高等学校《地球科学导论》课程教学改革与探索

章凤奇，石许华，杨小平，曹 龙，励音骐，张 丰，刘 艳，程晓敢， 陈汉林，杨树锋

1.浙江大学 地球科学学院，浙江省地学大数据与地球深部资源重点实验室，杭州 310058；2.浙江大学 建筑工程学院，杭州 310058

1 引言

“板块构造理论”是20世纪自然科学领域最具代表性的学术创新之一，不仅掀起了整个地球科学领域的一场重大革命，而且成为多学科交叉研究的成功典范。进入到21世纪，地球科学正在经历着一场新的变革，即向多学科交叉融合的地球系统科学方向发展，这样的融合并不仅仅局限于地球科学的各分支学科，还涉及信息科学、数理科学、生物科学和社会科学等（杨树锋，2001）。浙江大学是一所综合型、研究型大学，学科几乎涵盖除军事以外的所有学科门类。浙江大学地球科学学院隶属理学部，经过八十五年的不断发展和壮大，现在已经形成了一支涵盖固体地球科学（地质学、地球化学和地球物理学等）和表层地球科学（地理学、海洋科学和大气科学）和数字地球科学（GIS、遥感和地学时空大数据等）各个领域的教学和科研队伍，基本具备多学科融合发展地球系统科学的坚实基础和独特优势。为此，学院抓住学校“一流骨干基础学科”、“双一流学科”和 “国家级一流本科专业”等建设的契机，突破单一性地学学科发展的瓶颈和困局，提出以地球系统科学为目标的多学科融合发展战略，应用大数据和人工智能为新方法新范式，奋力推进发展大数据与地球系统科学的快车道。

学科的交叉融合发展不仅要体现在科学研究领域，而且也要贯穿到课程体系的改革、课程教学的实践和创新性地学人才的培养中去。浙江大学《地球科学导论》课程就是在多学科融合发展背景下，新建设的一门面向地质学、地理学和大气科学三个本科专业的地球科学类平台基础课。按照地球系统科学的人才培养要求，课程改革面临多方面的挑战和机遇，在此我们将课程教育教学改革和探索实践过程中的粗浅认识与思考分享给国内外同仁，以期抛砖引玉。

2 课程教学改革面临的挑战与策略

2.1 夯实基础、拓宽视野，促进地球系统科学的教学与发展

《地球科学导论》作为一门专业基础课程，其教学内容涵盖固体地球科学、表层地球科学和数字地球科学的方方面面，教学内容涉及学科多、覆盖面广。因而如何夯实地球科学基础，拓展学生的学科视野，促进地球系统学科的教学与发展，是一个巨大的挑战。

本课程固体地球科学部分的教学内容包括：地球的起源和演化，地球圈层结构，地球物质成分，地球生命演化与地质年代学，板块构造理论，火山、地震、地质构造与造山作用以及地球资源与能源等；表层地球科学的教学内容包括：海洋科学，陆地水资源与流水地貌、冰川作用与冰川地貌、风沙作用与干旱地貌，天气学、大气污染和全球气候变化等；数字地球科学的教学内容包括：地球数据的获取与表达技术、虚拟地球系统、地球大数据、人工智能地学应用等。在上述教学过程中，一方面要注重基本知识和概念、基本理论和知识体系的系统性，另一方面更要关注不同学科体系之间的关联性。在课程后期，重点安排了2~3次综合性专题性讲座（比如青藏高原隆升及资源、环境和气候效应；大数据和人工智能专题），通过这样的专题讲座和讨论，应用大数据和人工智能等新技术、新方法和研究新范式，将固体地球科学和表层地球科学进行有机的关联，从而更好地理解地球系统有机统一的内涵，启发学生关注不同圈层系统相互作用的学习，推动学科交叉以及地球系统科学研究意识的培养。

2.2 课程思政、铸魂育人，加强专业教育与立德树人的融合

教育部2020年印发的《高等学校课程思政建设指导纲要》指出，“培养什么人、怎样培养人、为谁培养人是教育的根本问题，立德树人成效是检验高校一切工作的根本标准”。而要落实立德树人、铸魂育人这一根本任务，必须将“价值塑造、知识传授和能力培养三者融为一体”。因此，全面推进课程思政建设，如何将价值观引导更好地贯穿于知识传授和能力培养之中，帮助学生塑造正确的世界观、人生观、价值观，实现“德识双馨”的价值导向（舒良树等，2021），是专业课程教学改革和建设面临的一项战略性课题。

古今中外地球科学的发展历史本身就是一座科学精神和奋斗精神的丰碑，蕴含丰富的具有地学特色的思政元素。在教学过程中，我们注重把科学史、热点问题与专业知识教学相结合。如，在地球宇宙环境章节，从地心说到日心说的发展过程中，讲述科学家是如何为坚持科学真理而奋斗的血泪史；在板块构造理论章节，介绍从魏格纳“大陆漂移说”的提出、被搁置到板块构造理论的创立并掀起的地球科学革命，向同学们展现重大科学理论发展的曲折性；在介绍黄土、沙漠等干旱地质作用章节，注意融入中国黄土之父——国家最高科学奖获得者刘东生院士的科学发现和成就，展现中国黄土研究与国际深海沉积和极地冰芯研究在重要科学发现上相互印证之美；在讲解全球气候变暖和碳排放等问题时，介绍我院杰出校友丁仲礼院士在哥本哈根气候峰会上为捍卫国家发展利益发表言之凿凿、荡气回肠的演讲和访谈等。通过上述这些丰富而鲜活的案例，积极弘扬追求真理的科学精神，坚持不懈、百折不挠的奋斗精神和学成报国、为民服务的家国情怀。

同时，笔者也十分注重把身边师长、校友等科研实践和事迹，有机地融入到相关专业知识的教学中。比如，在讲解冰川地貌一节，介绍杰出校友、“中国冰川之父”施雅风院士的科学成就以及我院师生校友前赴后继前往南极和北极开展极地科考的事迹；在讲述地球能源章节，结合我院构造地质团队数十年如一日持续奋战在中国西部油气勘探最前沿；再如在矿产资源方面，将杨树锋院士团队在塔里木大火成岩省研究以及我院岩矿团队将地球深部资源勘查等科研实践和贡献融入教学；在介绍第四纪地质相关章节，把我院师生在地质灾害、活动构造到第四纪沙漠研究，以及工业革命以来的全球气候变化等研究成果丰富到教学当中，激励学生要“立大志、明大德、成大才、担大任”，努力成为总书记提出的“堪当民族复兴重任的时代新人”。

2.3 发挥优势、多措并举，推进课程教学现代化

课程教学的现代化包括教学理念、内容和手段等的现代化，这是目前全世界大学教育都普遍面临的战略性课题。结合《地球科学导论》课程教学内容和特点，积极发挥浙大地学特色与优势，在推进课程教学的现代化方面我们也进行了初步的尝试和探索。

（1）注重学生能力培养，特别是自学能力的培养。积极发挥学生的主动性和参与性，对于以学生自学为主的课程部分章节，先设置一些相关的问题，然后请学生自学和小组讨论后，派代表来进行讲解，并相互质疑和提问，最后由教师进行点评和总结，对不足或者错误之处予以纠正。

（2）注重多重科学思维的训练。传统教学偏重形象思维的训练。地学基础课教学的一个主要特点是，概念多、分类多和观察描述性多，总体上是以定性方法和类比思维训练居多。通过数学地球科学的前沿和案例的课堂讲解以及课后作业训练等，提升学生“数学地球科学”（成秋明，2021）定量化分析的思维和技能。而从“盲人摸象”的寓言故事到地学研究实例的分析，强调地学研究中要避免以偏概全的思维模式，养成综合性、整体性和归纳性思维。再比如，通过我院杨文采院士讲述的一个关于香水扩散的例子来说明正演和反演思维的不同特点。通过多重思维的训练，不断增强学生科学思维的能力。

（3）注重解决教与学的矛盾。本课程学科跨度大，授课教师多。不同学科方向的老师参加授课，一个有利的方面是学科前沿把握准、授课风格多元化，但是不利方面也很明显，如授课风格缺乏连贯性、师生接触互动时间短。我们采取策略是主要请来自地质、地理和大气三个学科的三位老师主讲，逐步稳定授课风格，并且开展不同学科有关老师进行教学内容的研讨，尽可能保持教学内容衔接上的连贯性。另外，本课程还存在选课学生人数多、教学内容多与课时少、课堂互动少的矛盾。采取的策略是：课堂主题式或专题式的讲座和线上线下相结合；建立钉钉课程群，及时答疑解惑，增加师生互动交流；实践环节在课下灵活开展。

（4）注重结合社会热点和前沿问题。比如讲解自然灾害和地球系统科学研究，分别举例分析当前正在发生的破坏性地震（如2021年5月22日大理6.4级和青海玛多7.4级地震）和全球气候变暖问题，引导学生对这些问题从科学、技术、政治和经济等多个维度开展思考和讨论。再比如，讲述喜马拉雅山造山带地质演化时，先从2020年我国测量珠穆朗玛峰的新闻事件谈起，简要说明珠峰测量的重要性、必要性和技术难点，然后在再介绍喜马拉雅造山带的地质研究进展和隆升历史及其隆升机制。

（5）注重整合利用学院和杭州本地特色地学资源。通过丰富多样的课间实践教学，如利用学院丰富的矿物、岩石和古生物标本，开展近距离的地质标本观察实习；利用浙江大学地质博物馆、浙江省自然科学博物馆、杭州国家级湿地博物馆等，丰富地学科普实践；野外实践教学是地质学教学的重要内容和特色（王家生等，2009; 王博等，2012），利用杭州西湖周边特有的火山岩、沉积岩地质地貌，开展课间野外实习，激励学生主动去发现身边的地质现象，努力让“枯燥”的地学知识鲜活起来。每次实践活动均设计相关的课程作业和任务并安排主讲教师或者助教参与教学。

（6）注重开展线上线下混合式教学。自新冠肺炎疫情以来，高校线上教学进展迅速。目前浙江大学已经实现所有教室课堂授课的线上同步直播，并能够进行高清晰视频录制，便于学生课后回放观看和复习巩固。因此，把线上教学和线下自学有机结合起来，可以保障学习进度，不断提升学习效果。此外，国内同行将地质模型三维动画与虚拟现实技术相结合，制作了三维虚拟现实的短视频（颜丹平等, 2020），开展线上教学，也取得了不错的教学效果，值得借鉴。

（7）注重新技术、新方法和研究新范式的应用和介绍。随着人工智能、大数据和区块链等新方法和新技术的快速发展，地球科学发展也迎来从问题驱动向数据驱动的变革，研究新成果、新认识不断涌现（Bergen et al., 2019; 周永章等, 2021; 成秋明,2021）。因此，除了在常规地学知识教学中引入新技术和新方法的案例教学外，本课程还特别增加了地学大数据与人工智能专题性讲座，主动拥抱新技术、新方法和研究新范式。

3 对今后《地球科学导论》教学的思考与展望

现代科学技术突飞猛进、日新月异，今后《地球科学导论》课程教学需要与时俱进、不断革新，而且还需要从更加长远角度思考和把握学科发展趋势，以下几个方面值得关注：

（1）如何从“数字地球”迈向“智慧地球”？在时空大数据、人工智能时代大背景下，世界将继续“缩小”和“扁平化”，我们正在迈入智慧时代。数字地球把遥感技术、地理信息系统和网络技术以及可持续发展等社会需要联系在一起，为全球信息化提供了一个基础框架，而物联网与水、电、气、路一样，很快将成为地球上的一类新的基础设施。因此，未来如果能将数字地球与物联网更好的结合起来，就可能会实现智慧地球，开启地球科学新的研究模式和人们新的生活方式。

（2）如何开展真正的地球系统科学的教学？在全球变化、气候变暖与碳循环等热点研究背景下，地学研究已经由单一学科到多学科、多领域和全方位的联合研究的转变，因此课程教学不仅聚焦表层地球系统的教学，而且要着力倡导从浅部到深部、深时尺度的更为全面的“地球系统科学”的教学。

（3）如何从“人—地关系”教学到“地学人文”教学的转变？一方面，在科技大发展的今天，“上天—入地—下海—登极”的人类活动已经成为地球表层不可忽视的营造力；另一方面，随着“地球村”和“人类命运共同体”等概念的深入人心，地球科学类课程如何从“人—地关系”到“地学人文”教学的转变，提升人类对地球和宇宙空间的认识和理解，更好地融入国家和社会可持续发展，也非常值得在教学中深入思考和探索。

（4）如何从“地球科学”到“行星科学”延展？地球演化本身是行星、太阳系和宇宙演化一部分，同时地球又是一个非常活跃且仍不断演化的行星，因此，要全面了解地球早期历史和宜居地球的演化，除了开展地球自身研究外，还需要“跳出”地球“看”地球。随着我们国家“深地、深时和深空”等领域重点研究计划的开展和推进（姚玉鹏和郭正堂，2021），以及航空航天事业跨越式发展和探月、火星探测等工程的实施，“行星科学”研究逐步进入大众视野，这些研究有助于认识地球早期演化、生命起源，是未来全人类共同关注的科学领域，课程教学也有必要尽快实现从“地球科学”向“行星科学”的教学延展。