新工科背景下地球科學(xué)前沿課程體系與教學(xué)方法改革

林曉英　曹欠欠

摘要：我國(guó)新工科的建設(shè)對(duì)專業(yè)課程的建設(shè)提出了新的要求。文章以地質(zhì)類和相關(guān)工科專業(yè)的地球科學(xué)前沿課程為例，在剖析地球科學(xué)前沿課程主要內(nèi)容和課程特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出新工科背景下地球科學(xué)前沿教學(xué)中的新理念，并以此為基礎(chǔ)，通過(guò)課程體系改革，使學(xué)生通過(guò)課程學(xué)習(xí)，既能掌握地球科學(xué)前沿的相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)，又能樹(shù)立社會(huì)主義核心價(jià)值觀，提高自主創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：新工科；地球科學(xué)前沿；課程思政；創(chuàng)新能力

一、引言

地球科學(xué)前沿是地質(zhì)類專業(yè)的基礎(chǔ)課程，也可以作為相關(guān)工科專業(yè)的通識(shí)課程。其主要內(nèi)容包括地球相關(guān)的基本概念，地球的形狀與大小等物理性質(zhì)，地球的內(nèi)圈、外圈等結(jié)構(gòu)，地殼及其演變，巖石及巖石圈板塊構(gòu)造，地質(zhì)年代，地質(zhì)構(gòu)造，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，變質(zhì)作用，風(fēng)化與風(fēng)的地質(zhì)作用，地面流水和地下水的地質(zhì)作用，冰川和濁流的地質(zhì)作用，海洋的地質(zhì)作用與搬運(yùn)作用，沼澤和湖泊的地質(zhì)作用，崩塌和潛移的地質(zhì)作用等內(nèi)容。

近年來(lái)，教育部正在穩(wěn)步推進(jìn)新工科的實(shí)施，需要一些新的理念、方法和體系在傳統(tǒng)工科課程的教學(xué)中貫徹落實(shí)，達(dá)到新工科對(duì)學(xué)生培養(yǎng)的要求?；诖?，筆者系統(tǒng)闡述了新工科背景下地球科學(xué)前沿教學(xué)中的新理念，新理念引導(dǎo)下的地球科學(xué)前沿教學(xué)體系改革，地球科學(xué)前沿新教學(xué)體系的教學(xué)方法等內(nèi)容。

二、新工科背景下地球科學(xué)前沿教學(xué)中的新理念

新工科建設(shè)是在傳統(tǒng)工科的基礎(chǔ)上，更加注重創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)和實(shí)踐能力的培養(yǎng)，該導(dǎo)向并不是在傳統(tǒng)工科專業(yè)的課程體系中增加創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)類課程，而是要求所有課程都能耦合跨學(xué)科知識(shí)點(diǎn)，融合產(chǎn)學(xué)研，具有一定的國(guó)際視野，并且結(jié)合課程思政等建設(shè)，達(dá)到培養(yǎng)復(fù)合型和創(chuàng)新型人才的課程目標(biāo)，從而支撐畢業(yè)目標(biāo)的達(dá)成，使培養(yǎng)的人才具有一定的社會(huì)責(zé)任感和突出的個(gè)性化發(fā)展特點(diǎn)。結(jié)合新工科建設(shè)的要求，在教學(xué)過(guò)程中，地球科學(xué)前沿課程貫徹的新理念應(yīng)包括幾個(gè)方面。

（一）耦合跨學(xué)科的知識(shí)點(diǎn)

在地球科學(xué)前沿課程中，地殼的演化、地質(zhì)構(gòu)造以及不同外力的地質(zhì)作用是主要知識(shí)點(diǎn)，而這些知識(shí)點(diǎn)又與其他學(xué)科密切相關(guān)。例如，與水相關(guān)的地質(zhì)作用，無(wú)論是地表水、地下水，還是海洋、湖泊等的地質(zhì)作用，都與水文循環(huán)相關(guān)。因此，在地球科學(xué)前沿的教學(xué)過(guò)程中，教師應(yīng)注重與教材外其他知識(shí)點(diǎn)的耦合，使學(xué)生在學(xué)習(xí)完專業(yè)基礎(chǔ)課程后，還能學(xué)習(xí)課外更加豐富的知識(shí)。

（二）產(chǎn)學(xué)研相融合

產(chǎn)學(xué)研相融合是實(shí)現(xiàn)新工科建設(shè)的主要途徑。地球科學(xué)前沿是一門實(shí)踐性非常強(qiáng)的學(xué)科，但地殼的運(yùn)動(dòng)和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等內(nèi)容比較枯燥乏味。在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，教師要將煤、石油、天然氣的開(kāi)采相結(jié)合，尤其是增加一些井下作業(yè)的照片作為引導(dǎo)，加深學(xué)生對(duì)概念的理解，使學(xué)生在了解課本知識(shí)如何有效地應(yīng)用到實(shí)際工作中，提高學(xué)生解決復(fù)雜問(wèn)題的能力。

（三）國(guó)際化視野

新工科建設(shè)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生國(guó)際化視野提出了更高的要求。也就是說(shuō)，在課程教學(xué)過(guò)程中，教師不僅要注重本地特色和本國(guó)國(guó)情，還要強(qiáng)調(diào)國(guó)際化趨勢(shì)和國(guó)際動(dòng)態(tài)。地球科學(xué)前沿課程以地球?yàn)檠芯繉?duì)象，在教學(xué)過(guò)程中，教師要將全球不同區(qū)域的各類地質(zhì)運(yùn)動(dòng)緊密聯(lián)系在一起，同時(shí)啟發(fā)學(xué)生了解外文書籍和文獻(xiàn)。

（四）課程思政元素

課程思政與思政課程的統(tǒng)一建設(shè)是新工科人才培養(yǎng)過(guò)程中的重要的手段。地球科學(xué)前沿課程是人、地球、宇宙三者之間的關(guān)系，需要學(xué)生運(yùn)用唯物主義辯證法的思想系統(tǒng)學(xué)習(xí)發(fā)展與矛盾、局部與整體等觀點(diǎn)，最終掌握自然規(guī)律、科學(xué)規(guī)律、技術(shù)發(fā)展、社會(huì)發(fā)展之間的關(guān)系，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S方式的目的。

三、新理念引導(dǎo)下地球科學(xué)前沿教學(xué)體系改革

（一）地球科學(xué)前沿跨學(xué)科知識(shí)點(diǎn)的分析與整合

地球科學(xué)前沿中的主要內(nèi)容可以分為三大部分：地球的性質(zhì)及構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，關(guān)于地殼的運(yùn)動(dòng)，關(guān)于外力作用下的地質(zhì)作用。因此，在教學(xué)過(guò)程中，首先，教師可以從不同的概念入手，并對(duì)概念進(jìn)行外延，逐步達(dá)到將相關(guān)概念全部聯(lián)系起來(lái)的目的。其次，教師應(yīng)以概念為基礎(chǔ)，對(duì)相關(guān)知識(shí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行串聯(lián)和并聯(lián)。以板塊構(gòu)造為例，教師可以從化石和巖石、古生物和古氣候、構(gòu)造結(jié)構(gòu)和地貌形態(tài)等方面展開(kāi)教學(xué)，然后逐漸擴(kuò)展到對(duì)板塊構(gòu)造的類型及其特征進(jìn)行解釋。最后，教師要系統(tǒng)地講解“為什么會(huì)存在地質(zhì)作用”“不同外力所產(chǎn)生的地質(zhì)作用的機(jī)理是什么，有什么區(qū)別和聯(lián)系”，使學(xué)生能更好地把課程知識(shí)點(diǎn)連接起來(lái)，達(dá)到課程學(xué)習(xí)的目的。

（二）地球科學(xué)前沿中知識(shí)點(diǎn)與課程思政元素的映射

地球科學(xué)前沿中的思政元素主要包括地質(zhì)精神、可持續(xù)發(fā)展和工匠精神等。首先，地質(zhì)精神是我們國(guó)家精神品質(zhì)的重要組成部分，包括愛(ài)黨愛(ài)國(guó)的政治素養(yǎng)、終身奉獻(xiàn)的價(jià)值品質(zhì)、求真務(wù)實(shí)的工作風(fēng)氣、開(kāi)拓創(chuàng)新的創(chuàng)新精神、自強(qiáng)不息的生活態(tài)度，從而與地質(zhì)勘探與開(kāi)發(fā)等知識(shí)點(diǎn)相映射。其次，工匠精神包括精益求精的工作態(tài)度、“不忘初心、牢記使命”的政治品質(zhì)，愛(ài)崗敬業(yè)的職業(yè)精神和追求卓越的創(chuàng)新精神，與地質(zhì)作用和工程地質(zhì)等知識(shí)點(diǎn)相映射。最后，可持續(xù)發(fā)展是地球科學(xué)前沿課程中的一個(gè)重要思政元素，包括尊重自然、人與自然和諧相處等理念，與地球演化知識(shí)點(diǎn)相映射。

（三）地球科學(xué)前沿中的創(chuàng)新精神培養(yǎng)

創(chuàng)新精神是新工科建設(shè)中對(duì)課程目標(biāo)的新要求。在教學(xué)過(guò)程中，教師要努力挖掘通過(guò)課程學(xué)習(xí)達(dá)到創(chuàng)新精神培養(yǎng)目標(biāo)的新途徑。地球科學(xué)是一個(gè)充滿未知的領(lǐng)域，有許多未解之謎等待人們?nèi)ヌ剿鳌Ｒ虼?，在教學(xué)過(guò)程中，教師可以采用分組討論、引導(dǎo)式討論等教學(xué)方式，鼓勵(lì)學(xué)生思考問(wèn)題和發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，敢于挑戰(zhàn)未知。

地球科學(xué)是一個(gè)不斷發(fā)展和變化的學(xué)科，新的知識(shí)和發(fā)現(xiàn)不斷涌現(xiàn)。因此，教師要想培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神，就要鼓勵(lì)學(xué)生不斷學(xué)習(xí)新知識(shí)，引導(dǎo)學(xué)生更新自己的知識(shí)結(jié)構(gòu)，提高自己的專業(yè)水平，能做到與不同領(lǐng)域的專家共同合作，有效解決問(wèn)題。地球科學(xué)還是一個(gè)需要實(shí)踐的學(xué)科，學(xué)生要想強(qiáng)化創(chuàng)新精神，就要善于實(shí)踐，善于創(chuàng)新，善于將理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用，善于將創(chuàng)新思維轉(zhuǎn)化為創(chuàng)新實(shí)踐。

（四）基于新工科理念的地球科學(xué)前沿知識(shí)點(diǎn)重構(gòu)

基于以上分析，教師可以將地球科學(xué)前沿知識(shí)點(diǎn)重構(gòu)為基本理論、技術(shù)方法和發(fā)展前沿三個(gè)方面?；纠碚摪ǖ厍?、巖石、礦物、圈層構(gòu)造、板塊構(gòu)造等基本概念。在教學(xué)過(guò)程中，教師可以貫穿地質(zhì)精神等思政要素，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行基礎(chǔ)理論探索。技術(shù)方法介紹了不同的外動(dòng)力載體的地質(zhì)作用及其影響因素和地質(zhì)年代確定的方法。在教學(xué)中，教師可以融合工匠精神等思政元素，積極培養(yǎng)學(xué)生將理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用的創(chuàng)新精神。發(fā)展前沿著重介紹了地球形成與地球演化、人類活動(dòng)與資源環(huán)境等知識(shí)，并貫穿可持續(xù)發(fā)展的思政要素。在教學(xué)中，教師可以培養(yǎng)學(xué)生融合不同領(lǐng)域知識(shí)的創(chuàng)新精神。

四、地球科學(xué)前沿課程的教學(xué)方法

（一）課程講授與專業(yè)實(shí)踐相結(jié)合

地球科學(xué)前沿課程是一門實(shí)踐性非常強(qiáng)的學(xué)科，學(xué)生需要通過(guò)野外的觀測(cè)才能掌握課程知識(shí)點(diǎn)。例如，針對(duì)巖石類型、礦物類型、巖石形成年代、斷層等知識(shí)點(diǎn)，教師可以帶領(lǐng)學(xué)生在嵩山地質(zhì)公園進(jìn)行野外講解，使學(xué)生通過(guò)野外的現(xiàn)象觀測(cè)，做到理論聯(lián)系實(shí)際，并通過(guò)課堂講授與野外實(shí)踐相結(jié)合，把課本知識(shí)轉(zhuǎn)化成一種創(chuàng)新能力。教師還可以鼓勵(lì)學(xué)生參與關(guān)于地球科學(xué)前沿的大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動(dòng)、大學(xué)生地質(zhì)工程技能競(jìng)賽、大學(xué)生節(jié)能減排競(jìng)賽等活動(dòng)。

（二）基礎(chǔ)知識(shí)與學(xué)科前沿相結(jié)合

在地球科學(xué)前沿課程改革過(guò)程中，授課內(nèi)容除了一些課本基本知識(shí)外，教師要結(jié)合平常的科研經(jīng)驗(yàn)和學(xué)生的一些新探索，及時(shí)調(diào)整和改進(jìn)課程內(nèi)容，逐步實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)知識(shí)與學(xué)科前沿的結(jié)合。例如，針對(duì)2023年發(fā)現(xiàn)和開(kāi)采富滿油田、巴彥油田等油氣田這一事件，在教學(xué)中，教師可以結(jié)合中國(guó)科學(xué)院2022年研究前沿發(fā)布暨研討會(huì)中提到新興前沿——關(guān)注油藏儲(chǔ)層表征的角度，講解油氣田的形成、預(yù)測(cè)油氣田的儲(chǔ)量、引導(dǎo)學(xué)生思考不同油氣田的開(kāi)采難度等問(wèn)題，使學(xué)生達(dá)到從學(xué)習(xí)到研究的課程目標(biāo)。

（三）教師教授與學(xué)生自我學(xué)習(xí)相結(jié)合

教師不僅是知識(shí)的傳播者，還是思想的引導(dǎo)者。因此，在教學(xué)過(guò)程中，教師應(yīng)幫助學(xué)生養(yǎng)成良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣和思維習(xí)慣，引導(dǎo)學(xué)生掌握良好的學(xué)習(xí)方法。例如，在講授地表水和地下水的地質(zhì)作用時(shí)，教師除了要讓學(xué)生理解地質(zhì)作用，還要引導(dǎo)學(xué)生思考“地表水和地下水為什么會(huì)產(chǎn)生地質(zhì)作用，其原理是什么，地質(zhì)作用的產(chǎn)物是什么，對(duì)地質(zhì)作用的認(rèn)識(shí)如何應(yīng)用在實(shí)踐中”等問(wèn)題。同時(shí)，在教學(xué)過(guò)程中，教師可以引導(dǎo)學(xué)生閱讀中英文文獻(xiàn)，深刻理解地質(zhì)作用在能源勘探、資源開(kāi)發(fā)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域的最新應(yīng)用，幫助學(xué)生達(dá)成課程目標(biāo)。除了課堂式的教學(xué)外，教師還可以引導(dǎo)學(xué)生觀看地質(zhì)工作相關(guān)的電影，如《年輕的一代》《攀登者》等，使學(xué)生更加理解地質(zhì)工作者的精神面貌，體會(huì)老一輩工作者艱苦樸素的工作作風(fēng)，達(dá)成地球科學(xué)前沿課程目標(biāo)。

（四）新一代信息技術(shù)的應(yīng)用

新一代信息技術(shù)的蓬勃發(fā)展被稱為第四次工業(yè)革命，極大地促進(jìn)了地球科學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展。因此，地球科學(xué)前沿課程的教學(xué)改革必須與新一代信息技術(shù)相融合。首先，大數(shù)據(jù)海量存儲(chǔ)及高效分析技術(shù)的應(yīng)用。教師要利用這些技術(shù)完善地質(zhì)資料收集與整理的授課內(nèi)容，幫助學(xué)生更好地分析地球表面的數(shù)據(jù)。其次，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用。在講授野外地質(zhì)現(xiàn)象時(shí)，教師可以通過(guò)數(shù)字孿生，模擬地球表面的形態(tài)和特征，幫助學(xué)生了解地球表面的結(jié)構(gòu)和特征。最后，人工智能技術(shù)的應(yīng)用。在講授外力地質(zhì)作用等內(nèi)容時(shí)，教師可以通過(guò)人工智能技術(shù)模擬地質(zhì)作用過(guò)程，幫助學(xué)生掌握地質(zhì)作用的機(jī)理。

參考文獻(xiàn)：

[1]林健.面向未來(lái)的中國(guó)新工科建設(shè)[J].清華大學(xué)教育研究，2017（2）.

[2]鐘登華.新工科建設(shè)的內(nèi)涵與行動(dòng)[J].高等工程教育研究，2017（3）.

[3]戴緊根，顏丹平，邱亮，等.《地球科學(xué)前沿》教學(xué)理念形成和課程體系建設(shè)[J].高校地質(zhì)學(xué)報(bào)，2022（3）.

[4]夏明哲，程宏飛，楊興科，等.一流本科建設(shè)中《地球科學(xué)前沿》課程教學(xué)改革與探索[J].高校地質(zhì)學(xué)報(bào)，2022（3）.

[5]賈金平，張凡娣.融合創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育理念的高等數(shù)學(xué)教學(xué)改革與實(shí)踐：以定積分概念的教學(xué)設(shè)計(jì)為例[J].興義民族師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2023（2）.

[6]奚小環(huán).自然資源時(shí)期：大數(shù)據(jù)與地球系統(tǒng)科學(xué)：再論全面發(fā)展時(shí)期的勘查地球化學(xué)[J].物探與化探，2019（3）.

基金項(xiàng)目：2022年鄭州大學(xué)教育教學(xué)改革研究與實(shí)踐項(xiàng)目“基于創(chuàng)新擴(kuò)散理論的《地球科學(xué)前沿》普及教育教學(xué)創(chuàng)新與實(shí)踐”，課題編號(hào)：2022ZZUJG226。