强化学科交叉构建多元化地球科学通识课程——以“地质公园”课程为例∗

王 鑫 王 蜜 李再军 王 飞 勾晓华

（兰州大学 资源环境学院，甘肃 兰州 730000）

地球科学（Geoscience）是人类认识地球的一门基础学科，通过地质学、地理学、大气科学、海洋科学、地球化学、地球物理学和空间物理学、环境科学等多学科视角，研究地球的形成演化历史、揭示地球系统圈层的相互作用及其对人类生存环境变化的影响［1］。 地球科学是“探索自然规律、昭示人文精华”的综合性自然科学学科［2］，是国内外高校自然科学通识教育体系的重要组成部分。然而，当前我国高校地球科学通识课程主要围绕地球科学分支学科的专业知识体系设计，侧重以导论或概论的形式讲授地理学、地质学等分支学科知识，存在教学内容不够宽广［3-4］、与前沿科学进展衔接不够紧密［5］、多学科交叉融合不够深入等问题［6］。 在地球科学走向系统化、新媒体时代学生获取地球科学知识途径多元化背景下，如何面向通识教育目标、强化学科交叉［7］、创新教学内容［8］，在有限的课时中向非地球科学专业学生介绍地球科学之全貌、引领学生了解地球科学领域前沿科学问题和人类面临的全局性重大问题，是高校地球科学通识教育改革的紧迫任务［9］。

地质公园以其全球性的地球科学意义、珍奇秀丽的风光和独特的地质遗迹为特色，是探索地球历史的一扇窗口，也为普及地球科学知识提供了绝佳素材。 2015 年11 月，联合国教科文组织首次面向世界地质公园候选地工作人员、科研院所和大专院校教研人员开设了“世界地质公园管理与发展”（UNESCO Global Geoparks and Sustain⁃ability）国际培训班，聚焦世界地质公园与可持续发展，研讨世界地质公园建设现状、申报评估、地质遗迹管理、地质公园对人类社会可持续发展的支撑作用等问题。 此后，国际培训班每年举办一次，对优化地质公园的管理、提升公众对地质公园的科学认知水平起到了极大的促进作用。 近年来，我国高校日益重视地质公园在地球科学专业人才培养和校园科普方面的重要作用，例如，庐山、嵩山、沂蒙山等地质公园成为多个高校地理学、地质学等专业的实习基地，雁荡山、云台山、泰山等地质公园也纷纷举办“世界地质公园科普进高校”活动。 然而，国内外高校围绕地质公园、面向非地球科学专业学生开设的通识课程还极为少见。 2017 年，美国亚利桑那大学地球科学系B.Carrapa 教授面向自然科学方向的研究生开设了“国家公园：地球演化过程的窗口”（National Parks： A Window Through Earth ＇ s Geological Processes）课程（课程编号：GEOS 240），通过课堂讲授和对美国西部国家公园为期一周的野外考察，引领学生理解地质过程如何塑造地表景观、影响地球环境变化，取得了很好的育人效果，成为亚利桑那大学专为优秀学生开设的课程（honors course，即通过后获得优等生／荣誉学位）。 我国高校还未见围绕地质公园开设的地球科学通识课程。

笔者围绕普及地球科学知识、深化对人类生存环境变化认知的教学目标，于2019 年首次面向兰州大学本科生开设了“地质公园：探索地球历史的窗口”通识课，发现以贴近学生生活的地质公园为主线设计教学内容，能有效融合地质学、地理学、大气科学、海洋科学等多个分支学科的基础知识，打通学科界线、贯穿古今时间线，构建一门理论宽厚、知识密度高、创新性强的多元化通识课程，有助于提升学生的地球科学素养、培养学生的时空思维和综合性思维能力、树立人与自然和谐共生的生态意识。 本文希望抛砖引玉，引起国内地球科学教育同行的共鸣，突破以往围绕分支学科专业知识体系设计教学内容的传统，强化学科交叉、紧贴学生生活、打造多元化的地球科学通识课程，培养更多具有地球科学背景和综合思维的复合型人才。

一、地质公园的教育教学价值

地球经历了 46 亿年的漫长演化［10］4，留下了无数鬼斧神工般的地质遗迹，记录了地球环境的演化历史。 在秀美风光背后，蕴藏着许多有趣的地球科学发现，兼具科学和审美价值，但较少为公众所知。 为保护地质遗迹和自然环境、普及地球科学知识、提升公众的科学认识水平和促进社会的可持续发展，联合国教科文组织创建了世界地质公园网络（UNESCO Global Geoparks，https：／ ／en.unesco.org／global-geoparks），世界各国也以典型地质遗迹为抓手建立了不同类别的国家地质公园 （ 如 中 国 国 家 地 质 公 园， http：／ ／www.geopark.cn）或国家公园体系（如美国国家公园，https：／ ／www.nps.gov／index.htm）。 根据影响范围和批准机构的级别，可分为世界级、洲级、国家级、地区级地质公园［11］2。 其中，世界地质公园由联合国教科文组织严格选出，以一定规模和分布范围的地质景观为主体建设而成，旨在保护地质遗迹、支持当地经济文化的可持续发展，并为人们提供具有较高科学品位的观光旅游、度假休闲、保健疗养、科学教育、文化娱乐的场所［12-14］。 截至目前，已建设169 个世界地质公园，涵盖5 大洲的44 个国家。 中国是世界地质公园建设的主要倡导国之一，目前已获批建设41 个，位居世界各国首位。

地质公园是地球漫长演化历史的记录者，也是人类数百年科学发现历程的承载者，有着独特的教育教学价值。 首先，人类对地球奥秘的好奇心和探索欲与生俱来，地质公园是揭秘地球环境形成演化历史、破解地球系统圈层相互作用及其生态环境效应的优质载体，以地质公园为主线开展地球科学知识的普及，能满足不同学科背景学生的好奇心和学习需求。 其次，地球是人类共同的家园，地球系统的变化（如全球气候变化）对世界各国的可持续发展有重大影响［15］，深入理解地球及其长达46 亿年的演化历史如何塑造了我们当今生活的方方面面，有助于开拓学生视野、培养家国情怀和人类命运共同体意识。 再次，十八大以来，党中央和国务院高度重视生态文明建设，为进一步推进自然资源科学保护和合理利用，促进人与自然和谐共生，推进美丽中国建设，十八届三中全会提出了构建国家公园体制的战略部署，目前已进入实质性建设阶段，对具有地球科学知识背景的人才需求日益增加，在高校开展“地质公园”通识课，能为我国国家公园建设培养急需的人才。

二、紧贴学生生活，创新教学内容

地质公园通常是热门旅游景点，多数学生有着地质公园旅游观光的切身经历。 以贴近学生生活的地质公园为主线设计教学内容，能拉近学生与专业知识的距离，促进学生从被动学习到主动学习的转变。 根据教学实践和学生反馈，建议可以通过基础知识、科学发现、野外实践3 个教学模块构建“地质公园”通识课程教学体系，每次课的主题、教学方法和用于支撑教学的代表性地质公园详见表1。

表1 “地质公园”课程设计

基础知识模块，侧重普及地球科学的基本知识、基本方法和基本原理。 教学内容包括但不限于：人类赖以生存的地球为何如此独特？ 地球46亿年经历了什么样的演化历史？ 有哪些重要的演化阶段？ 地球系统的圈层结构是什么？ 不同圈层间的相互作用有什么样的生态环境效应？ 地质公园中常见的岩石和造岩矿物有哪些？ 如何简易辨识？ 塑造地表景观的地质作用有哪些？ 岩石缘何变形？ 在野外如何通过地层中的细节探索地球环境的演变历史？ 等等。 与“普通地质学”等专业课相比，基础知识模块的教学内容以贴近学生生活的地质公园为主线，以地球科学分支学科的交叉融合为特色，更加侧重专业知识的科普化，为学生更好地认识人类生存环境变化、提高学生的地球科学素养提供必要的知识储备。

科学发现模块，聚焦代表性地质公园及其背后有趣的科学发现，在基础知识模块基础上，引领学生立体化了解某一地质公园的科学价值和人文精华，深入挖掘与该地质公园相关的前沿科学研究，引导学生从地球科学视角探索该地区的环境演化历史。 由于具有全球性的研究价值，地质公园和前沿科学研究之间的结合点非常多，相关的教学素材也极为丰富。 例如，庐山世界地质公园以第四纪冰川遗迹为主要特色，“第四纪冰川”是公园简介和景点简介中出现频次最高的词汇，然而，学界对庐山是否发育第四纪冰川还存在巨大认识分歧［16-18］。 学生通过网络和景点介绍获取的信息往往趋于片面化，且有很大的误导性，与科学认知还有较大差距。 通过庐山世界地质公园地质遗迹和昆仑山世界地质公园现代冰川作用景观的对比，可以帮助学生更深入了解冰川过程及其对地表景观的塑造作用。 在此基础上，深入讲解庐山第四纪冰川遗迹的发现和关键争论，不仅有助于进一步夯实学生的地球科学知识基础，更有助于培养学生的思辨思维和求真精神。

野外实践模块，致力为学生提供学以致用的平台，侧重学生野外技能的训练和地球科学视野的培养。 通过野外考察引导学生综合运用所学知识，发现常见自然景观中的细节之美，并学会见微知著、从地球科学视角探索身边的自然环境变化。从教学实践经验来看，野外实践教学深受学生欢迎，能否取得良好教学效果的关键在于野外考察内容的精心设计。 笔者在教学实践中，以兰州大学榆中校区的萃英山为考察区开展为期一天的野外考察，以圈层相互作用如何塑造生存环境变化为主题，通过对登山步道周边岩石和黄土地层的考察，训练学生辨识沉积岩、变质岩、火成岩及常见的造岩矿物（如石英、长石、云母等）；通过对黄土陷穴、落水洞、黄土桥的观察和描述，深化对风力作用、流水作用、重力作用等地质营力如何塑造黄土地貌的认识；通过对兰州大学半干旱气候与环境观测站（SACOL）［19］的参观学习，了解科学家如何利用先进仪器观测温度、降水、大气化学组成、土壤呼吸速率、粉尘气溶胶等气候环境因子的变化；最后以榆中盆地为例，总结地质历史时期圈层相互作用如何影响生存环境变化，取得了很好的教育教学效果。

3 个教学模块相互衔接、形成有机整体（图1）。 其中，基础知识模块为科学发现、野外实践模块提供必要的知识储备；科学发现模块通过一系列案例分析深化学生对基础知识的掌握，为野外实践提供思想启发；野外实践模块融合基础知识、科学发现模块所学知识技能，引导学生学以致用、从地球科学视角探索生存环境变化。

图1 “地质公园”课程架构及各教学模块间的逻辑关系

三、基于学科特色，优化教学方法

因地质公园贴近学生生活、易于激发学生兴趣、产生师生互动，加之授课内容立足地球科学领域的前沿科学问题，“地质公园”通识课适合采用多样化的教学方法，提升教学效果。

（一）多媒体教学与传统教学方法的无缝衔接

多媒体教学通过图文并茂的形式向学生传授知识，具有信息量大、形象直观、便于师生互动等优点［20］，在“地质公园”课程教学中尤为重要。 地质公园以珍奇秀丽的风光为主要特色，通过多媒体教学直观展示世界知名景点的地质景观。 一方面能对学生形成美的熏陶，陶冶情操，另一方面结合典型地质景观便于分析圈层相互作用如何塑造地质景观。 更重要的是，人类生存环境的演变涉及时空维度的变化，对没有地球科学知识基础的学生而言较为抽象，精心挑选互联网上众多制作精良的短视频素材，通过多媒体教学能化繁为简地帮助学生直观认识人类生存环境的时空演化历史，培养时空思维和综合性思维能力。

然而，多媒体教学也有难以克服的弊端。 对多媒体教学的过度依赖往往导致课堂信息量过大、知识碎片化、速度过快等现象，容易压缩学生的思考空间，弱化教师的主导地位和学生的主体地位［21］。 传统教学的教学模式强调教师以板书形式讲解与学生听讲和练习的衔接。 与多媒体教学相比，能更有效引导学生主动融入分析问题、解决问题的过程，对学生理解地球科学知识的基本概念和基本原理极为重要［22］，在“地质公园”通识课的教学实践中应予以加强。 多媒体教学和传统教学方法的综合运用和无缝衔接，是“地质公园”课程能否取得较好教学成效的关键所在。

（二）对分课堂、案例教学法等多种教学方法的灵活运用

对分课堂强调把课堂一部分时间留给授课教师进行引导式和框架式讲授，另一部分时间分配给学生以讨论形式进行交互式学习，能有效提高学生学习的主动性，促进生生、师生间的交流互动，实现课堂上从教师负责一切到以教师为主导、以学生为主体的转变［23］。 根据授课经验，不同学科背景学生对地质公园均有着极大的兴趣，且多数学生具有在地质公园观光旅游的经历，为开展对分课堂教学提供了知识基础。 在科学发现模块巧妙运用对分课堂教学方法，引导学生在课前准备与地质公园相关的陈述幻灯片，在课堂上分配10min～15min 时间以分组展示形式介绍代表性地质公园的自然景观和人文精华，能有效调动学生的学习积极性，引导学生将网络上获取的碎片化信息系统化，促进学生学会如何进行知识的分享和表达。 在分组陈述基础上，授课教师对关键问题进行补充和答疑，并引入相关地质公园景观背后的科学发现进行精讲，能有效调动学生的学习积极性，加深学生对前沿科学问题的了解，显著提升教学效果。

案例教学是在学生已具有一定基本知识的基础上，授课教师运用典型案例将学生代入特定时间的现场进行案例分析，通过展示相关知识的获取过程，在开放式的合作对话中实现对知识的共创以达成对知识的认同［24-25］。 由于地球科学有着悠久的发展历史，“地质公园”通识课有大量可用于案例教学的素材。 例如，多数学生通过高中地理的学习和网络信息的获取已对地球年龄约为46 亿年的知识点有所掌握，但较少有学生了解科学家如何一步步地探索地球年龄。 在基础知识模块以“地球有多老”作为教学案例，通过梳理十七世纪中期人类学家如何根据文献记录获得地球年龄为6 千年，十八世纪中期物理学家如何通过铁球冷却模拟实验提出地球年龄为7 万5 千年，十九世纪中期天文学家、物理学家、地质学家如何通过宇宙观测、地热梯度、海水盐度、沉积记录等证据提出地球年龄为2 千万年～至少数亿年的不同认识，二十世纪科学家又是如何通过放射性同位素定年技术准确测定地球年龄的探索历程［10］4-12。 这不仅能深化学生对地球年龄这一基础科学问题的认识，也有助于将学生引入科学探索的殿堂，理解人类不同发展阶段所取得的代表性认识、感悟原始创新对促进地球科学重大发现的重要作用。

（三）课堂讲授和实践教学的有机融合

“地质公园”课程通过地球科学知识的普及引导不同专业背景学生从地球科学视角更好地理解人类生存环境变化，因此，实践教学就显得尤为重要。 由于通识课选课人数多且往往缺少专门的经费支持，组织学生到世界地质公园开展野外教学存在一定困难，在课堂授课环节引入实践教学和就近开展野外考察是行之有效的解决办法。 笔者在“地质公园：探索地球历史的窗口”课程的教学实践中，通过精心选择代表性岩石和矿物标本，在课堂上引导学生如何通过颜色、晶形、划痕、节理、断口等证据简单辨识岩石中的常见矿物和岩石类型。 在课堂讲授基础上设计校园周边的野外考察，通过引导学生观察颜色、岩性、沉积结构、沉积构造、地层接触关系、化石等细节，综合运用课堂所学知识发现周围环境的细节之美，引领学生学会见微知著，从地球科学视角探索地质时期的环境变化历史，取得了很好的教学效果。

四、深化课程思政，强化过程考核

课程思政是高校地球科学通识教育中促进学生全面发展的重要驱动力［26］。 地质公园关乎地质但不限于地质，融合自然景观和人文景观，具有特殊的科学意义、稀有的自然属性和优雅的美学观赏价值［11］2。 因此，以地质公园为主线设计教学内容蕴含着丰富的思政教育元素。 价值观培养方面，通过讲授地球46 亿年的演化历史和5 次生物大灭绝事件、晚新生代地球环境变化与人类演化的耦合关系、工业革命以来人类活动对地球系统的深远影响及其为人类可持续发展带来的严峻挑战等全局性重大问题，能引导学生掌握地球环境变化的历史和规律、理解人地关系协调发展的重要性，启迪不同学科背景的学生树立人与自然和谐共生的生态意识。 科学精神培养方面，地质公园是地球环境漫长演化历史和数百年人类探索发现历史的双面镜，以代表性地质公园为切入点梳理人类对地球年龄、人类的起源与演化、第四纪冰期、青藏高原隆升、沙漠形成演化、亚洲季风气候、大型水系演化等前沿科学问题的研究历程，一方面能沿着学科发展脉络将学生带入科学探索的殿堂，使学生沉浸在知识和思想的海洋中，了解历史上科学家们如何追求真理、掌握当前地球科学领域的前沿科学知识；另一方面能通过讲述科学家的故事，培养学生探索未知、追求真理、勇攀科学高峰的责任感和使命感。 此外，通过深入解析我国自然环境的形成演化过程、多维度展示祖国大好河山之美，能引导学生科学认识我国自然环境的独特性及其对中华文明形成和发展的重要影响，潜移默化培养爱国主义精神、厚植家国情怀。

“地质公园”课程强调教学中“课前、课中、课后”有机衔接的过程考核。 例如，在科学发现模块，以容易激发学生兴趣的地质公园为抓手，在课前指导学生以分组讨论形式整理、收集相关资料，在课堂上引导学生以幻灯展示形式介绍该地质公园的自然景观和人文内涵，在此基础上，授课教师深入讲授同类地质遗迹的形成过程与主控因素，进而引申出与该类地质公园相关的前沿科学发现，推动学生从被动学习到主动学习、从碎片化学习到系统化学习的转变。 再比如，在野外实践模块，课前提前明确考察内容和目标，在野外教学中引导学生科学描述所看到的自然景观，在课后组织学生撰写野外实习报告。 课程成绩根据课堂表现和课堂笔记、野外实习报告或地质公园游记、期末考试成绩等综合评定。 因授课内容有趣且贴近学生生活，过程考核受到学生的欢迎和认可。

五、教学反馈

为了解学生对“地质公园：探索地球历史的窗口”课程的意见和建议，笔者围绕学生学科背景、选课动机、课程构架、教学方式等，在成绩录入教学系统后，随机选择选课学生进行了问卷调查。选课学生中，大一学生居多（占90%），大二学生次之（占10%）。 其中，理工科学生（物理、化学、电子信息技术、土木工程、药学等专业）占58%，文科生（汉语言文学、外语、历史学、民族学、音乐表演、新闻学等专业）占42%。 在选课动机方面，对相关知识感兴趣的学生最多（占53%），为扩大知识面、提升综合素质的次之（占42%），为学分或其他原因的占比很少（占3%）。 课程内容方面，认为富有新意的占90%，认为与其他通识课程有部分内容重合的占10%。 认为课程内容有趣且知识结构系统的占75%，认为内容有趣、但略显碎片化的占16%，认为有趣、但部分内容略显专深的占9%。 教学方式方面，学生普遍欢迎以课堂讲授为主、辅以多媒体资料、对分课堂、案例教学法等灵活的教学方式，对野外和实验实践教学的期望尤为迫切。 对课程教学非常满意的占68%，满意的占32%，未见基本满意或不满意意见。

通识教育侧重在专业化教育之前，为不同学科背景的学生提供多方视角，理解人类在人文、艺术、自然科学等领域的重要思想和成就。 “地质公园：探索地球历史的窗口”课程侧重自然科学，在普及地球科学知识、引领学生了解地球科学领域的重要进展、拓展地球科学视野等方面均达到了预期的教学目标。 例如，圈层相互作用的讲授涉及“沙尘暴成因与影响”的案例分析，课后学生反馈原来备受其扰的沙尘暴不仅是干旱气候背景下岩石圈、水圈、大气圈、生物圈长期相互作用的产物，也在塑造风蚀地貌（敦煌雅丹世界地质公园等）、风积地貌（阿拉善沙漠世界地质公园、洛川黄土国家地质公园等）的过程中有着至关重要的作用，对掌握地球科学知识起到了很好的支撑作用；化学风化作用中“氧化作用”的讲授以张掖世界地质公园、美国红崖国家保护区（Vermillion Cliffs National Monument）、澳大利亚卡瑞吉尼国家公园（Karijini National Park）的红色地层为基础开展，课后化学专业学生反映“氧化作用”原本是化学的基本常识，但没想到“氧化作用”在塑造地貌景观方面有如此重要的影响，还可以用来推测数亿年前的气候环境状况，对拓展自己的知识面、强化学科交叉融合意识等方面起到了很好的启迪作用；黄土与环境的讲授以二十世纪五十年代刘东生先生在三门峡发现古土壤的故事为切入点，沿中国黄土研究的发展历程引导学生了解科学家如何一步步认识晚新生代我国干旱—半干旱区气候环境演变，课后学生反馈原来自己熟悉的黄土高原竟蕴含着如此重大、有趣的地球科学发现，青藏高原隆升、地球轨道参数变化等竟对干旱区气候环境变化有如此重要的影响，对培养自己的时空思维和从全局出发综合分析问题的能力有很好的促进作用；野外实践教学环节中，学生普遍反映尽管之前已多次走过萃英山的登山步道，但从未关注过周边岩石的类别及造岩矿物的差异、思考过萃英山的形成与干旱气候和近百万年以来沙尘暴的关联、分析过沟谷形态和落水洞等黄土地貌的形成机理、了解过气象站的组成和科学家如何研究地球表层圈层相互作用，该环节对激发学生自身探索自然的兴趣、了解地球科学研究基本方法、拓展地球科学视野起到了很好的引领示范作用。

六、结束语

作为一门新开设的通识课，“地质公园”通识课还存在很大的提升空间。 首先，由于缺少与授课内容相关的通识教育教材，课堂讲授环节主要依赖教学幻灯片开展，不利于学生通过自主学习构建完整的知识体系，教材建设迫在眉睫。 其次，地质公园往往蕴含丰富的人文内涵，但受课时所限难以深入开展，如何进一步凝练自然科学部分的授课内容、融合地质公园的人文精华值得深入研究。 再次，在教学方法方面如何利用互联网资源开展线上线下混合式教学［27］，丰富线上资源、提升教学效果需要积极尝试。 最后，“地质公园”通识课选课学生偏多，对分课堂难以兼顾每一个选课学生，如何在有限课时内调动学生参与课堂的积极性、提升教学效果仍是需要探索的重要问题。

人类对地球有着与生俱来的好奇心与探索欲，随着社会经济的发展和生活质量的提高，人们对生存环境及其变化认知的需求日益增加。 地球科学是人类认识地球的一门学科，其内涵非常丰富、学科门类众多。 以贴近学生生活的地质公园为主线设计教学内容，通过基础知识、科学发现、野外实践教学模块的有机融合，能打通学科界线、打通古今界线，构建一门理论宽厚、知识密度高、创新性强的通识教育课程，不仅对提高学生的地球科学素养、培养时空思维和综合思维能力、树立人与自然和谐共生的生态意识有重要意义，也能为服务国家公园体制建设培养更多具有地球科学知识背景的复合型人才，是促进地球科学类通识课程从专深专业教育到宽广通识教育改革的有效途径。