中各种形式的数据入手，阐释了数字、数值、数据的含义及它们的区别。
教学目标
1.理解数字、数值、数据的基本含义；
2.感受数据对人们日常生活、社会经济发展、科学发现与技术进步的影响。
3.认识数据作为新的原材料、生产资料和基础设施的价值与意义。
教学重点
1.理解数字、数值和数据的基本含义，认识数据作为新的原材料、生产资料和基础设施的价值与意义；
教学难点
1.认识数据作为新的原材料、生产资料和基础设施的价值与意义；
教学方法
体验法、讲授法、讨论法、示例法
教学准备
　　计算机教室、多媒体设备、多媒体广播软件、教学课件
教学过程
一、新课导入
观看一段天气预报视频。
气象信息在保障人民群众生产生活和国民经济发展，促进生态环境保护中的作用日益显著。随着我国气象信息化事业的不断发展，气象领域积累了大量的数据，激增的数据背后隐藏着许多重要的信息。要充分利用这些数据并从中发现有用的信息，推动气象学科的发展和进步，为人民生活提供及时的个性化气象服务，为社会生产提供专业化的气象服务(图1-1)，为做好防灾减灾等公共安全预警和应急处置等提供决策支持，需要气象学家、计算机工程师以及其他相关职能部门的通力合作。
墨迹天气应用，按时间、空间等维度进行查询，提前预知晴雨情况，并根据查询结果合理规划行程安排，让出行更便捷、安全。不可否认，墨迹天气提供的精准、全面的天气查询服务，为人们的生活和出行提供了切实的便利。
在为用户提供精准全面天气查询服务的同时，墨迹天气深入挖掘用户需求，通过AI技术的深入应用，推出出行、钓鱼、旅游、亲子、运势等多个生活化场景板块，以及紫外线指数、洗车指数、花期预报、滑雪指数、穿衣指数、感冒指数、彩虹指数报告等生活化指数服务，打造个性化气象服务，让气象服务真正为人们的生活决策提供指导。
二、从气象数据采集到天气预报
常言道：“天有不测之风云。”预测天气是一件很难的事到19世纪中叶，基于近代科学的天气预报方法才正式确立20世纪中叶，随着计算机技术的发展，世界各国相继采用了数值天气预报方法，预报的准确度得到了极大的提高
图1-2所示天气预报信息中，28.19Pa、0.9m/s、87%、0.1mm、3~4级，我们把它们称为数据，28.199999、87、0.1称为数值，组成数值的0、1、2、3…9称为数字。气象要素(温度)、数值(28.1)、单位摄氏度(℃)，一起构成了温度这个数据。
图1-2常规天气预报信息
天气预报是怎么制作出来的？实际上，天气不仅受到各种气团的影响，还受到当地地形、水域状况等众多因素的影响，任何随机的因素变化都可能引起意想不到的天气变化。
看似简单的天气预报信息，其背后都有非常庞杂的数据采集作支撑。从简单的温湿度计到复杂的能见度仪，从蓝天中的探空气球到大海上的浮标站，从矗立在地面的天气雷达到游弋于太空的气象卫星，各种各样的气象观测手段织成一张精密的大网，忠实记录着气象数据，如下页图1-3所示。
我们每日接收到的天气预报信息，就是由如此庞杂的数据，再加上欧亚甚至全球的所有气象数据，通过筛选、运算、分析等系列复杂的工作流程得到的。随着预报业务的不断发展这些数据将更加精准，数量也将继续增加。
小贴士
数值天气预报是目前全世界广泛应用的一种天气预报方法。它根据描述大气运动规律的气体实验定律、水汽守恒定律和热力学能量守恒定律等多个物理定律建立方程组，确定某个时刻大气的初始状态和边界条件后，通过数学方法求解，计算出未来某个时间大气的状态，就是通常所说的天气形势及有关的气象要素如温度、风、降水、辐照度等。
核心概念
数据(data)是对客观事物属性的描述，是记录下的某种可以识别的符号。在计算机科学中，数据是指所有能输入到计算机中并被计算机程序处理的符号的总称。数据承载着信息，把采集到的数据进行加工、分析，可以产生信息。
近年来，随着气象部门观探测能力的不断提升，以及对气象数据的处理能力和可视化能力不断增强，气象部门向公众提供的预报信息越来越精细准确、生动形象，大大提高了气象服务的质量，如图1-4所示。
小贴士
随着信息技术的发展，计算机系统不仅可以处理数值、文本，还可以处理声音、图形、图像、视频等类型的数据。
三、气象数据在社会各领域中的应用
随着社会经济的发展和人民生活水平的提高，社会公众、各行各业和国家防灾减灾部门对气象服务的需求日益增长，对天气预报的准确率、精细化程度和预报时效等提出新的、更高的要求。气象部门则充分利用气象观探测数据，提供更好的信息服务和决策参考。
1.人们日常生活
随着生活水平的提高，人们越来越注重生活质量，需要更多更方便的渠道获较舒适取更详细、更准确、更及时、更个性化的天气气象信息。为了更好地满足这种需求，除了常规天气预报信息外，现在气象部门还对各种气象数据进行综合分析，提供多种预报服务，如图1-5所示。
图1-5生活气象指数
小贴士
生活气象指数预报是气象部门根据公众普遍关心的生产生活问题和各行各业工作性质对气象敏感度的不同要求，引进数学统计方法，对气压、气温、空气湿度等多种气象要素进行计算而得出的量化预测指标。这些指数是对天气预报的进一步深化。
2.国民经济建设
我国正处在全面建设更高水平小康社会的重要历史时期，气象服务在国民经济各行各业发展中的作用越来越重要。气象观探测数据一直在为农业、交通、航空、航天、水利、环境、电信、电力和能源等行业提供决策参考。
例①气象观测数据服务海洋石油工程
海洋石油工程作业对安全保障有极高要求。当出现台风、大风、海雾、强对流天气时，海石油平台对准确精细的天气预报服务有着强烈需求，工程作业船迫切需要关于所在区域海上灾害性天气的针对性预警。截至2016年底，气象部门已经建设并纳入业务运行的有373个海岛自动气象站、41个锚锭浮标自动气象站、52个船载自动气象站、46个塔台自动气象站和35个海上石油平台自动气象站。中国海洋石油集团有限公司也在16个平台安装了风、浪、流水文综合观测系统，设法满足企业对海上作业精细化气象保障和海上气象观测资料的需求。
例②气象数据助力农业经济发展
农业生产的每个环节都与天气、气候条件密切相关，我国气象部门一直把为农业服务作为基本业务。气象部门要做到：为农业部门及广大农民提供旱、涝、低温、霜冻等灾害性天气的长、中、短期预报，提示农民在气象灾害到来之前做好防灾准备；利用卫星遥感和地面农业气象网数据，提供作物长势、灾情、土壤水分、天气气候条件等农业气象监测和预测信息，并分析气象条件利弊，提出趋利避害的农业生产管理建议；根据作物长势、面积及气象条件，进行农作物产量预报，定期向国家图及各省市提供预报结果，从而为农业经济发展助力。
例③气象数据为青藏铁路提供决策参考
青藏铁路沿线平均海拔在4000米以上，闪电、雷暴、雪和冰雹等灾害性天气事件时常发生(图1-8)。这些恶劣天气直接加大了青藏铁路沿线的供电隐患。为了保证青藏铁路的正常、安全供电，气象部门专门为用户加工处理了青藏铁路沿线各气象站多年来关于闪电、雷暴、雪冰雹等非常规气象的资料，形成专题数据集，为制定沿线冻土及融冻地区对输变电工程的接地要求、变电所史时的防雷标准、沿线多雷区输电线路的耐雷水平越重和雷击跳闸率等开展专项服务，确保了青藏铁路供电系统的可靠性。
3.科学发现与技术创新
气象观测数据和信息是开展天气预警预报、气候预测预估及各类气象服务、科学研究的基础，是推动气象科学发展的原动力。
例④GRAPES“隔空指挥”风云四号加密观测
2018年第10号台风“安比”于7月22日12时30分前后在上海登陆后，一路北上，数天内给华东、华北及东北地区带来较大风雨影响。
在这次对台风“安比”的路径及风雨预报中，一种创新性的方法首次启用，即 GRAPES数值预报系统“隔空指挥风云四号气象卫星(图1-9)在特定区域内开展加密观测回传数据实时进入 GRAPES系统，最终成功改善了对台风“安比”的预报。根据评估，风云四号卫星与 CRAPES进行配合，24小时加密观测为精准预报台风“安比”的风雨影响提供了重要定量预报产品支撑，最终成功提高了目标区域内的预报效果。
图1-9风云四号气象卫星
四、数据及其价值
数据是计算机加工的基本对象，是现实世界中种事物和现象的抽象化和符号化。伴随着信息技术的发展，计算机可处理的数据类型越来越多，现代计算机处理的不再是单纯的数值型数据，更多的是文本、图形、图像、音频、视频等非数值型数据。
数据是事物属性的刻画，反映出事物的信息。通过对数据的挖掘，可以发现数据里面所隐藏的各种信息，找到数据规律并挖掘出所隐含的自然或社会规律。因此，信息技术的高速发展所带来的海量数据和信息量无疑是一座重要的宝库。
从移动支付到共享经济，大数据正在加速重塑大众生活的诸多方面；从万物互联到智慧城市，大数据正在深刻影响着经济发展、社会治理、国家管理的各个领域。上海全面推广“健康云”，病历和就诊数据汇集“上云”，就诊记录一键查询，转诊信息顺畅共享；重庆江北区智慧城管系统为路灯、排水管网、环卫车等加装智能设备，采集到的运行状态数据由“智慧城管”进行精细的分析处理；全国多地交管门联合高德地图，借助大数据分析技术为春运“摩托大军”提供最佳返乡路线、个性化路况提示，让春运更有“温度”；全国首个旅游大数据公共服务平台“杭州旅游数据在线”上线，游客通过手机便可了解景点实时拥堵度、酒店好评率等信息。
大量用户数据与信息催生了一系列消费者行为的研究与分析。企业利用用户数据可以给用户画像，对用户进行细分，精准感知用户需求，从而基于数据优化产品设计，为用户提供更好的服务。制造业通过工业大数据与自动控制和感知硬件、工业核心软件、智能服务平台等融合发展，形成数据驱动的工业发展新模式，对每个产品从生产、销售到用户使用环节的数据采集、分析和应用，提高生产效率、减少库存、延伸产业链。
在科学研究领域，科学数据的采集、传输、存储和处理等环节都发生了重大变化。如今各种观测、实验设备都装备了智能系统，实现了数据智能采集和管理。特别是数据可以实现远程共享。有专家提出，数据规模及其采方式的不同，让数据挖掘成了科学发现的一种重要工具。“在21世纪，人们通过各种工具不间断地采集着海量的科学数据，也通过计算机模型产生着大量的信息，其中大部分已经长期存储在各种在线的、可以公共获取的、得到有效管理的系统上，可以支持持续的分析，这些分析将引发许许多多新理论的发现。”
跨行业、跨领域数据的开放共享、综合利用和协同创新，给基于数据解决社会问题带来了新的希望。如通过分析气象报告、潮汐相位、地理空间、卫星图像等海量数据，优化风力发电机的布局，合理进行电力系统调度、提高风力发电效率，确保电力系统运行稳定；通过手机信令数据和呼吸道传染疾病医疗数据，分析该病暴发的时间、地点以及传播模型为该病的预防和控制服务。
随着数据成为国家的战略资源、企业的核心资，同时对个人也越来越重要，数据也成为违法犯罪分子的重点关注目标，数据安全问题受到全世界从政府到普通公众的重视。此外，规模庞大的数据中心在成为全球强大的经济引擎的同时，也消耗了巨大的能量。数据中心绿色建设、高效运营已是迫在眉睫的任务。
五、课后活动
1.竺可桢是我国当代著名的气象学家和地理学家，是物候学发展的推动者。
①收集资料，了解他组建早期中国气象观测网的经历，思考他对我国气象科学发展的贡献。
②读他的《大自然的语言》，了解物候观测的内容。思考并讨论：既然可以通过仪器设备采集气象数据，他为什么还要数十年如一日坚持开展物候观察和记录？
2.登录中央气象台或中国气象局网站，了解中央气象台或中国气象局向公众提供哪些形式和内容的气象服务。
3.收集资料，了解动态气象预报产品是如何制作的，在班级里向其他同学作介绍。
4.举例说明随着信息技术的发展，“数据”的内涵有了哪些变化。
5.每个生活气象指数的计算需要选择影响因子进行数学建模，再通过计算得出结论。收集资料，了解“中暑指数”“晨练指数“感冒指数”分别选用哪些气象数据作为影响因子。和同伴探讨交流：这些生活气象指数的计算合理吗？