大数据时代我国地学教育的新态势

陈安清 密文天 王安迪 徐胜林 钟怡江 马莹莹

摘要：大数据背景下我国地学教育悄然进入新态势。首先，大数据背景下我国地学教育形式及其服务领域正走向多样化与网络化；其次，大数据背景下的我国地学教育将是大众通识教育与个性专业化教育并行；再次，大数据背景下的高等地学教育将是针对复杂性问题的多学科综合性交叉性教育。成功应对这一新态势将有助于解决我国未来经济社会发展“新常态”下遇到的重大地球科学难题。

关键词：地学教育；大数据时代；通识教育；交叉学科

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）36-0065-03

众所周知，在现代信息技术（如互联网、云计算、移动终端、数据存储等）高速发展的驱动下，数据成为我们与世界联系的桥梁。由此而产生的数据量呈爆发式增长，大数据（Big data）成为用于描述信息爆炸时代的一个重要概念，几乎渗透到全球的各个领域。2012年3月，美国奥巴马政府宣布推出“大数据的研究和发展计划”。该计划涉及美国国家科学基金、美国能源部、美国国防部、美国地质调查局等6个联邦政府部门，大力推动和改善与“大数据”相关的收集、组织和分析工具及技术，以提高从大量的、复杂的数据集合中获取知识和洞见的能力。在大数据背景条件下下，美国地质调查局结合其新十年科学战略计划的研究与策划，出台了《美国地质调查局核心科学体系科学战略（2013—2023）》。2013年3月，中科院院士赵鹏大提出：数字地质的研究将在大数据时代越发重要。他指出数字地质是数学地质发展的新阶段，大数据时代让数字地球发展到第二代“智慧地球”阶段。

一、大数据时代地学教育系统面临重构

由于不同的领域都处于大数据时代的初级阶段，大数据还未形成统一的定义。《大数据时代》的作者维克托·迈尔-舍恩伯格从“价值大”的角度来定义大数据，认为大数据是当今社会所独有的一种新型的能力，以一种前所未有的方式，通过对海量数据进行分析，获得有巨大价值的产品、服务或深刻的洞见。更多的人从数据规模、数据复杂程度、数据应用价值、技术实现这四个方面进行界定，认为大数据是从海量数据中通过快速挖掘、处理、分析获取巨大应用价值的一种全新的技术架构，应符合4V特征：Volume（海量的数据规模）、Variety（多样化的数据形式和来源）、Velocity（动态和复杂的数据体系）、Value（数据应用能够获得巨大价值的产品和服务）。也就是说，海量数据通过快速挖掘、处理、分析能够实现信息从量变到质变。也有人认为大数据的核心是发现规律和预测未来。

地球科学是数据密集型科学，目前地球科学领域挖掘数据的能力远远落后于创造数据的能力。如何挖掘、处理、分析这些密集型的数据来解决复杂的地质科学问题已经成为了大数据时代的要求。欧美国家已经建立了一些地学领域的数据库，如IHS数据库和C&C;数据库正为全球的油气公司提供产品和解决方案，国际地层学会的地层数据库、USGS的全球地震数据库等学术性数据库为广大地学研究者提供科学挖掘的基础数据。我国地学领域的科研成果显著，但还没有成为大数据时代的领航者，特别是绝大部分大学生对这些已有的数据库知之甚少。可见，大数据给我国地学教育带来了巨大的挑战。大数据时代的地学教育需要培养具有挖掘、处理、分析海量地学数据以解决复杂的地质科学问题的人才，甚至是引领某一领域建立全球大数据库及提供解决方案的人才。另一方面，地学教育具有开放性和前瞻性，即地学本身需要从整个地球（甚至宇宙）出发来发现问题与解决问题，地学本科教育理应具备全球开放性视角，其应对的海量数据常常是全球性的数据。因此，大数据时代地学教育教学方式、内容和思维都面临重构。

二、大数据背景下我国地学教育的新态势

1.新态势之大数据背景下地学教育将是与时俱进应对“新常态”的多样化教育。大数据背景下，“智慧教育”成为了未来教育的蓝图。为此，我国教育信息化规划中提出了“两平台”建设（国家教育资源公共服务平台、国家教育管理公共服务平台）和智慧校园建设，大规模开放在线课程教学实践。地学以整个地球乃至宇宙作为其研究对象，决定了地学教育是面向世界的教育。“两平台”建设和智慧校园建设有利于实现最大范围的地学教育资源的分享与合作，更好地培养具有全球观并且能为其他领域的人传达地球观的地学人才。因此，“两平台”建设和智慧校園建设过程中，地学教育的相关平台与内容需及时调整以适应新态势。

我们知道，在近百年以来，伴随着经济的迅猛发展，世界各国对矿产资源的需求量大幅度提高。以石油为例，国内石油消费逐年快速上涨，对外依存度持续增加，2015年已达60%，远远超过了50%的国际警戒线，严重影响到我国的能源安全与社会经济的可持续发展，国内油气“增储上产”成为国家重大战略需求。在地学教育领域，2000年以来各相关高校持续扩招以满足国家对地学人才的大量需求，如成都理工大学地学类专业从1999至2006年经历了一个快速扩招阶段[1]。这一时期，虽然我国的高等教育从精英教育逐渐转向大众化教育阶段，但成都理工地质类专业仍然走的是传统的专才教育之路，以满足能源矿产企业对地学类学士—硕士—博士等专业人才的持续需求。

近两年，随着信息化技术的革新与全球经济社会问题面临的新挑战，我国经济社会发展进入“新常态”。以往牺牲环境的高能耗发展模式正悄然向绿色低能耗方向发展。传统的地学人才正面临难就业的现实。地学教育系统在大数据新态势下能够根据社会需要及时反馈做出新的战略调整。那些传统地向地球索取矿产资源的相关专业的教学目标与教学内容也悄然地重新调整。绿色能源、地质灾害防护、地质环境保护、海洋地质等课程显得越来越重要，部分学校为了适应新的战略需求甚至设置了新的专业和学院，如浙江大学、中山大学等分别设置了新的海洋学院。在这一新态势下，我国高等学校地学教育的调整刻不容缓，正面临以下新情况：首先，地学教育知识系统应快速更新，服务领域要不断拓展；其次，教育形式正走向多样化，不同类型的数字教育平台有待建立，并且需要与传统的课堂式教育有机结合；再次，需要建立大数据时代的地学教育战略以满足我国经济社会发展“新常态”的需求。

2.新态势之大数据背景下的地学教育将是大众通识教育与个性化专业教育并行的教育。我们每个人都要面对资源、环境、灾害等人类可持续发展面临的难题。这些问题无一不和地学类专业相关。一方面通过地学通识教育，人们才能更充分地认识地球、了解地球，建立科学的地球观和方法论，树立人类可持续发展的责任感和义务感。也只有更好地认识和了解地球，才能真正地认识自己。另一方面，只有通过地学通识教育，在面临与自己息息相关的如地震等自然灾难时，才能够做出科学的判断来保护自己。大数据时代让通识教育方便可行。地学知识是科普教育的重要内容之一。中、小学阶段的自然和地理等学科就已涉及地学领域的诸多科学知识，传统的地学教育仍然没有摆脱“应试教育”，教育内容和方法都比较枯燥和陈旧，甚至成为了学习负担，没有很好地达到启发人们思维和培养人们对自然科学兴趣的目的。

地学通识教育，一是能够培养人们基本的自然科学思维，激发人们主动深入思考、挖掘自然现象的来龙去脉及内在联系；二是能够培养人们的地学时空思维和观察事物的基本方法，促使人们将课本知识与生活的自然界有机结合。随着大数据时代的到来，地学知识能够通过海量数据来模拟地学现象，充分普及地球科学、资源环境、地质灾害等方面的知识，为地学通识教育提供了新的方式。同时，大数据的来临，教育的方式也日新月异。地学教育已不只是在庙堂之上，它正通过新的形式走到人们身边。人们不但很容易就能通过MOOC等开源课程平台、手机APP等方式获取地学知识，而且能够在平台上互动来传授自己的知识，自己也可能成为传道授业解惑的师者。大数据平台更为重要的功能是在纷繁复杂的教学知识体系中，帮助学习者分析其对知识的掌握理解程度、有效的学习方式等等，帮助学习者制定个性化的教育。所以今后的教师与学生将不能仅局限于按照教学计划按部就班地进行教学活动。大数据将为教学活动注入新的活力，讲授对象已不再局限于物理空间限制下的班级，通过网络平台可以面向想在线学习的各类人群。教学活动也会根据因数据分析产生的新情况进行调整，新的知识与新的教学方法也会随时被归纳出来[2]。

3.新态势之大数据背景下的高等地学教育将是针对复杂性问题的综合性交叉性教育。人类未来面临的许多重大社会经济问题及环境生态问题大都是复杂性问题。如全球气候变化问题，自然因素与人为因素交织在一起，其复杂性让人很难区分各种影响因素。要想成功地解決这些影响着人类发展的难题，只能通过多学科的交叉与综合以产生新的交叉学科知识体系和方法途径来解决现代复杂性问题。要想实现多学科的交叉与综合，首先面临的就是交叉学科之间海量数据的融合与挖掘，即数据密集型的工作方法如何解决复杂的科学问题和社会问题，这是未来着力需要提升的一项核心能力。正是基于此种认识及时代发展的需求，美国地质调查局在制定核心科学体系以及科学战略时，提出了大胆而长远的模块式科学框架，打破传统的学科界限，以解决复杂的社会及环境问题。这一模块式科学框架并非一个整体性的软件或数据系统，而是一种力求将整个美国地质调查局乃至全世界的许多不同数据系统联成一体的方法，是将地球科学各分支学科有机结合起来的实现途径，是解决人类目前面临的各种复杂问题的有效手段，是美国乃至全世界地球科学研究人员共同努力的目标，需要地球科学家和数据学家的共同努力来不断丰富和不断完善，并提供了一个新的概念模型，用作针对模块式科学框架远景的行动指南[3]。概念模型顶部的数字地球代表着世界范围的大科学界，美国地质调查局向它贡献数字式知识，并从中获取数据、信息和知识资源。数字地球与模块式科学框架交叉契合，从框架中汲取数字式知识，为框架提供新的认识和研究产品。又比如我国2008年发生的百年一遇的汶川大地震，我国科学家联合世界科学家针对重大地质灾害这一复杂性科学问题开展的综合性交叉性研究。包括地质学家、土木工程学家、地球物理学家、水利学家、经济学家、心理学家等诸多领域的科学家围绕地球板块构造、大陆动力学、地震机理、灾害预测、灾后地球表面响应、灾后重建、灾后心理恢复等等，由这一大地震所带来的复杂性问题持续开展合作研究，培养了大量人才，推动了我国如何在开放共享的大数据平台上以模块式科学框架让不同的资源与人才交叉契合，形成科学的认识与解决方案，这也将推动我国在大数据时代建立针对未来重大复杂性科学问题的研究范式。

因此，未来的高等地学教育更多地是以全球重大科学问题为导向的教育，其本质是培养多学科交叉的、具有大数据观的综合性交叉性人才，以应对未来解决人类急需解决的重大科学难题。重大科学难题为导向的地学高等教育的培养战略、课程设置、教学方式等都面临革新。如美国德州大学奥斯丁分校的地球科学系已从传统的、单一的教学方式中摆脱出来，针对地球和空间科学教育来设置新的课程，制定了前沿学科发展战略[4]。认识到未来地球科学研究趋势将源于学科交叉的深入化，比如物理、生物、化学等与地球内部结构、水圈、生物圈以及大气圈的相互交叉作用。该系以两大基础地球科学研究作为交叉学科发展方向：一是地球近地表过程，二是地球发展进化及内部过程。其课程设置既满足专业教育基本要求又兼顾自主性，最大程度地挖掘学生潜能，促进学生个性化发展。课程设置包括专业课、专业基础课、必修课和选修课。专业基础课在本科低年级阶段必须完成，专业课则是高年级本科生在导师指导下按照学生的兴趣及特长自主选择。面对这些革新，学生一项非常重要的学习内容就是学习数据密集型的工作方法，包括数据获取和保存、数据查新与检索、数据挖掘和数据分析等。总之，上述模块式科学框架并非一个整体性的软件或数据系统，而是一种力求将全世界的许多不同数据系统联成一体的方法，将各交叉学科有机结合起来的实现途径，是在数据共享与交换中发现和解决复杂科学问题的手段，它需要地学高等教育培养相应的人才。

三、结束语

地球科学是数据密集型科学，我国地学教育新态势是大数据时代的必然要求。一方面，大数据时代背景下需要不断建立完善多样化的地学教育形式，成为大众教育与通识教育的重要内容，让地学教育的服务领域不断拓宽。另一方面，大数据背景下的高等地学教育是针对复杂性问题的综合性交叉性教育，以解决我国经济社会发展“新常态”下遇到的各种相关难题为宗旨。

参考文献：

[1]倪师军，阳正熙，孔繁津，程艳丽.成都理工大学地质类本科专业教育的思考[J].中国地质教育，2006，（4）：19-23.

[2]喻长志.大数据时代教育的可能转向[J].江淮论坛，2013，（3）：188-192.

[3]杨宗喜，唐金荣，周平，张涛，金玺.大数据时代下美国地质调查局的科学新观[J].地质通报，2013，（9）：1337-1343.

[4]柯潇，储祖旺.美国德州大学奥斯丁分校的地学教育变革趋势[J].中国地质教育，2009，（4）：77-82.