高等學(xué)?！兜厍蚩茖W(xué)導(dǎo)論》課程教學(xué)改革與探索

章鳳奇，石許華，楊小平，曹 龍，勵(lì)音騏，張 豐，劉 艷，程曉敢， 陳漢林，楊樹鋒

1.浙江大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，浙江省地學(xué)大數(shù)據(jù)與地球深部資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310058；2.浙江大學(xué) 建筑工程學(xué)院，杭州 310058

1 引言

“板塊構(gòu)造理論”是20世紀(jì)自然科學(xué)領(lǐng)域最具代表性的學(xué)術(shù)創(chuàng)新之一，不僅掀起了整個(gè)地球科學(xué)領(lǐng)域的一場重大革命，而且成為多學(xué)科交叉研究的成功典范。進(jìn)入到21世紀(jì)，地球科學(xué)正在經(jīng)歷著一場新的變革，即向多學(xué)科交叉融合的地球系統(tǒng)科學(xué)方向發(fā)展，這樣的融合并不僅僅局限于地球科學(xué)的各分支學(xué)科，還涉及信息科學(xué)、數(shù)理科學(xué)、生物科學(xué)和社會科學(xué)等（楊樹鋒，2001）。浙江大學(xué)是一所綜合型、研究型大學(xué)，學(xué)科幾乎涵蓋除軍事以外的所有學(xué)科門類。浙江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院隸屬理學(xué)部，經(jīng)過八十五年的不斷發(fā)展和壯大，現(xiàn)在已經(jīng)形成了一支涵蓋固體地球科學(xué)（地質(zhì)學(xué)、地球化學(xué)和地球物理學(xué)等）和表層地球科學(xué)（地理學(xué)、海洋科學(xué)和大氣科學(xué)）和數(shù)字地球科學(xué)（GIS、遙感和地學(xué)時(shí)空大數(shù)據(jù)等）各個(gè)領(lǐng)域的教學(xué)和科研隊(duì)伍，基本具備多學(xué)科融合發(fā)展地球系統(tǒng)科學(xué)的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)和獨(dú)特優(yōu)勢。為此，學(xué)院抓住學(xué)?！耙涣鞴歉苫A(chǔ)學(xué)科”、“雙一流學(xué)科”和 “國家級一流本科專業(yè)”等建設(shè)的契機(jī)，突破單一性地學(xué)學(xué)科發(fā)展的瓶頸和困局，提出以地球系統(tǒng)科學(xué)為目標(biāo)的多學(xué)科融合發(fā)展戰(zhàn)略，應(yīng)用大數(shù)據(jù)和人工智能為新方法新范式，奮力推進(jìn)發(fā)展大數(shù)據(jù)與地球系統(tǒng)科學(xué)的快車道。

學(xué)科的交叉融合發(fā)展不僅要體現(xiàn)在科學(xué)研究領(lǐng)域，而且也要貫穿到課程體系的改革、課程教學(xué)的實(shí)踐和創(chuàng)新性地學(xué)人才的培養(yǎng)中去。浙江大學(xué)《地球科學(xué)導(dǎo)論》課程就是在多學(xué)科融合發(fā)展背景下，新建設(shè)的一門面向地質(zhì)學(xué)、地理學(xué)和大氣科學(xué)三個(gè)本科專業(yè)的地球科學(xué)類平臺基礎(chǔ)課。按照地球系統(tǒng)科學(xué)的人才培養(yǎng)要求，課程改革面臨多方面的挑戰(zhàn)和機(jī)遇，在此我們將課程教育教學(xué)改革和探索實(shí)踐過程中的粗淺認(rèn)識與思考分享給國內(nèi)外同仁，以期拋磚引玉。

2 課程教學(xué)改革面臨的挑戰(zhàn)與策略

2.1 夯實(shí)基礎(chǔ)、拓寬視野，促進(jìn)地球系統(tǒng)科學(xué)的教學(xué)與發(fā)展

《地球科學(xué)導(dǎo)論》作為一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，其教學(xué)內(nèi)容涵蓋固體地球科學(xué)、表層地球科學(xué)和數(shù)字地球科學(xué)的方方面面，教學(xué)內(nèi)容涉及學(xué)科多、覆蓋面廣。因而如何夯實(shí)地球科學(xué)基礎(chǔ)，拓展學(xué)生的學(xué)科視野，促進(jìn)地球系統(tǒng)學(xué)科的教學(xué)與發(fā)展，是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

本課程固體地球科學(xué)部分的教學(xué)內(nèi)容包括：地球的起源和演化，地球圈層結(jié)構(gòu)，地球物質(zhì)成分，地球生命演化與地質(zhì)年代學(xué)，板塊構(gòu)造理論，火山、地震、地質(zhì)構(gòu)造與造山作用以及地球資源與能源等；表層地球科學(xué)的教學(xué)內(nèi)容包括：海洋科學(xué)，陸地水資源與流水地貌、冰川作用與冰川地貌、風(fēng)沙作用與干旱地貌，天氣學(xué)、大氣污染和全球氣候變化等；數(shù)字地球科學(xué)的教學(xué)內(nèi)容包括：地球數(shù)據(jù)的獲取與表達(dá)技術(shù)、虛擬地球系統(tǒng)、地球大數(shù)據(jù)、人工智能地學(xué)應(yīng)用等。在上述教學(xué)過程中，一方面要注重基本知識和概念、基本理論和知識體系的系統(tǒng)性，另一方面更要關(guān)注不同學(xué)科體系之間的關(guān)聯(lián)性。在課程后期，重點(diǎn)安排了2~3次綜合性專題性講座（比如青藏高原隆升及資源、環(huán)境和氣候效應(yīng)；大數(shù)據(jù)和人工智能專題），通過這樣的專題講座和討論，應(yīng)用大數(shù)據(jù)和人工智能等新技術(shù)、新方法和研究新范式，將固體地球科學(xué)和表層地球科學(xué)進(jìn)行有機(jī)的關(guān)聯(lián)，從而更好地理解地球系統(tǒng)有機(jī)統(tǒng)一的內(nèi)涵，啟發(fā)學(xué)生關(guān)注不同圈層系統(tǒng)相互作用的學(xué)習(xí)，推動學(xué)科交叉以及地球系統(tǒng)科學(xué)研究意識的培養(yǎng)。

2.2 課程思政、鑄魂育人，加強(qiáng)專業(yè)教育與立德樹人的融合

教育部2020年印發(fā)的《高等學(xué)校課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要》指出，“培養(yǎng)什么人、怎樣培養(yǎng)人、為誰培養(yǎng)人是教育的根本問題，立德樹人成效是檢驗(yàn)高校一切工作的根本標(biāo)準(zhǔn)”。而要落實(shí)立德樹人、鑄魂育人這一根本任務(wù)，必須將“價(jià)值塑造、知識傳授和能力培養(yǎng)三者融為一體”。因此，全面推進(jìn)課程思政建設(shè)，如何將價(jià)值觀引導(dǎo)更好地貫穿于知識傳授和能力培養(yǎng)之中，幫助學(xué)生塑造正確的世界觀、人生觀、價(jià)值觀，實(shí)現(xiàn)“德識雙馨”的價(jià)值導(dǎo)向（舒良樹等，2021），是專業(yè)課程教學(xué)改革和建設(shè)面臨的一項(xiàng)戰(zhàn)略性課題。

古今中外地球科學(xué)的發(fā)展歷史本身就是一座科學(xué)精神和奮斗精神的豐碑，蘊(yùn)含豐富的具有地學(xué)特色的思政元素。在教學(xué)過程中，我們注重把科學(xué)史、熱點(diǎn)問題與專業(yè)知識教學(xué)相結(jié)合。如，在地球宇宙環(huán)境章節(jié)，從地心說到日心說的發(fā)展過程中，講述科學(xué)家是如何為堅(jiān)持科學(xué)真理而奮斗的血淚史；在板塊構(gòu)造理論章節(jié)，介紹從魏格納“大陸漂移說”的提出、被擱置到板塊構(gòu)造理論的創(chuàng)立并掀起的地球科學(xué)革命，向同學(xué)們展現(xiàn)重大科學(xué)理論發(fā)展的曲折性；在介紹黃土、沙漠等干旱地質(zhì)作用章節(jié)，注意融入中國黃土之父——國家最高科學(xué)獎獲得者劉東生院士的科學(xué)發(fā)現(xiàn)和成就，展現(xiàn)中國黃土研究與國際深海沉積和極地冰芯研究在重要科學(xué)發(fā)現(xiàn)上相互印證之美；在講解全球氣候變暖和碳排放等問題時(shí)，介紹我院杰出校友丁仲禮院士在哥本哈根氣候峰會上為捍衛(wèi)國家發(fā)展利益發(fā)表言之鑿鑿、蕩氣回腸的演講和訪談等。通過上述這些豐富而鮮活的案例，積極弘揚(yáng)追求真理的科學(xué)精神，堅(jiān)持不懈、百折不撓的奮斗精神和學(xué)成報(bào)國、為民服務(wù)的家國情懷。

同時(shí)，筆者也十分注重把身邊師長、校友等科研實(shí)踐和事跡，有機(jī)地融入到相關(guān)專業(yè)知識的教學(xué)中。比如，在講解冰川地貌一節(jié)，介紹杰出校友、“中國冰川之父”施雅風(fēng)院士的科學(xué)成就以及我院師生校友前赴后繼前往南極和北極開展極地科考的事跡；在講述地球能源章節(jié)，結(jié)合我院構(gòu)造地質(zhì)團(tuán)隊(duì)數(shù)十年如一日持續(xù)奮戰(zhàn)在中國西部油氣勘探最前沿；再如在礦產(chǎn)資源方面，將楊樹鋒院士團(tuán)隊(duì)在塔里木大火成巖省研究以及我院巖礦團(tuán)隊(duì)將地球深部資源勘查等科研實(shí)踐和貢獻(xiàn)融入教學(xué)；在介紹第四紀(jì)地質(zhì)相關(guān)章節(jié)，把我院師生在地質(zhì)災(zāi)害、活動構(gòu)造到第四紀(jì)沙漠研究，以及工業(yè)革命以來的全球氣候變化等研究成果豐富到教學(xué)當(dāng)中，激勵(lì)學(xué)生要“立大志、明大德、成大才、擔(dān)大任”，努力成為總書記提出的“堪當(dāng)民族復(fù)興重任的時(shí)代新人”。

2.3 發(fā)揮優(yōu)勢、多措并舉，推進(jìn)課程教學(xué)現(xiàn)代化

課程教學(xué)的現(xiàn)代化包括教學(xué)理念、內(nèi)容和手段等的現(xiàn)代化，這是目前全世界大學(xué)教育都普遍面臨的戰(zhàn)略性課題。結(jié)合《地球科學(xué)導(dǎo)論》課程教學(xué)內(nèi)容和特點(diǎn)，積極發(fā)揮浙大地學(xué)特色與優(yōu)勢，在推進(jìn)課程教學(xué)的現(xiàn)代化方面我們也進(jìn)行了初步的嘗試和探索。

（1）注重學(xué)生能力培養(yǎng)，特別是自學(xué)能力的培養(yǎng)。積極發(fā)揮學(xué)生的主動性和參與性，對于以學(xué)生自學(xué)為主的課程部分章節(jié)，先設(shè)置一些相關(guān)的問題，然后請學(xué)生自學(xué)和小組討論后，派代表來進(jìn)行講解，并相互質(zhì)疑和提問，最后由教師進(jìn)行點(diǎn)評和總結(jié)，對不足或者錯(cuò)誤之處予以糾正。

（2）注重多重科學(xué)思維的訓(xùn)練。傳統(tǒng)教學(xué)偏重形象思維的訓(xùn)練。地學(xué)基礎(chǔ)課教學(xué)的一個(gè)主要特點(diǎn)是，概念多、分類多和觀察描述性多，總體上是以定性方法和類比思維訓(xùn)練居多。通過數(shù)學(xué)地球科學(xué)的前沿和案例的課堂講解以及課后作業(yè)訓(xùn)練等，提升學(xué)生“數(shù)學(xué)地球科學(xué)”（成秋明，2021）定量化分析的思維和技能。而從“盲人摸象”的寓言故事到地學(xué)研究實(shí)例的分析，強(qiáng)調(diào)地學(xué)研究中要避免以偏概全的思維模式，養(yǎng)成綜合性、整體性和歸納性思維。再比如，通過我院楊文采院士講述的一個(gè)關(guān)于香水?dāng)U散的例子來說明正演和反演思維的不同特點(diǎn)。通過多重思維的訓(xùn)練，不斷增強(qiáng)學(xué)生科學(xué)思維的能力。

（3）注重解決教與學(xué)的矛盾。本課程學(xué)科跨度大，授課教師多。不同學(xué)科方向的老師參加授課，一個(gè)有利的方面是學(xué)科前沿把握準(zhǔn)、授課風(fēng)格多元化，但是不利方面也很明顯，如授課風(fēng)格缺乏連貫性、師生接觸互動時(shí)間短。我們采取策略是主要請來自地質(zhì)、地理和大氣三個(gè)學(xué)科的三位老師主講，逐步穩(wěn)定授課風(fēng)格，并且開展不同學(xué)科有關(guān)老師進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容的研討，盡可能保持教學(xué)內(nèi)容銜接上的連貫性。另外，本課程還存在選課學(xué)生人數(shù)多、教學(xué)內(nèi)容多與課時(shí)少、課堂互動少的矛盾。采取的策略是：課堂主題式或?qū)ｎ}式的講座和線上線下相結(jié)合；建立釘釘課程群，及時(shí)答疑解惑，增加師生互動交流；實(shí)踐環(huán)節(jié)在課下靈活開展。

（4）注重結(jié)合社會熱點(diǎn)和前沿問題。比如講解自然災(zāi)害和地球系統(tǒng)科學(xué)研究，分別舉例分析當(dāng)前正在發(fā)生的破壞性地震（如2021年5月22日大理6.4級和青海瑪多7.4級地震）和全球氣候變暖問題，引導(dǎo)學(xué)生對這些問題從科學(xué)、技術(shù)、政治和經(jīng)濟(jì)等多個(gè)維度開展思考和討論。再比如，講述喜馬拉雅山造山帶地質(zhì)演化時(shí)，先從2020年我國測量珠穆朗瑪峰的新聞事件談起，簡要說明珠峰測量的重要性、必要性和技術(shù)難點(diǎn)，然后在再介紹喜馬拉雅造山帶的地質(zhì)研究進(jìn)展和隆升歷史及其隆升機(jī)制。

（5）注重整合利用學(xué)院和杭州本地特色地學(xué)資源。通過豐富多樣的課間實(shí)踐教學(xué)，如利用學(xué)院豐富的礦物、巖石和古生物標(biāo)本，開展近距離的地質(zhì)標(biāo)本觀察實(shí)習(xí)；利用浙江大學(xué)地質(zhì)博物館、浙江省自然科學(xué)博物館、杭州國家級濕地博物館等，豐富地學(xué)科普實(shí)踐；野外實(shí)踐教學(xué)是地質(zhì)學(xué)教學(xué)的重要內(nèi)容和特色（王家生等，2009; 王博等，2012），利用杭州西湖周邊特有的火山巖、沉積巖地質(zhì)地貌，開展課間野外實(shí)習(xí)，激勵(lì)學(xué)生主動去發(fā)現(xiàn)身邊的地質(zhì)現(xiàn)象，努力讓“枯燥”的地學(xué)知識鮮活起來。每次實(shí)踐活動均設(shè)計(jì)相關(guān)的課程作業(yè)和任務(wù)并安排主講教師或者助教參與教學(xué)。

（6）注重開展線上線下混合式教學(xué)。自新冠肺炎疫情以來，高校線上教學(xué)進(jìn)展迅速。目前浙江大學(xué)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)所有教室課堂授課的線上同步直播，并能夠進(jìn)行高清晰視頻錄制，便于學(xué)生課后回放觀看和復(fù)習(xí)鞏固。因此，把線上教學(xué)和線下自學(xué)有機(jī)結(jié)合起來，可以保障學(xué)習(xí)進(jìn)度，不斷提升學(xué)習(xí)效果。此外，國內(nèi)同行將地質(zhì)模型三維動畫與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合，制作了三維虛擬現(xiàn)實(shí)的短視頻（顏丹平等, 2020），開展線上教學(xué)，也取得了不錯(cuò)的教學(xué)效果，值得借鑒。

（7）注重新技術(shù)、新方法和研究新范式的應(yīng)用和介紹。隨著人工智能、大數(shù)據(jù)和區(qū)塊鏈等新方法和新技術(shù)的快速發(fā)展，地球科學(xué)發(fā)展也迎來從問題驅(qū)動向數(shù)據(jù)驅(qū)動的變革，研究新成果、新認(rèn)識不斷涌現(xiàn)（Bergen et al., 2019; 周永章等, 2021; 成秋明,2021）。因此，除了在常規(guī)地學(xué)知識教學(xué)中引入新技術(shù)和新方法的案例教學(xué)外，本課程還特別增加了地學(xué)大數(shù)據(jù)與人工智能專題性講座，主動擁抱新技術(shù)、新方法和研究新范式。

3 對今后《地球科學(xué)導(dǎo)論》教學(xué)的思考與展望

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn)、日新月異，今后《地球科學(xué)導(dǎo)論》課程教學(xué)需要與時(shí)俱進(jìn)、不斷革新，而且還需要從更加長遠(yuǎn)角度思考和把握學(xué)科發(fā)展趨勢，以下幾個(gè)方面值得關(guān)注：

（1）如何從“數(shù)字地球”邁向“智慧地球”？在時(shí)空大數(shù)據(jù)、人工智能時(shí)代大背景下，世界將繼續(xù)“縮小”和“扁平化”，我們正在邁入智慧時(shí)代。數(shù)字地球把遙感技術(shù)、地理信息系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及可持續(xù)發(fā)展等社會需要聯(lián)系在一起，為全球信息化提供了一個(gè)基礎(chǔ)框架，而物聯(lián)網(wǎng)與水、電、氣、路一樣，很快將成為地球上的一類新的基礎(chǔ)設(shè)施。因此，未來如果能將數(shù)字地球與物聯(lián)網(wǎng)更好的結(jié)合起來，就可能會實(shí)現(xiàn)智慧地球，開啟地球科學(xué)新的研究模式和人們新的生活方式。

（2）如何開展真正的地球系統(tǒng)科學(xué)的教學(xué)？在全球變化、氣候變暖與碳循環(huán)等熱點(diǎn)研究背景下，地學(xué)研究已經(jīng)由單一學(xué)科到多學(xué)科、多領(lǐng)域和全方位的聯(lián)合研究的轉(zhuǎn)變，因此課程教學(xué)不僅聚焦表層地球系統(tǒng)的教學(xué)，而且要著力倡導(dǎo)從淺部到深部、深時(shí)尺度的更為全面的“地球系統(tǒng)科學(xué)”的教學(xué)。

（3）如何從“人—地關(guān)系”教學(xué)到“地學(xué)人文”教學(xué)的轉(zhuǎn)變？一方面，在科技大發(fā)展的今天，“上天—入地—下?！菢O”的人類活動已經(jīng)成為地球表層不可忽視的營造力；另一方面，隨著“地球村”和“人類命運(yùn)共同體”等概念的深入人心，地球科學(xué)類課程如何從“人—地關(guān)系”到“地學(xué)人文”教學(xué)的轉(zhuǎn)變，提升人類對地球和宇宙空間的認(rèn)識和理解，更好地融入國家和社會可持續(xù)發(fā)展，也非常值得在教學(xué)中深入思考和探索。

（4）如何從“地球科學(xué)”到“行星科學(xué)”延展？地球演化本身是行星、太陽系和宇宙演化一部分，同時(shí)地球又是一個(gè)非?；钴S且仍不斷演化的行星，因此，要全面了解地球早期歷史和宜居地球的演化，除了開展地球自身研究外，還需要“跳出”地球“看”地球。隨著我們國家“深地、深時(shí)和深空”等領(lǐng)域重點(diǎn)研究計(jì)劃的開展和推進(jìn)（姚玉鵬和郭正堂，2021），以及航空航天事業(yè)跨越式發(fā)展和探月、火星探測等工程的實(shí)施，“行星科學(xué)”研究逐步進(jìn)入大眾視野，這些研究有助于認(rèn)識地球早期演化、生命起源，是未來全人類共同關(guān)注的科學(xué)領(lǐng)域，課程教學(xué)也有必要盡快實(shí)現(xiàn)從“地球科學(xué)”向“行星科學(xué)”的教學(xué)延展。