“地磁學(xué)”課程內(nèi)容優(yōu)化與教學(xué)方法探索

李媛媛+楊宇山+黃寶春+劉慶生

摘要：本文以理科地球物理學(xué)專業(yè)的“地磁學(xué)”課程為例，就課程內(nèi)容的整合與優(yōu)化、教學(xué)方法與手段的革新等方面進(jìn)行了探討。在明確課程教學(xué)目標(biāo)的前提下，通過強(qiáng)化基礎(chǔ)理論，增加反映學(xué)科發(fā)展動(dòng)態(tài)和國(guó)內(nèi)外重大成果的內(nèi)容，以及添加實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)來優(yōu)化課程內(nèi)容。為了切實(shí)提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，引進(jìn)先進(jìn)的教育教學(xué)理念和方式，融入課堂教學(xué)體系，改進(jìn)教學(xué)質(zhì)量，從而培養(yǎng)更多的拔尖創(chuàng)新人才。

關(guān)鍵詞：地磁學(xué)；課程優(yōu)化；教學(xué)方法；自主學(xué)習(xí)

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2017）03-0102-03

“地磁學(xué)”課程是中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）為地質(zhì)與地球物理實(shí)驗(yàn)班地球物理學(xué)（理科）專業(yè)本科生開設(shè)的一門專業(yè)主干課，目的是通過系統(tǒng)講述地球磁場(chǎng)的起源及規(guī)律來探索地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)和磁性特征，為了解和認(rèn)識(shí)地球的內(nèi)部構(gòu)造，探究地球內(nèi)部動(dòng)力學(xué)及行星動(dòng)力學(xué)提供重要的判據(jù)。同時(shí)為預(yù)防和減輕自然災(zāi)害，探測(cè)和開發(fā)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中急需的能源及資源等服務(wù)。在我院2004年創(chuàng)立地質(zhì)與地球物理實(shí)驗(yàn)班之初，就將“地磁學(xué)”課程列為主要的專業(yè)主干課進(jìn)行建設(shè)。經(jīng)過十多年的發(fā)展、建設(shè)和積累，“地磁學(xué)”課程逐漸明確教學(xué)目標(biāo)，教學(xué)內(nèi)容不斷更新、整合和優(yōu)化。同時(shí)以“切實(shí)促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果”為宗旨，不斷革新教學(xué)方法與手段，啟發(fā)學(xué)生主動(dòng)思考，激發(fā)學(xué)習(xí)和科研興趣，培養(yǎng)具有國(guó)際化視野和挑戰(zhàn)精神的研究型人才。

一、明確教學(xué)目標(biāo)，優(yōu)化課程內(nèi)容

課程內(nèi)容優(yōu)化必須以人才培養(yǎng)目標(biāo)和培養(yǎng)規(guī)格為依據(jù)，以師資、學(xué)科和軟硬件條件為支撐，在明確教學(xué)目標(biāo)的基礎(chǔ)上，對(duì)課程體系與結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面地重構(gòu)與優(yōu)化。服務(wù)于我院地質(zhì)與地球物理實(shí)驗(yàn)班的人才培養(yǎng)目標(biāo)，作為專業(yè)主干課程之一的“地磁學(xué)”，課程教學(xué)目標(biāo)為在掌握數(shù)學(xué)、物理學(xué)、地質(zhì)學(xué)及信息科學(xué)等學(xué)科知識(shí)的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)地學(xué)習(xí)地磁學(xué)的基本理論和方法技術(shù)，牢固掌握從地面、地下、空間及實(shí)驗(yàn)觀測(cè)所獲得的磁測(cè)數(shù)據(jù)的處理與解釋方法，初步具備系統(tǒng)科學(xué)思維進(jìn)行地磁學(xué)研究，得到從事基礎(chǔ)研究和應(yīng)用基礎(chǔ)研究方面的能力訓(xùn)練，為人類開發(fā)利用資源，認(rèn)識(shí)自然災(zāi)害及地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)等領(lǐng)域培養(yǎng)造就一大批銳意進(jìn)取的高級(jí)研究人才。作為地球物理學(xué)的支撐學(xué)科之一，“地磁學(xué)”課程在劉慶生、黃寶春等一批著名教授的帶領(lǐng)下，開創(chuàng)和初步建立了教學(xué)和科學(xué)研究體系，并在教學(xué)實(shí)踐中不斷調(diào)整和優(yōu)化課程體系。

1.強(qiáng)化基礎(chǔ)理論，簡(jiǎn)化次要的內(nèi)容。地磁場(chǎng)是重要的地球物理場(chǎng)之一，它具有復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)和時(shí)空演化。地磁學(xué)的研究?jī)?nèi)容非常廣泛，包含現(xiàn)今地磁場(chǎng)的組成和規(guī)律、古代地磁場(chǎng)、巖石的磁性、地球磁場(chǎng)的起源、地磁測(cè)量、天體磁場(chǎng)及生物磁場(chǎng)等。而現(xiàn)今地磁場(chǎng)的成分又是十分復(fù)雜的，除了液態(tài)外核產(chǎn)生的主磁場(chǎng)外，還有地殼磁性巖石在主磁場(chǎng)磁化下產(chǎn)生的附加磁場(chǎng)，通常稱為磁異常。除此之外，現(xiàn)今地磁場(chǎng)還存在著緩慢的長(zhǎng)期變化和短期變化。在課時(shí)有限（40學(xué)時(shí)）的前提下，無法做到面面俱到。課程組通過廣泛調(diào)研國(guó)內(nèi)外知名大學(xué)“地磁學(xué)”課程設(shè)置及教學(xué)內(nèi)容，認(rèn)真分析教材體系和內(nèi)容[1-7]，從中梳理出目前地磁學(xué)的基礎(chǔ)概念與理論，并認(rèn)真聽取多年教學(xué)實(shí)踐中學(xué)生對(duì)于講授內(nèi)容的反饋與意見，逐步完善和優(yōu)化了課程的基本內(nèi)容。

課程的理論教學(xué)主要包含以下基礎(chǔ)內(nèi)容：磁學(xué)的物理基礎(chǔ)（2學(xué)時(shí)）、基本地磁場(chǎng)的高斯分析（2學(xué)時(shí)）、偶極子與非偶極子場(chǎng)的特征（2學(xué)時(shí)）、地磁場(chǎng)的長(zhǎng)期變化（2學(xué)時(shí)）、地磁場(chǎng)起源（2學(xué)時(shí)）、磁異常場(chǎng)特征和巖石磁性（2學(xué)時(shí)）、磁異常的正演理論（4學(xué)時(shí)）、磁異常的處理與轉(zhuǎn)換（4學(xué)時(shí)）、磁異常反演的基本概念和應(yīng)用舉例（2學(xué)時(shí)）、巖石的天然剩余磁化強(qiáng)度（2學(xué)時(shí)）、剩磁穩(wěn)定性（2學(xué)時(shí)）、古地磁場(chǎng)測(cè)定（2學(xué)時(shí)）、古地磁場(chǎng)的特征及應(yīng)用（2學(xué)時(shí)）、地磁測(cè)量與磁測(cè)儀器（2學(xué)時(shí)）。

2.增加反映學(xué)科發(fā)展動(dòng)態(tài)和國(guó)內(nèi)外重大成果的內(nèi)容。為了激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，及時(shí)了解地磁學(xué)研究的最新進(jìn)展，筆者在課程中力求融入學(xué)科的最新進(jìn)展和富有啟發(fā)性的成果。比如在介紹大陸和海洋的磁異常特征時(shí)，會(huì)引入Richard J. Blakely教授[8]和劉慶生教授[9]關(guān)于上地幔橄欖巖蛇紋石化引起的磁異常特征變化的最新發(fā)現(xiàn)；在地磁測(cè)量中增加衛(wèi)星磁測(cè)在探索巖石圈與上地幔多層次、多深度、多級(jí)均衡的內(nèi)容；在巖石磁性中增加環(huán)境磁學(xué)研究方面的應(yīng)用和進(jìn)展。

3.結(jié)合我院專業(yè)特色，增加實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)。理科教育除了強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)理論、創(chuàng)新性思維和能力的培養(yǎng)，還應(yīng)重視理論在實(shí)踐中的應(yīng)用，促進(jìn)學(xué)生在理論與應(yīng)用方面協(xié)調(diào)發(fā)展。因此，對(duì)于實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，必須優(yōu)化設(shè)計(jì)少而精的內(nèi)容，鼓勵(lì)學(xué)生在解決實(shí)際問題的過程中不斷加強(qiáng)動(dòng)手能力和探索精神。為此，課程專門安排學(xué)生實(shí)地參觀湖北省地震局位于九峰山的地磁觀測(cè)站，了解地磁場(chǎng)的臺(tái)站觀測(cè)常用儀器、數(shù)據(jù)記錄及處理工作流程等。另外，結(jié)合我院應(yīng)用地球物理的專業(yè)優(yōu)勢(shì)，增加了質(zhì)子磁力儀操作實(shí)習(xí)和計(jì)算機(jī)上機(jī)實(shí)習(xí)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與解釋，以我國(guó)重點(diǎn)礦集區(qū)地面磁測(cè)資料為例，設(shè)計(jì)問題，引導(dǎo)學(xué)生自己設(shè)計(jì)解決方案，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，進(jìn)而獲得解釋結(jié)果并寫出實(shí)習(xí)報(bào)告。

二、教學(xué)方法探索與實(shí)踐

任何優(yōu)化的課程體系、先進(jìn)的教學(xué)內(nèi)容必須通過教學(xué)方法與技術(shù)來具體實(shí)現(xiàn)?？梢哉f，教學(xué)方法的改革是保證教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

1.宏觀與微觀結(jié)合。所謂宏觀即是對(duì)課程的整體把握。老師在開課時(shí)應(yīng)首先從宏觀上把握課程，向?qū)W生講清楚學(xué)科的產(chǎn)生和發(fā)展背景，以及解決什么問題。能夠做好這一點(diǎn)，需要教師學(xué)習(xí)、收集、查閱與課程相關(guān)的科學(xué)領(lǐng)域和學(xué)科的科技積累、歷史和學(xué)科發(fā)展現(xiàn)狀、問題和未來走勢(shì)，并在這一學(xué)科領(lǐng)域從事長(zhǎng)期的科研實(shí)踐。這不是一朝一夕的事，需要教師長(zhǎng)期求索、終生積累。筆者在開課之初，除了介紹地磁學(xué)的發(fā)展歷史和研究現(xiàn)狀，還著重提到了地磁學(xué)發(fā)展長(zhǎng)河中起到里程碑式作用的人物和他們的貢獻(xiàn)，比如偉大的德國(guó)數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家對(duì)于地磁場(chǎng)的球諧分析，以及建立精確地磁測(cè)量臺(tái)網(wǎng)對(duì)于地磁學(xué)系統(tǒng)發(fā)展的深遠(yuǎn)影響。在大師們的學(xué)術(shù)魅力影響下，同學(xué)們更加積極主動(dòng)地參與到教學(xué)活動(dòng)中來，營(yíng)造出了一個(gè)更為親密的團(tuán)體氛圍。

微觀是對(duì)課程中具體概念、原理的把握。在這方面，教師本人對(duì)基本概念和規(guī)律的正確掌握是第一要?jiǎng)?wù)。由于各種因素的限制，教師未必能做到博覽群書，甚至教學(xué)參考資料往往只局限于一本教材，而教材的質(zhì)量又未必盡如人意，可能存在不妥之處。倘若老師深信不疑，就會(huì)以訛傳訛，甚至誤導(dǎo)學(xué)生，難以保證教學(xué)質(zhì)量。為了能嚴(yán)謹(jǐn)、準(zhǔn)確地將基本概念傳授給學(xué)生，需要教師虛心學(xué)習(xí)，努力提高自己的學(xué)術(shù)水平，開闊學(xué)術(shù)視野。除了認(rèn)真閱讀參考課程相關(guān)的教材和參考書，教師還應(yīng)盡可能多地參加學(xué)術(shù)性研究和教學(xué)研討會(huì)，從而擴(kuò)大視野，加深對(duì)基礎(chǔ)理論的理解。

2.研究學(xué)生學(xué)習(xí)規(guī)律，懂得學(xué)生怎樣學(xué)習(xí)。在傳統(tǒng)概念中，知識(shí)是灌輸?shù)?。老師耐心?xì)致地講述教材，學(xué)生在課堂聽、抄、儲(chǔ)存知識(shí)。然而，學(xué)生真的從聽課中學(xué)到了多少？剛開始執(zhí)教時(shí)，筆者曾經(jīng)精心準(zhǔn)備授課筆記，課前課后親切地關(guān)心、輔導(dǎo)學(xué)生，但是在最后的期末考試答疑中，我還是非常驚訝地發(fā)現(xiàn)不少學(xué)生對(duì)于基本的概念還是沒有掌握清楚，甚至是混淆和錯(cuò)誤的。這也促使我認(rèn)真思考，怎樣能夠幫助學(xué)生更好地提高學(xué)習(xí)效果呢？通過苦苦的思索和研究學(xué)習(xí)，我逐漸意識(shí)到，原來學(xué)生不是簡(jiǎn)單的“知識(shí)儲(chǔ)存箱”，我們傳輸?shù)闹R(shí)并不是學(xué)生所最終獲得的。學(xué)生會(huì)自主分解、重組知識(shí)來建構(gòu)一套自己的認(rèn)知體系。也就是說，學(xué)習(xí)是一個(gè)主動(dòng)的建構(gòu)過程，只有學(xué)習(xí)者將新信息聯(lián)系先前的知識(shí)，將其組織成對(duì)個(gè)人有意義的理解時(shí)，才有可能長(zhǎng)期保存并應(yīng)用這些信息[10]。這也就能夠理解，對(duì)于學(xué)生而言，老師進(jìn)行準(zhǔn)備講授的知識(shí)是一套外在的知識(shí)架構(gòu)，與他們既有的知識(shí)體系或許并立，或許有矛盾。少數(shù)學(xué)生有足夠的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)可以整合新舊概念。但多數(shù)學(xué)生采取捷徑，憑死記來“全盤接收”老師講授的知識(shí)。這樣的學(xué)習(xí)效果是膚淺、短暫的，考試通過之后知識(shí)很快就可能又統(tǒng)統(tǒng)還給老師了。所以，教師的出發(fā)點(diǎn)應(yīng)該不僅關(guān)注“如何更好地講述課程內(nèi)容”，而是更多地思考“如何讓學(xué)生主動(dòng)學(xué)”。在這個(gè)原則指導(dǎo)下，教師應(yīng)關(guān)注學(xué)生根據(jù)自己的理解所做出的判斷，留心分析學(xué)生常有的錯(cuò)誤觀念，繼而精心解釋并安排相關(guān)的閱讀材料來詳盡釋疑。要做到這一點(diǎn)并不容易，需要全面地備課，同時(shí)又需要因材施教，根據(jù)學(xué)生的個(gè)人情況隨機(jī)應(yīng)變。雖然挑戰(zhàn)很大，但是看到課堂上學(xué)生們對(duì)知識(shí)渴求的眼神和可喜的進(jìn)步，教師也收獲了很多滿足。

3.探索多元化學(xué)習(xí)與考核方式。每位學(xué)生學(xué)習(xí)的方式都不盡相同。有些學(xué)生偏好按部就班、正襟危坐地聽課，他們觀察力強(qiáng)，關(guān)注細(xì)節(jié)，能夠有條理地通過標(biāo)準(zhǔn)方法解決問題；有些學(xué)生的注意力就沒有那么集中，他們可能偏好以抽象理解及聯(lián)想來處理新概念，他們往往能創(chuàng)新，但有時(shí)會(huì)忽略細(xì)節(jié)。在傳統(tǒng)的教學(xué)模式基礎(chǔ)上，我們應(yīng)盡量設(shè)計(jì)多元化的學(xué)習(xí)渠道，使各類型的學(xué)生們有機(jī)會(huì)以自己擅長(zhǎng)的方式參與學(xué)習(xí)活動(dòng)，從而有效地提升學(xué)習(xí)效果。例如，在口頭講解理論時(shí)，進(jìn)一步提供一些動(dòng)手實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)。又或者從講授的內(nèi)容中篩選出若干關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)，用10—15分鐘分段講授。每段之間暫停，給學(xué)生幾分鐘思考時(shí)間，要求學(xué)生回答問題，總結(jié)重要概念，與同學(xué)分組討論/匯報(bào)等。這樣穿插的小活動(dòng)有維持學(xué)生注意力，激發(fā)好奇心的作用。除了學(xué)習(xí)方式多元化外，考核的方式也應(yīng)靈活多樣。課程結(jié)束后的評(píng)價(jià)方式多是閉卷考試，主要考察學(xué)生對(duì)于教材內(nèi)容的掌握程度。很多同學(xué)根據(jù)課堂講授內(nèi)容，參照課本和參考書，背重點(diǎn)、套公式來解題，并未完全了解概念和原理的意義?？荚囯m然可以拿高分，但考試后很快就會(huì)忘掉，在實(shí)際情況中更難以應(yīng)用這些原理。為了培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，“地磁學(xué)”課程考核方式進(jìn)行了改革，采用平時(shí)學(xué)習(xí)過程中對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)狀況的考察、讀書報(bào)告（書面+口頭）和期末考試相結(jié)合的方式。平時(shí)的考察包含對(duì)“課堂到課率”、“課堂討論”、“習(xí)題作業(yè)”等的評(píng)價(jià)。除此之外，課程結(jié)束后，會(huì)給同學(xué)們列出“地磁學(xué)”研究中的熱點(diǎn)問題，引導(dǎo)學(xué)生廣泛閱讀文獻(xiàn)，設(shè)計(jì)解決問題方案，編寫規(guī)范的讀書報(bào)告，并做口頭匯報(bào)。這一環(huán)節(jié)能夠讓同學(xué)們體驗(yàn)科研工作的全過程，使學(xué)生的關(guān)注點(diǎn)從單純的書本學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)向親自動(dòng)手實(shí)踐，從而培養(yǎng)了學(xué)生獨(dú)立工作的能力，激發(fā)了學(xué)生從事科學(xué)研究工作的熱情。

三、結(jié)語

“地磁學(xué)”課程建設(shè)與教學(xué)方法改革是一項(xiàng)長(zhǎng)期、系統(tǒng)的教育教學(xué)改革工程，應(yīng)當(dāng)根據(jù)專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)、師資力量、教育資源等構(gòu)建出體現(xiàn)學(xué)科優(yōu)勢(shì)的課程體系。同時(shí)應(yīng)及時(shí)將國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的教育教學(xué)方式和教學(xué)組織形式融入教學(xué)體系，讓每個(gè)學(xué)生在學(xué)習(xí)中享受樂趣，在學(xué)習(xí)中受益終身。

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The Optimization of Curriculum Contents and Study on the Teaching Methods for "Geomagnetism" Course

LI Yuan-yuan1，YANG Yu-shan1，HUANG Bao-chun2，LIU Qing-sheng1

（1. Hubei Subsurface Multi-scale Imaging Key Laboratory，Institute of Geophysics and Geomatics，

China University of Geosciences，Wuhan，Hubei 430074，China；

2. School of Earth and Space Sciences，Peking University，Beijing 100871，China）

Abstract：The optimization of curriculum contents and study on the teaching methods for the "Geomagnetism" course are carefully discussed in this article. After establishing the teaching goal of the course，we refine and optimize the curriculum contents with the strengthen of basic theories，and keeping abreast of advances by adding the latest development and significant achievements in the geomagnetism subject. In order to promote the students' learning efficiency，we integrate the advanced education and teaching philosophy into classroom teaching to stimulate the students' study passion and critical thinking.

Key words："Geomagnetism"；optimization of curriculum contents；teaching methods；independent learning