“全球變化生態(tài)學(xué)”教學(xué)改革與實(shí)踐
——以天童國家野外站為依托

鄭澤梅，楊海波，楊慶松，江 山

（華東師范大學(xué) a.浙江天童森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站；b.生態(tài)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，上海 200241）

全球變化生態(tài)學(xué)是在全球變化背景下發(fā)展起來的一門新興學(xué)科，其源于對生物圈的研究，從IGBP時(shí)代逐步發(fā)展［1］。它主要探討全球變化的生態(tài)過程、生態(tài)關(guān)系、生態(tài)機(jī)制、生態(tài)后果及生態(tài)對策，是當(dāng)前生態(tài)科學(xué)一個(gè)熱門、重要的研究領(lǐng)域。基于全球變化問題的廣泛性、綜合性和熱門性，我國很多高校都開設(shè)了與全球變化或全球變化生態(tài)學(xué)相關(guān)的課程［2］。例如，北京大學(xué)、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)開設(shè)專業(yè)選修課，清華大學(xué)地學(xué)中心為大氣科學(xué)（全球變化方向）輔修專業(yè)開設(shè)了“全球變化生態(tài)學(xué)”和“全球變化大數(shù)據(jù)分析”等課程，也有一些高校面向全校學(xué)生開設(shè)“全球變化通識”課程［3］。在教學(xué)過程中，很多學(xué)者從教學(xué)模式、教學(xué)內(nèi)容等方面對“全球變化生態(tài)學(xué)”進(jìn)行了教學(xué)改革與實(shí)踐。陳永金等［4］和董進(jìn)國等［5］嘗試了在全球變化類課程中使用探究式學(xué)習(xí)法。劉衛(wèi)國等［6］和彭劍峰［7］建議教師要充分利用信息化技術(shù)引導(dǎo)“全球生態(tài)學(xué)”的教學(xué)過程。王艷紅等［3］認(rèn)為全球變化通識課程的授課教師應(yīng)充分地將“設(shè)問式”和互動(dòng)教學(xué)方法運(yùn)用到課程教學(xué)實(shí)踐中。

自2010年起，華東師范大學(xué)生態(tài)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院面向生態(tài)學(xué)專業(yè)三年級本科生開設(shè)專業(yè)選修課“全球變化生態(tài)學(xué)”，課程共36學(xué)時(shí)。因生態(tài)學(xué)專業(yè)培養(yǎng)方案調(diào)整，2018年該課程被列入生態(tài)學(xué)學(xué)科特色課程體系，更加強(qiáng)化了對課程特色性的要求。依托學(xué)科優(yōu)勢和開放優(yōu)質(zhì)的教學(xué)資源是提升學(xué)生創(chuàng)新能力的有效途徑［8-9］。浙江天童森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站（以下簡稱“天童國家野外站”）是國家“211”和“雙一流”重點(diǎn)學(xué)科、上海市、華東師范大學(xué)生態(tài)學(xué)的建設(shè)內(nèi)容之一，已構(gòu)建了科研反哺教學(xué)的實(shí)踐平臺［10］。為提升學(xué)生的理論認(rèn)知、實(shí)踐和創(chuàng)新能力，課程教師依托天童國家野外站，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)形式和考核方式等方面對課程開展了教學(xué)改革與實(shí)踐，突出了課程特色，取得了良好效果，以期為我國高校相關(guān)課程的教學(xué)提供借鑒。

一、“全球變化生態(tài)學(xué)”課程內(nèi)容與教學(xué)挑戰(zhàn)

（一）課程教學(xué)內(nèi)容與目標(biāo)

“全球變化生態(tài)學(xué)”的教學(xué)內(nèi)容主要分為三大部分：（1）生態(tài)系統(tǒng)變化的多尺度觀測與分析；（2）全球變化驅(qū)動(dòng)下的生態(tài)系統(tǒng)變化過程及其適應(yīng)性；（3）應(yīng)對氣候變化的人類行動(dòng)。根據(jù)專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃的要求，課程從知識理論基礎(chǔ)、持續(xù)學(xué)習(xí)能力和綜合素質(zhì)等三個(gè)角度設(shè)定了專業(yè)教學(xué)目標(biāo)：（1）了解全球變化生態(tài)學(xué)的主要研究手段，能理解生態(tài)系統(tǒng)主要物質(zhì)循環(huán)過程、生物入侵和生物多樣性對全球氣候變化的響應(yīng)過程及其內(nèi)在機(jī)制；（2）能使用“全球變化生態(tài)學(xué)”理論框架解釋已有氣候變化對生態(tài)系統(tǒng)的影響機(jī)制，并能使用典型研究手段開展全球變化生態(tài)學(xué)基礎(chǔ)研究；（3）了解國際社會(huì)應(yīng)對氣候變化已采取的相關(guān)措施與行動(dòng)。

（二）教學(xué)挑戰(zhàn)

1.課程教學(xué)內(nèi)容須推陳出新?！叭蜃兓鷳B(tài)學(xué)”涉及的內(nèi)容多而廣，并且隨著學(xué)科研究的深入，新的技術(shù)手段、研究成果和重大國際政策也會(huì)不斷涌現(xiàn)。教師要保證在短短的36個(gè)學(xué)時(shí)內(nèi)有效地完成這些內(nèi)容的講解，這就要教師在保證教學(xué)內(nèi)容系統(tǒng)性基礎(chǔ)上，既要對現(xiàn)有的內(nèi)容進(jìn)行整合和合理取舍，也要突出教學(xué)內(nèi)容的新穎性［11-12］。在教學(xué)過程中，將近幾年出現(xiàn)的新技術(shù)手段融入“全球變化生態(tài)學(xué)”研究方法講解，將全球變化生態(tài)學(xué)領(lǐng)域最新的研究成果作為案例分析素材，是完善教學(xué)內(nèi)容的直接途徑［13］。

2.課程教學(xué)手段較為單一?！叭蜃兓鷳B(tài)學(xué)”涉及的專業(yè)術(shù)語較多，是一門理論性和實(shí)踐性都較強(qiáng)的課程。通過傳統(tǒng)的“填鴨式”教學(xué)模式（如講授法）或案例教學(xué)，學(xué)生雖能在一定程度上了解“全球變化生態(tài)學(xué)”的主要研究手段，理解生態(tài)系統(tǒng)對全球變化的基本響應(yīng)過程與機(jī)理。但是，他們對這些知識點(diǎn)的理解可能更多停留在課件的圖片和教師的描述上。學(xué)生對“全球變化生態(tài)學(xué)”的研究手段認(rèn)知不夠直接，對全球變化理論框架的理解層次不夠深刻。講授法的教學(xué)模式導(dǎo)致學(xué)生處在被動(dòng)學(xué)習(xí)的狀態(tài)，降低了其學(xué)習(xí)興趣［14］。對此，通過適當(dāng)增加小組討論和現(xiàn)場教學(xué)環(huán)節(jié)，對課堂教學(xué)進(jìn)行有效補(bǔ)充［13］，能提高學(xué)生對理論的認(rèn)知能力和實(shí)踐能力，可以讓整個(gè)教學(xué)在充滿互動(dòng)、真實(shí)、近距離的氛圍中展開。

3.課程考核方式缺乏對學(xué)生學(xué)習(xí)過程的評價(jià)。課程期末考試以傳統(tǒng)的選擇、填空、簡答和論述為考試題型，側(cè)重考查學(xué)生對課程知識的記憶和理解。有的學(xué)生臨時(shí)抱佛腳，死記硬背課堂筆記或者教師教案，也能取得不錯(cuò)的成績。這種考核方式難以實(shí)現(xiàn)考核的真正目的，也難以對學(xué)生的整個(gè)學(xué)習(xí)過程和知識掌握情況進(jìn)行有效監(jiān)督和評價(jià)。在教學(xué)過程中增加過程評價(jià)環(huán)節(jié)（如設(shè)置小組討論得分），期末從試卷考試轉(zhuǎn)變?yōu)檎n程論文或課程研究計(jì)劃評價(jià)，綜合性的考核模式將有助于學(xué)生學(xué)習(xí)能動(dòng)性的提高和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

二、天童國家野外站的“全球變化生態(tài)學(xué)”教學(xué)資源優(yōu)勢

20世紀(jì)80年代，華東師范大學(xué)宋永昌教授開始帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在寧波天童國家森林公園開展植被定位研究。1992年，華東師范大學(xué)天童生態(tài)試驗(yàn)站成立，是我國成立較早的常綠闊葉林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站之一。2005年，天童生態(tài)試驗(yàn)站通過遴選，首批進(jìn)入國家生態(tài)系統(tǒng)野外科學(xué)觀測研究網(wǎng)絡(luò)，正式成為浙江天童森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站，是當(dāng)時(shí)教育部華東地區(qū)唯一的國家級森林野外臺站。天童國家野外站2004年被華東師范大學(xué)定為大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐基地，2012年被遴選為首批國家級理科野外實(shí)踐教育基地，2021年成為首批“寧波市自然教育基地”。依托臺站多學(xué)科綜合觀測技術(shù)、先進(jìn)的儀器設(shè)備、經(jīng)驗(yàn)豐富的教師隊(duì)伍，天童國家野外站構(gòu)建了輻射華東地區(qū)的科研反哺教學(xué)的實(shí)踐平臺［10］，在創(chuàng)新人才的培養(yǎng)中發(fā)揮著積極的作用。天童國家野外站獨(dú)特的地理位置、完善的科研設(shè)置、豐富的科研成果為“全球變化生態(tài)學(xué)”的改革與實(shí)踐提供了豐富的教學(xué)資源。

天童國家野外站坐落于浙江天童國家森林公園內(nèi)，站區(qū)海陸交界，經(jīng)常受到臺風(fēng)、干旱等極端天氣事件的干擾［15］。根據(jù)寧波市氣候公報(bào)等資料記載，臺站近10年間共經(jīng)歷了2次極端降雪和冰凍（2008和2016年），1次極端高溫和干旱（2013年）以及3次高強(qiáng)度臺風(fēng)和熱帶風(fēng)暴（2008年、2012年和2019年）。天童站區(qū)內(nèi)因極端天氣產(chǎn)生的自然干擾景觀，是進(jìn)行全球變化教學(xué)的天然素材。

天童國家野外站設(shè)有常綠闊葉林演替系列樣地、亞熱帶極端干旱控制試驗(yàn)樣地、長期氮磷添加試驗(yàn)樣地和近自然林改造中德示范樣地等多個(gè)長期實(shí)驗(yàn)平臺，擁有無人機(jī)高光譜遙感、50米碳水通量觀測塔、溫室等先進(jìn)的生態(tài)學(xué)野外觀測設(shè)備和設(shè)施。這些硬件條件和新技術(shù)手段是“全球變化生態(tài)學(xué)”研究和服務(wù)國家碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的重要支撐，也是“全球變化生態(tài)學(xué)”現(xiàn)場教學(xué)和課程研究計(jì)劃方案實(shí)施的主要依托對象。

近年來，天童國家野外站在全球變化生態(tài)學(xué)領(lǐng)域取得了諸多高亮點(diǎn)的科研成果，多篇論文發(fā)表在Nature Climate Change、Nature Communications、Science Advances和Global Change Biology等期刊上。將這些優(yōu)秀論文融入課堂教學(xué)或小組討論，是對課程案例教學(xué)內(nèi)容的有力補(bǔ)充。

三、依托天童國家野外站的教學(xué)改革與實(shí)踐

為充分利用天童國家野外站的野外觀測儀器、設(shè)施和試驗(yàn)樣地等教學(xué)資源，提高本科生直接接觸基礎(chǔ)研究的機(jī)會(huì)，結(jié)合學(xué)科特色要求，教師從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段和考核方式三方面對“全球變化生態(tài)學(xué)”進(jìn)行了教學(xué)改革與實(shí)踐（見圖1）。通過教學(xué)內(nèi)容推陳出新，教學(xué)手段多樣化和考核方式過程化，進(jìn)一步拓展臺站優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源的服務(wù)對象，將科學(xué)研究貫穿整個(gè)教學(xué)過程，搭建生態(tài)學(xué)教學(xué)與科學(xué)研究的橋梁，在體現(xiàn)課程的學(xué)科特色的同時(shí)，提升學(xué)生的認(rèn)知和創(chuàng)新能力。

圖1 “全球變化生態(tài)學(xué)”教學(xué)改革實(shí)踐思路

（一）教學(xué)內(nèi)容

在課程教學(xué)內(nèi)容的三大部分中均融入了與天童國家野外站有關(guān)的內(nèi)容。（1）在第一部分中，從全球變化生態(tài)學(xué)的三大研究手段（觀測、控制實(shí)驗(yàn)和模型模擬）切入。在觀測部分介紹了天童國家野外站基于近地面無人機(jī)遙感技術(shù)進(jìn)行森林樣地地形、樹高和林冠的精確測定工作；在控制實(shí)驗(yàn)部分介紹了臺站的兩個(gè)全球變化控制平臺——亞熱帶極端干旱試驗(yàn)平臺和長期氮磷添加控制試驗(yàn)平臺；在模型模擬部分介紹了臺站研究人員在碳循環(huán)模擬不確定性溯源性分析方面的工作。（2）在第二部分中，以案例分析為教學(xué)手段，剖析了亞熱帶森林土壤呼吸響應(yīng)極端干旱的生物和非生物調(diào)控機(jī)制。（3）在第三部分應(yīng)對氣候變化的人類行動(dòng)中，介紹了天童國家野外站基于近自然經(jīng)營技術(shù)開展亞熱帶森林增匯示范的工作。

（二）教學(xué)手段

以往的教學(xué)手段主要以傳統(tǒng)的課堂教學(xué)為主，教師單向輸出知識，缺乏互動(dòng)性。在教學(xué)改革中，教師將小組討論和現(xiàn)場教學(xué)融入教學(xué)方法。

1.小組討論。課程要求每2人一組，針對課程第二部分的內(nèi)容，選擇一篇天童國家野外站近期發(fā)表的全球變化生態(tài)學(xué)領(lǐng)域的高水平論文進(jìn)行課前精讀，課上再進(jìn)行20分鐘左右的小組匯報(bào)，匯報(bào)表現(xiàn)將計(jì)入課程總評成績，占50%。學(xué)生根據(jù)自己的興趣選出了臺站研究人員發(fā)表在Nature Communications、Global Change Biology和Functional Ecology上的論文，主題包括全球氣候變化與植物功能性狀、干旱與生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)等［16-19］。學(xué)生精讀論文后，制作了小組會(huì)匯報(bào)PPT。在小組會(huì)中，學(xué)生介紹了論文的主要結(jié)果、亮點(diǎn)和科學(xué)貢獻(xiàn)，也表達(dá)了自己的閱讀感想，并對科學(xué)問題的認(rèn)識進(jìn)行了師生討論。學(xué)生普遍認(rèn)為，精讀論文有助于詳細(xì)了解科學(xué)研究過程，小組討論加深了自己對相關(guān)知識點(diǎn)的理解。

2.現(xiàn)場教學(xué)。現(xiàn)場教學(xué)是教學(xué)中一種非常特殊的教學(xué)組織形式，通過現(xiàn)場教學(xué)能更有效地提高教學(xué)效率和教學(xué)容量。教師緊密圍繞課堂教學(xué)內(nèi)容，通過挖掘天童國家野外站的優(yōu)質(zhì)教學(xué)和科研資源，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場教學(xué)與課堂教學(xué)的融合。在現(xiàn)場教學(xué)中，教師設(shè)置了“全球變化的影響—觀測—控制實(shí)驗(yàn)—研究實(shí)踐”為主線的現(xiàn)場教學(xué)線路。2019年，天童國家野外站站區(qū)遭受了“利奇馬”臺風(fēng)的侵襲，站區(qū)形成了大型的泥石流滑坡景觀。教師通過極端天氣介紹生態(tài)系統(tǒng)的破壞性，帶領(lǐng)學(xué)生參觀了泥石流滑坡后的修復(fù)現(xiàn)場，讓學(xué)生切身感受極端天氣對自然系統(tǒng)的破壞力。然后，以碳達(dá)峰、碳中和為話題，介紹了區(qū)域碳水平衡評價(jià)的有力工具——通量觀測塔，通過分析天童50米通量塔周邊林冠景觀格局，讓學(xué)生理解森林碳水通量觀測的選址依據(jù)。接下來，教師帶領(lǐng)大家參觀了臺站的亞熱帶極端干旱試驗(yàn)樣地，講解了干擾對照處理在控制實(shí)驗(yàn)設(shè)置中的必要性，并直觀地比較了不同干旱處理下林冠下方植被的生長狀況。最后，教師指導(dǎo)學(xué)生在長期氮磷施肥樣地選擇了兩個(gè)不同處理的樣方進(jìn)行了灌木光合能力的測定，在教會(huì)學(xué)生使用先進(jìn)分析儀器LI6800-F的基礎(chǔ)上，讓學(xué)生體驗(yàn)在野外獲取課上精讀論文中的數(shù)據(jù)。

（三）考核方式

考核是檢驗(yàn)學(xué)生學(xué)習(xí)情況的主要手段，然而，“一考定成績”不能有效地對學(xué)生的學(xué)習(xí)過程進(jìn)行評價(jià)。不同于以往的試卷測評，改革后的課程注重對學(xué)生學(xué)習(xí)過程的評價(jià)，以小組討論和期末考核的加權(quán)得分作為課程最終成績，其中小組討論和期末考核各占50%。教師根據(jù)匯報(bào)情況、提問和回答情況給出小組討論的分?jǐn)?shù)，同一小組成員分?jǐn)?shù)相同。期末考核以提交研究計(jì)劃的形式完成。課程要求研究計(jì)劃：（1）需依托天童國家野外站全球變化試驗(yàn)平臺；（2）能圍繞全球變化熱門話題提出創(chuàng)新性強(qiáng)的科學(xué)問題；（3）綜述全面、針對性強(qiáng)，研究目的和內(nèi)容明確，方案可行。學(xué)生根據(jù)自己的興趣點(diǎn)，通過查閱文獻(xiàn)資料，提出了包括基于日光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒獾膩啛釒稚鷳B(tài)系統(tǒng)總初級生產(chǎn)力的模擬及其對干旱的響應(yīng)研究、亞熱帶森林干旱與磷限制相關(guān)關(guān)系研究、極端干旱對亞熱帶森林食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)和群落結(jié)構(gòu)的影響等具有一定創(chuàng)新性的研究計(jì)劃，充分體現(xiàn)了學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的主觀能動(dòng)性和創(chuàng)造力。

結(jié)語

“全球變化生態(tài)學(xué)”是我國很多高校生態(tài)學(xué)專業(yè)學(xué)生的選修課程，對于學(xué)生知識面拓展、思維能力或創(chuàng)造力的提高具有重要的作用。本文結(jié)合教師在“全球變化生態(tài)學(xué)”課程的教學(xué)，探討了基于國家野外站優(yōu)秀的教學(xué)資源進(jìn)行的改革和實(shí)踐。通過教學(xué)內(nèi)容完善、教學(xué)手段豐富化和考核模式過程化三方面的改革，體現(xiàn)了課程的學(xué)科特色性，有助于學(xué)生知識理解、創(chuàng)新意識及能力的提升。