“全球變化與地表過(guò)程”課程教學(xué)改革的探索

佘維維 姜群鷗 齊元靜 高廣磊 丁國(guó)棟

(北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，北京 100083)

18世紀(jì)工業(yè)革命以來(lái)，人類改變和利用自然的能力得到空前發(fā)展，在創(chuàng)造巨大文明成果的同時(shí)，也給地球環(huán)境帶來(lái)深刻的影響。大氣和水污染、土地荒漠化、溫室效應(yīng)加劇、森林銳減、生物多樣性喪失等一系列全球性環(huán)境問(wèn)題日益凸顯。20世紀(jì)80年代，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，以“全球變化”為主題的研究組織逐步設(shè)立，研究成果日益豐富，全球變化的科學(xué)也應(yīng)運(yùn)而生[1]。深入的研究工作使得科學(xué)界認(rèn)識(shí)到地球大氣、水、巖石、生物等組分是一個(gè)密切聯(lián)系的整體，由此提出了地球系統(tǒng)科學(xué)的概念。地球系統(tǒng)科學(xué)作為研究地球系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)、特征和功能的科學(xué)，為全球變化研究提供了基礎(chǔ)理論支撐[1]。

在地球系統(tǒng)中，地球表層的諸多要素、過(guò)程及其相互作用與人類聯(lián)系最為密切，是全球變化研究最為廣泛的領(lǐng)域[2]。當(dāng)前，全球變化研究已成為地學(xué)、宏觀生物學(xué)的前沿學(xué)科領(lǐng)域，著重關(guān)注地球表層系統(tǒng)對(duì)人類活動(dòng)誘發(fā)的全球變化的響應(yīng)、適應(yīng)和反饋，為積極應(yīng)對(duì)全球變化以及人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)的科學(xué)基礎(chǔ)。為適應(yīng)社會(huì)和學(xué)科發(fā)展的需要，國(guó)內(nèi)綜合性和師范類高等院校普遍開(kāi)設(shè)了“全球變化”“氣候變化”“全球變化生態(tài)學(xué)”“全球變化與可持續(xù)發(fā)展”等課程。這些課程已成為培養(yǎng)學(xué)生全球視野、塑造系統(tǒng)性和批判性思維、強(qiáng)化社會(huì)責(zé)任感的重要課程，同時(shí)也為學(xué)生架起了從掌握基礎(chǔ)理論知識(shí)到探索學(xué)術(shù)前沿知識(shí)的橋梁[3-4]。然而，開(kāi)設(shè)此類課程的高等農(nóng)林院校并不多，相關(guān)教育教學(xué)研究尚鮮見(jiàn)報(bào)道。在這樣的背景下，北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院于2018年開(kāi)設(shè)了面向全校的“全球變化與地表過(guò)程”專業(yè)選修課程。

一、“全球變化與地表過(guò)程”課程的內(nèi)容與特點(diǎn)

(一)課程的內(nèi)容

“全球變化與地表過(guò)程”課程涉及3個(gè)方面的內(nèi)容，即全球變化、地表過(guò)程以及二者之間的關(guān)系。全球變化是指由自然和人文因素引起的地表環(huán)境及地球系統(tǒng)功能全球尺度的變化，諸如二氧化碳濃度增加、溫度升高、降水格局改變、氮沉降增加、土地利用變化等。地表過(guò)程的范疇包括水、土、氣、生、人等地表有關(guān)的自然和人文過(guò)程。由于人類活動(dòng)是誘發(fā)全球變化的重要驅(qū)動(dòng)力，因此在討論全球變化與地表過(guò)程關(guān)系時(shí)，必然涉及人類活動(dòng)方面的內(nèi)容。

地球系統(tǒng)作為一個(gè)復(fù)雜的巨系統(tǒng)，內(nèi)部各組分間的相互作用亦十分復(fù)雜。為梳理出一條清晰的邏輯主線，筆者將人類活動(dòng)和全球變化視為驅(qū)動(dòng)力，而地表過(guò)程作為影響對(duì)象，那么全球變化、人類活動(dòng)與地表過(guò)程間的關(guān)系就可表述為前者對(duì)后者的影響以及后者對(duì)前者的反饋，見(jiàn)圖1。圖1中，人類活動(dòng)通過(guò)改變地表過(guò)程進(jìn)而導(dǎo)致全球變化(過(guò)程①③)是全球變化的成因；而過(guò)程②為全球變化對(duì)地表過(guò)程的影響；過(guò)程③表示地表過(guò)程對(duì)全球變化的反饋。

圖1 全球變化與地表過(guò)程間的關(guān)系

(二)課程的特點(diǎn)

從“全球變化與地表過(guò)程”課程的內(nèi)涵看，它具有多學(xué)科交叉、綜合性強(qiáng)的特點(diǎn)。相關(guān)研究?jī)?nèi)容涉及到大氣圈、水圈(含冰凍圈)、巖石圈和生物圈(含人類自身)的要素、過(guò)程及其相互作用，其實(shí)質(zhì)是地理科學(xué)、大氣科學(xué)、水科學(xué)、生態(tài)學(xué)、環(huán)境科學(xué)、人文社會(huì)科學(xué)在計(jì)算機(jī)和信息科學(xué)的發(fā)展和推動(dòng)下向綜合、集成與相互交叉方向發(fā)展的體現(xiàn)。

從研究尺度看，“全球變化與地表過(guò)程”課程具有多尺度融合、理論性強(qiáng)的特點(diǎn)。從空間尺度上看，包括從微觀的分子、細(xì)胞水平到中觀的個(gè)體、種群、群落和生態(tài)系統(tǒng)水平以及宏觀的景觀、區(qū)域和全球水平。從時(shí)間尺度看，有長(zhǎng)有短，如秒到小時(shí)尺度上的二氧化碳和水汽的交換過(guò)程，天到季節(jié)尺度上的土壤水分儲(chǔ)量變化、植物碳分配和物候變化過(guò)程，年到百年尺度上的植被結(jié)構(gòu)與功能變化過(guò)程，以及更長(zhǎng)時(shí)間尺度(萬(wàn)年到百萬(wàn)年)上的土壤形成、地質(zhì)運(yùn)動(dòng)等過(guò)程。雖然不同時(shí)空尺度上的過(guò)程機(jī)理不同，但又相互聯(lián)系、緊密耦合。而將微觀過(guò)程機(jī)理和宏觀格局相結(jié)合的“尺度綜合”研究是全球變化研究中重要的學(xué)術(shù)前沿問(wèn)題。

此外，隨著計(jì)算機(jī)、信息和生物技術(shù)的發(fā)展，以及對(duì)地觀測(cè)和數(shù)值模擬能力的提高，全球變化研究的成果日新月異，體現(xiàn)出很強(qiáng)的前沿性。全球變化作為一門新興的交叉學(xué)科，在不斷蓬勃發(fā)展的過(guò)程中，仍存在許多不確定性，諸多關(guān)鍵問(wèn)題并沒(méi)有定論，存在許多不同甚至相反觀點(diǎn)。

二、“全球變化與地表過(guò)程”課程教學(xué)面臨的挑戰(zhàn)

(一)內(nèi)容多、課時(shí)少

“全球變化與地表過(guò)程”涉及內(nèi)容范圍寬、領(lǐng)域廣，具有多學(xué)科交叉性，是一門系統(tǒng)性和理論性很強(qiáng)的課程。該課程的教學(xué)難度大，但分配的課時(shí)僅有32學(xué)時(shí)(2學(xué)分)。如何合理設(shè)置授課內(nèi)容，在較短的課時(shí)內(nèi)保持該課程教學(xué)的系統(tǒng)性和理論性，讓學(xué)生掌握該課程的知識(shí)和理論體系，是“全球變化與地表過(guò)程”課程教學(xué)的重點(diǎn)。

(二)學(xué)生的專業(yè)背景不同

“全球變化與地表過(guò)程”是為北京林業(yè)大學(xué)全校學(xué)生開(kāi)設(shè)的選修課程。該課程教學(xué)對(duì)象多為大三、大四高年級(jí)學(xué)生，他們的專業(yè)背景涉及地理學(xué)、林學(xué)、生物學(xué)、生態(tài)學(xué)等專業(yè)。盡管，高年級(jí)學(xué)生已具備一定的地理學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，但由于“全球變化與地表過(guò)程”課程內(nèi)容綜合性和前沿性強(qiáng)，不宜采用傳統(tǒng)的教學(xué)方式開(kāi)展教學(xué)，這對(duì)授課教師提出了更高的要求。為此，如何根據(jù)學(xué)生專業(yè)背景及知識(shí)儲(chǔ)備組織教學(xué)內(nèi)容、開(kāi)展教學(xué)活動(dòng)，是該課程取得良好教學(xué)成效的關(guān)鍵。

(三)知識(shí)更新速度慢

作為一門高度融合的交叉學(xué)科課程，“全球變化與地表過(guò)程”課程的理論體系和研究?jī)?nèi)容一直處于不斷發(fā)展探索之中。雖然其相關(guān)研究蓬勃發(fā)展，新的思想、方法、認(rèn)識(shí)、觀點(diǎn)、發(fā)現(xiàn)不斷涌現(xiàn)，但教材內(nèi)容更新速度慢，遠(yuǎn)滯后于當(dāng)前學(xué)科的發(fā)展。因此，如何在教材原有內(nèi)容的基礎(chǔ)上，整合全球變化研究的前沿成果，是激發(fā)學(xué)生求知欲、增強(qiáng)學(xué)習(xí)興趣的難點(diǎn)問(wèn)題。

三、“全球變化與地表過(guò)程”課程教學(xué)改革的措施

(一)優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

由于“全球變化與地表過(guò)程”課程學(xué)時(shí)少、教學(xué)內(nèi)容多、系統(tǒng)性和綜合性強(qiáng)，使得授課教師需要對(duì)授課內(nèi)容的范圍有所限定。因此，筆者選擇與人類活動(dòng)密切相關(guān)的時(shí)空尺度作為授課重點(diǎn)內(nèi)容，其他尺度上的內(nèi)容作為背景知識(shí)。具體的空間范圍尺度為：縱向上限為對(duì)流層頂(8～10km)、下限為巖石圈頂部(5～6km)；橫向范圍包括所見(jiàn)陸地和毗鄰島嶼；時(shí)間尺度上主要以人類活動(dòng)影響最為顯著的時(shí)間作為重點(diǎn)，包括過(guò)去數(shù)百年、未來(lái)一百年內(nèi)的內(nèi)容，而其他地質(zhì)歷史時(shí)期的地球環(huán)境演變內(nèi)容則作為背景知識(shí)介紹。

依據(jù)該課程的內(nèi)涵，筆者將授課內(nèi)容優(yōu)化為5個(gè)部分：①緒論，介紹全球變化與地表過(guò)程的概念、內(nèi)涵與發(fā)展歷程；②全球變化的事實(shí)、成因及未來(lái)預(yù)估；③全球變化對(duì)地表過(guò)程的影響；④地表過(guò)程對(duì)全球變化的反饋；⑤應(yīng)對(duì)全球變化的政策與行動(dòng)。根據(jù)學(xué)生專業(yè)背景，對(duì)每個(gè)部分設(shè)置密切相關(guān)的主題，如生態(tài)系統(tǒng)碳固存與碳循環(huán)、生物多樣性、水文與水資源、城市化、荒漠化等主題。在授課內(nèi)容的組織上，先快速回顧相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)，然后細(xì)致地講解相關(guān)微觀過(guò)程和機(jī)理，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步拓展延伸內(nèi)容。

受“全球變化與地表過(guò)程”課程課時(shí)限制，教師無(wú)法對(duì)“全球變化與地表過(guò)程”課程各個(gè)方面內(nèi)容進(jìn)行全方位深入地講授。因此，筆者推薦學(xué)生自學(xué)相關(guān)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源，有效地拓展該課程的知識(shí)。近年來(lái)，世界網(wǎng)絡(luò)課程建設(shè)蓬勃發(fā)展，許多著名高等院校推出了自己的網(wǎng)絡(luò)公開(kāi)課程，極大地推動(dòng)了全球范圍內(nèi)遠(yuǎn)程教育的發(fā)展，并實(shí)現(xiàn)了教學(xué)資源共享。一大批制作精良的網(wǎng)絡(luò)課程網(wǎng)站紛紛上線，如國(guó)家開(kāi)放大學(xué)、國(guó)家精品課程網(wǎng)、國(guó)家數(shù)字化學(xué)習(xí)資源中心、中國(guó)大學(xué)MOOC、網(wǎng)易公開(kāi)課、學(xué)堂在線、超星爾雅、edX、Coursera等，為課堂教學(xué)內(nèi)容的拓展和課后學(xué)生的自主學(xué)習(xí)提供了基礎(chǔ)平臺(tái)。筆者篩選了一些與“全球變化與地表過(guò)程”課程相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)課程供學(xué)生自主學(xué)習(xí)，如清華大學(xué)課程“應(yīng)對(duì)氣候變化的中國(guó)視角”、中國(guó)地質(zhì)大學(xué)課程“全球變化與地球系統(tǒng)科學(xué)”、南京信息工程大學(xué)課程“氣候變化與人類活動(dòng)”、哈佛大學(xué)課程“The health effects of climate change”、賓州州立大學(xué)課程“Climate change：the science and global impact”、哥倫比亞大學(xué)課程“Climate change science and negotiations”、英屬哥倫比亞大學(xué)課程“Climate change：the science”等。

(二)采用多種教學(xué)方法開(kāi)展教學(xué)活動(dòng)

“全球變化與地表過(guò)程”課程除了有系統(tǒng)性和理論性的內(nèi)容外，還存在許多前沿性和開(kāi)放性的內(nèi)容，這就需要教師采用傳統(tǒng)授課和學(xué)生自主探究研討相結(jié)合的教學(xué)方式開(kāi)展教學(xué)活動(dòng)。

對(duì)于基礎(chǔ)理論知識(shí)，筆者采用傳統(tǒng)教學(xué)方法開(kāi)展教學(xué)活動(dòng)，在一個(gè)章節(jié)或主題講授完成后，設(shè)置與當(dāng)節(jié)內(nèi)容相關(guān)的隨堂測(cè)驗(yàn)了解學(xué)生對(duì)當(dāng)堂課程知識(shí)的掌握情況。如果學(xué)生答題的效果不佳，則需要和學(xué)生交流討論確定具體哪里出了問(wèn)題，并有針對(duì)性地進(jìn)行詳細(xì)釋疑。

對(duì)于涉及到的前沿知識(shí)，筆者則采用研討式教學(xué)方法開(kāi)展教學(xué)活動(dòng)，具體做法如下。首先，教師直接提出問(wèn)題。教師依據(jù)授課內(nèi)容，直接提出相關(guān)問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考和討論，鼓勵(lì)學(xué)生運(yùn)用發(fā)散思維從不同角度分析問(wèn)題，最后對(duì)學(xué)生的答案提煉總結(jié)，梳理出知識(shí)邏輯關(guān)系。例如，從貼近學(xué)生生活實(shí)際的現(xiàn)象(如城市熱島效應(yīng))出發(fā)，與學(xué)生探討現(xiàn)象背后的機(jī)理和規(guī)律，進(jìn)而引出教學(xué)主題(城市化的效應(yīng))；或者依據(jù)全球變化對(duì)地表過(guò)程作用的先后次序，組織學(xué)生開(kāi)展問(wèn)題探討，如大氣溫度升高對(duì)土壤水分將產(chǎn)生怎樣的影響、水分變化后植物群落怎么變、植物群落改變對(duì)生態(tài)系統(tǒng)碳固存有怎樣影響、生態(tài)系統(tǒng)碳固存變化是否會(huì)影響大氣二氧化碳濃度等。其次，學(xué)生小組研討。教師提前設(shè)置好幾個(gè)難易適中、開(kāi)放性的研討主題，然后學(xué)生根據(jù)個(gè)人的興趣選擇主題并組隊(duì)開(kāi)展研討活動(dòng)。同時(shí)，小組選出代表進(jìn)行課堂匯報(bào)，組間相互質(zhì)疑和研討，最后教師詳細(xì)地講評(píng)和釋疑，達(dá)到促進(jìn)教學(xué)互動(dòng)、學(xué)生自主學(xué)習(xí)的目的。

(三)實(shí)施綜合考評(píng)

“全球變化與地表過(guò)程”課程的許多知識(shí)點(diǎn)其實(shí)是學(xué)生前期課程所學(xué)過(guò)的內(nèi)容。因此，該課程的考核不宜采取閉卷考試的方式開(kāi)展，應(yīng)重點(diǎn)考核知識(shí)點(diǎn)間的聯(lián)系以及運(yùn)用基礎(chǔ)理論知識(shí)分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力，即對(duì)學(xué)生進(jìn)行多方面綜合考評(píng)，以全面地考察學(xué)生的綜合能力。

“全球變化與地表過(guò)程”課程的成績(jī)包括平時(shí)成績(jī)、小組匯報(bào)成績(jī)和課程論文的撰寫成績(jī)，其分值(百分制)比例為2∶3∶5。①平時(shí)成績(jī)包括課堂提問(wèn)、隨堂測(cè)驗(yàn)和到課率。②小組研討匯報(bào)成績(jī)包括學(xué)生評(píng)分和教師評(píng)分，分值(百分制)比例為3∶7，重點(diǎn)從報(bào)告內(nèi)容符合主題的程度、講解清晰程度、基礎(chǔ)理論運(yùn)用情況、結(jié)論是否可靠、回答問(wèn)題是否明確、參考文獻(xiàn)是否充分、時(shí)間把握是否恰當(dāng)?shù)确矫孢M(jìn)行評(píng)判打分。③課程論文的撰寫成績(jī)根據(jù)論文的創(chuàng)新程度、文字表達(dá)情況、內(nèi)容邏輯結(jié)構(gòu)合理性、論文格式規(guī)范性等方面進(jìn)行評(píng)定。課程論文包括教師推薦的主題和學(xué)生自主擬題，教師要對(duì)學(xué)生自主擬題進(jìn)行把控，以確保擬題具有一定的創(chuàng)新性和意義、范圍合理、難度適當(dāng)、具有可操作性。

四、“全球變化與地表過(guò)程”課程教學(xué)改革的成效

(一)拓寬學(xué)生的專業(yè)視野，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣

改革后的“全球變化與地表過(guò)程”課程，在教學(xué)內(nèi)容上不斷豐富，知識(shí)理論體系趨于完善，與社會(huì)熱點(diǎn)和學(xué)科前沿的聯(lián)系更加緊密。

在教學(xué)形式上，增加了學(xué)生自主學(xué)習(xí)國(guó)內(nèi)外精品網(wǎng)絡(luò)課程的環(huán)節(jié)，拓寬了學(xué)生的專業(yè)視野；借助研討式教學(xué)方法，引導(dǎo)學(xué)生思考討論社會(huì)熱點(diǎn)和學(xué)科前沿問(wèn)題，不僅使學(xué)生課下查找和分析了大量文獻(xiàn)資料，進(jìn)一步擴(kuò)充了自己的專業(yè)知識(shí)，而且還激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和熱情。

(二)促進(jìn)多學(xué)科知識(shí)交叉融合，提高學(xué)生解決問(wèn)題的綜合能力

教師對(duì)“全球變化與地表過(guò)程”課程授課內(nèi)容的系統(tǒng)化組織，增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)不同學(xué)科知識(shí)間邏輯關(guān)系的理解，提高了學(xué)生對(duì)多學(xué)科交叉融合知識(shí)的掌握。此外，在課程論文的撰寫過(guò)程中，學(xué)生自主閱讀和分析文獻(xiàn)資料后，需要與教師、學(xué)生進(jìn)行廣泛的交流、討論，開(kāi)展頭腦風(fēng)暴，不僅提高了發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，而且還鍛煉了歸納總結(jié)、邏輯推演的思維能力，同時(shí)也激發(fā)了他們自主創(chuàng)新的能力。

總之，教學(xué)評(píng)價(jià)是衡量課程教學(xué)效果的重要依據(jù)。調(diào)查顯示，盡管88.5%的學(xué)生認(rèn)為“全球變化與地表過(guò)程”課程內(nèi)容具有很大的難度，但最終的教學(xué)獲得了良好的效果，學(xué)生對(duì)該課程的總體滿意度達(dá)到100%，見(jiàn)表1。

表1 “全球變化與地表過(guò)程”課程教學(xué)改革效果滿意度的調(diào)查結(jié)果 %