地球系統科學

一、南京大學本科教學改革的深化

南京大學自2006年開始實施“三三制”人才培養模式改革，已經有十余年的時間。所謂“三三制”人才培養模式，就是將本科培養過程劃分為“大類培養”“專業培養”“多元培養”三個階段和“專業學術”“交叉復合”“就業創業”三條發展路徑，給予學生個性化、多樣化培養?！叭啤北究平虒W改革獲得了高教界的廣泛認可，并于2014年榮獲第七屆高等教育國家級教學成果特等獎。

未來“三三制”人才培養模式改革如何進一步深化，三個階段、三條發展路徑如何進一步發展，是我們近期一直思考的問題。所以，在專業學術深造上，我們將改革的重點放在兩個方面。一方面是通識教育改革。南京大學近年來開設新生研討課194門，幫助學生樹立學術志趣，學會質疑和發現，完成適應性/學術性轉換；開設通識教育課126門，開闊學生學術視野，培養文化素養和科學精神，促進健全人格和價值觀的形成；開設學科前沿課115門，幫助高年級本科生進入學術前沿領域，自主提出問題、分析問題和解決問題，獲得頂峰體驗。培養敢于質疑、善于質疑的創新性人才。另一方面就是專業課程改革。而在就業創業上，南京大學這幾年形成了課程、講堂、訓練、競賽、成果孵化“五位一體”創新創業教育體系。在第一階段，學校為所有學生提供“創新創業課程”和“創新創業講堂”，培養學生創新創業興趣，開闊視野；經過上面兩類訓練后，大概會有三分之一的學生對創新創業感興趣，學校會讓其進入第二個階段，接觸“創新創業訓練”和“創新創業競賽”，培養學生創新創業能力；這部分同學經過訓練以后，可能又會有三分之一的學生今后愿意走上就業創業的道路，學校就會在“創新創業成果孵化”方面為其提供條件，真正對接市場，讓學生親身實踐。在“創新創業成果孵化”上，學校為其打造創新、創意、創造、創業“四創融合”的實踐平臺，深化校校協同、校企協同、校地協同“三個協同”的育人機制?！拔逦灰惑w”創新創業教育體系、“四創融合”的實踐平臺、“三個協同”的育人機制，共同構成了“五四三”創新創業培養模式。2016年，南京大學成為國務院首批雙創示范基地4所高校和科研院所示范基地之一。

三條發展路徑中的“專業學術”“就業創業”我們已經找到了很好的發展方式，那么，對于“交叉復合”發展路徑，我們又應該采取什么樣的人才培養模式？過去我們的做法主要是通過自由選課，全校所有的課程對全體所有學生開放，當然第二專業、雙學位等也都有。但是我們認為這樣還不夠，我們應該要辦一些真正的跨學科班，通過不同院系之間的通力合作，真正培養交叉復合型人才，這就是我們創辦“地球系統科學與環境理科實驗班”的一個重要原因。地球系統科學與環境理科實驗班面向2016級新生正式招生、聯合地科、地海、大氣、環科四個學院，探索“2+2”模式，培養具有跨學科處理問題能力的復合型大地學人才。同時，南京大學還基于其他優勢學科專業，先后創辦了計算機與金融工程實驗班、文科試驗班（藝術與文化創意），等等。希望借助這樣的途徑，將“三三制”人才培養的三條發展路徑有機結合起來。

二、斯坦福大學跨學科教育的啟發

在人才培養模式改革方面，斯坦福大學給了我們很多啟發。斯坦福大學擁有7個學院，其中只有文理學院、工程學院和地球、能源與環境科學學院提供本科生教育和研究生教育，商學院、教育學院、法學院和醫學院僅開展研究生教育。文理學院頒發的本科學位數占全部學位數的80%，工程學院和地球科學學院占20%。

各學院的本科生教育除按照學校統一要求必須實施通識教育之外，專業課程也滲透著“廣博”的精神。專業課程設置屬于完全必修的課程比例較少，而以指定范圍選修居多，學生自主性強，選修課程學分占70%左右。開展跨學科協作教學、開設高水平前沿講座、大四研討、榮譽計劃、輔修、野外實踐等也為培養拔尖創新人才創造了極為有利的條件。

2015年2月10日，斯坦福大學教務長約翰·艾赫蒙迪（John EtchemendV）向董事會提出建議，將“地球科學學院”（Earth Sciences school）更名為“地球、能源與環境科學學院”（School of Earth，Energy&Environmental），以便進一步拓寬研究與教學的范圍。該建議獲得董事會通過，學院新名稱從2月11日正式生效，從而使該學院成為斯坦福大學最年輕的學院。

對于修改名字的理由，斯坦福大學董事會主席斯蒂芬·戴寧（StevenA.Denning）稱第一，地球上的資源和環境給人類帶來“關鍵性挑戰”（critical challenge）；第二，斯坦福大學長期從事地球、環境和能源研究，并處于“領袖”（1eader）地位；第三，新名稱能向外界清晰地表明學院致力的范圍；第四，從學科的角度看，原先斯坦福從事的是傳統意義上的“地球科學”（earth sciences），即地殼演化及與礦物質和能源的關系以及地震、火山等自然災害等，但在過去的20年間，“地球科學”增加了土地、海洋、水、氣候和環境變化等內容；第五，隨著新教師的不斷加入，學院創建了兩個創新性跨學科環境和資源學位專業——“地球系統專業”和“環境與資源跨學科專業”；第六，學院在評價復雜系統，并分析從衛星遙感和其他成像技術獲取的大數據所采取的分析和運算方法方面，具有開拓性。

地球、能源與環境科學學院院長帕米拉·瑪森（Pamela A.Matson）認為：學院的教師在七大洲和全世界的海洋從事研究工作，而且有近一半的教師在致力于環境問題，修改之后的名字，更加能夠充分代表“我們是誰”。

地球、能源與環境科學學院的辦學愿景旨在研發知識、造就人才和發揮領袖作用，以便了解正在變化的地球，并幫助解決當前和幾十年之后世界所面臨的巨大的資源和環境挑戰。其辦學使命是：創造并有效傳播有關地球的基礎知識、地球上的資源和地球的變化過程；訓練學生和未來的領導者，對廣大公眾進行地球和環境科學教育；整合、綜合、運用科學與工程知識去解決社會問題，例如，能源、食物和水的可持續利用，識別、減緩自然災害帶來的危險，人類活動對氣候系統和環境帶來的后果，等等。

地球、能源與環境科學學院在以前能源資源工程系（Department of Energy Resources Engineering）、地質學系（Department of Geological Sciences）、地球物理學系（Department of GeophVsics）的基礎上，又開辦了地球系統科學系（Department of Earth System Science）。在此之前，該學院就己經擁有2個跨學科專業，即地球系統專業（Earth Systems Program，招收本科生和研究生）和環境與資源專業（Environment and Resources，僅招收研究生）。

地球系統科學系（ESS）是斯坦福大學“地球、能源與環境科學學院”最新的學系，全系的專職和兼職教師，都分別擁有廣泛的興趣和專業背景。該系主要特點是：立足辦公場所——楊山崎環境能源大樓，把分散在全校各實驗室和其他辦公室的許多學科領域的教師、學生、博士后研究人員和有經驗的有創造力的研究人員匯集起來，組織他們共同開展研究和學習。地球系統科學系師資隊伍的特點是與生物所、能源所、森林與環境所、國際研究所、統計所等多部門聯合實行“雙聘制”。

地球系統科學系設置了跨學科專業——地球系統專業（EaCh Systems Program），設置的主要目的是：地球上出現的復雜的環境問題往往是人類的活動與大自然的變化兩者在相互作用的過程中產生的，該專業旨在培養學生在科學、技術和政策分析方面的知識深度和廣度，使他們能夠運用系統、整體和跨學科的方法，獨立地研究和解決復雜的環境問題。地球系統科學將致力于解決一些世界所面臨的最復雜的問題，發展有關地球的知識，應對資源和環境挑戰，不僅使今天的人獲益，而且使未來幾代人受益。

地球系統專業設有六大發展任務：（1）培養和造就新生代地球科學家；（2）運用遙感和衛星分析實驗室等多種技術手段，去探索和了解地球這顆行星；（3）確保能源的未來；（4）尋找解決氣候變暖的方法；（5）減少自然災害的風險；（6）確保食物與水安全。圍繞這六大發展任務，他們在科學研究和人才培養方面做了很多工作。

比如在科學研究方面，他們將研究目標定為研究地球系統的復雜性（尤其是海洋、大氣、地表和淡水系統之間的相互作用），了解它們所導致的全球環境問題，預測它們對人類和全球環境的影響，并及時做出應對；采用的研究方法主要是把地球作為一個高度互動的整體系統來看待，從過去的單學科研究轉向對發生在地球表面和內部的化學、生物和物理演進過程中的相互作用進行評價。

在人才培養方面，斯坦福大學地球系統本科專業設置了基礎課、拓展課、核心課、必修課、方向課等。2016-2017學年，“地球系統科學”擬開設102門專業課程。其中，秋季學期37門，春季42門，夏季11門，冬季36門。秋季自由選修課程列舉如下：地球與生活共同演化（Coevolution of Earth and Life）、地球系統簡介（Introduction to Earth Systems）、極端生活：從深海到深空（Life at the Extremes：From the Deep Sea to Deep Space）、全球變暖悖論（The Global Warming Paradox）、落基山脈環境與野外地質研究（Environmental and Geological Field Studies in the Rocky Mountains）、了解能源（Understanding Energy）、當代地球物理基礎簡介（Introduction to the foundations ofcontemporary geophysics）、人類社會與環境變化（Human Society and Environmental Change）、夏威夷島嶼的生態（Ecology of the Hawaiian Islands）、綠色的陰影：環境正義運動的再設計與再思考（Shades of Green：Redesigning and Rethinking the Environmental Justice Moveme～s）、

社會企業協作研究體（Social Entrepreneurship Collaboratory）、播客人類世（Podcasting the Anthropocene）。

地球系統大四頂峰項目（Earth Systems Senior Capstone Proiects）是斯坦福大學地球系統專業一項非常著名的人才培養項目。地球系統大四頂峰項目從大四秋季學期開始，學生可以把自己的靈感、興趣和創意與指導老師磋商，獨立從事研究，把學到的諸如遙感等專業知識和自己的獨特創造相結合，使其變成有形的實物。這些“作品”以表現環境問題為主題，一方面讓她們感到驕傲，另一方面在將來還“有用”。2016年的畢業生中有32人完成了他們的“作品”，并一一在研討會上進行了演示。

斯坦福大學“地球系統專業”由于為學生建立了廣泛的環境科學及其相關的政策背景知識，使畢業生可以在廣泛的領域里就業。有的本科畢業生繼續攻讀博士學位、法學碩士、醫學碩士、工商管理碩士和其他的研究生學位。而其他的畢業生則選擇到政府、非營利組織、咨詢、教學、工程和研究等領域工作。

三、南京大學地球系統科學實驗班創建

地球是一個整體，是一個系統。在解決重大科學問題時，不再擁有海陸的界限、地球內部和外部的界限、學科的界限、區域的界限，人類必須共同去面對和解決地球環境問題。

這一切都來源于，地球物質是在各圈層之間發生著垂向的和橫向的循環，導致一個地區的問題最終演變為全球的問題，一個圈層的問題演變為整個系統的問題，地球系統科學就是要找到發生問題的原因和解決問題的辦法。所以，南京大學地學四院（地科、地海、大氣、環科）需要攜手培養未來拔尖創新人才。基于上述考慮，南京大學2016年開設了“地球系統科學實驗班”，招收了第一批學生。

“地球系統科學實驗班”的任務是運用“系統科學”的方法去研究“地球科學”，關注地球大氣圈、水圈、冰凍圈、巖石圈、土壤圈、生物圈和磁場圈之間的相互作用，以及人類社會活動對這些圈層所產生的影響。從學科角度看，把生態學、經濟學、地質學、冰川學、氣象學、海洋學、古生物學、環境科學、社會學和太空學等自然科學領域和社會科學領域的知識匯聚一起，用“整體觀”培養學生，讓他們去研究地球各圈層與其所覆蓋的眾多亞系統之間的互動關系、形成的組織結構，以及它們的穩定性或不穩定性。

“地球系統科學”涉及很多相關學科，包括物理地質學、自然地理學、氣象學、海洋學、社會學、生理學、數學等14個學科。因此，“地球系統科學班”的學生首先要解決學習方法的問題。我們提出要整體研究地球，地內地外結合，深部和地表結合，古今結合，海陸結合，人地結合；要綜合掌握相關學科的知識，相互作用的研究需要運用兩個以上學科的知識；要學會定量化、模型化的研究方法，夯實堅實的學科基礎；要不斷探索創新，深入理解探索創新是地球系統科學最本質特征。

南大“地球系統科學實驗班”采用“2+2”的人才培養模式，前2年按大類培養，后2年分流到具體專業。輪流由一個學院承擔學生管理工作，四學院指定專業教師擔任本科生學術導師。由最優秀的教師為實驗班擔任基礎課程主講教師，四大學院聯合備課，由包括多位院士、名師、長江學者、國家杰青獲得者在內的專業教師隊伍承擔專業課教學。實驗班同學能夠獲得包括國際化實習、綜合科考在內的各種優質學習資源。

具體到地球系統科學實驗班培養計劃，我們在第一學期安排了新生導學課、數學、英語、體育、物理實驗、化學實驗、形勢政策等；到了第二學期，安排了固體地球科學原理、自然地理學基礎、地球探測與信息技術以及普通物理、化學原理、數學、英語、體育、形勢政策等，暑期安排學生參加綜合認識實習；第三學期設有地球流體力學、大氣科學概論、水圈與水資源、環境科學概論以及普通物理、化學原理、線性代數、概率論與數理統計、程序設計、近代史綱要等，同時對學生進行專業分流指導；第四學期設有地球系統科學導論、大學生物學以及專業分流模塊課程，暑期安排學生參加綜合科學考察。接下來的2年會對學生進行專業分流，根據個人興趣，選擇不同專業進一步完成3、4年級的專業學習。

在課程設計中，新生導學課系列講座課和第四學期分流指導模塊課程對學生的能力培養發揮著重要作用。以新生導學課系列講座課為例，我們安排了諸如“我國當前空氣污染現狀及其所面臨的挑戰”“全球變暖：更熱、更旱、更澇的未來”“高影響天氣的觀測和預測”“為什么北極地區發育了冰蓋？”“如何從天空監測陸地生態系統？”“環境在人類起源和演化中起到什么作用？”“土壤重金屬污染與修復”“全球碳循環”等一系列講座，極大地開闊了學生的視野，為培養拔尖創新人才奠定了基礎。

同時，我們也認識到“地球系統科學”教學和研究仍然面臨諸多挑戰：地球系統科學的學科定義與學術框架還不清晰；地球系統科學重視地球系統的演化和各圈層相互作用過程，關注人類活動對地球環境的影響，但其理論尚未完備；地球系統科學借助于其他學科的研究方法解決重大問題，并沒有形成自己獨特的方法；人類面臨的地球科學與環境問題往往需要不同學科、不同領域一致行動，但各學科和領域的綜合交叉仍然缺少重大進展。四、結語：地球科學進入地球系統科學時代

從18世紀末至19世紀初，地質學開始成為一門科學，正式步入地球科學時代，標志性事件是1830-1833年Charles LVeU出版了他的3卷本巨著Prinple of Geology。此后，地球科學的各個分支學科紛紛獨立——礦物學、巖石學、地球化學、地球物理學、構造地質學、古生物地層學，等等。20世紀60年代，“板塊構造”學說帶來的地學革命使人們認識到地球是一個整體；同期，對于地球氣候演化過程和機制的研究也取得革命性進展——“全球氣候變化”學說建立，認識到地球科學是一個相互關聯的系統科學，地球科學內部分支之間以及地球科學與其他學科之間有深層次聯系。這兩場地球科學革命對地球系統科學的形成功不可沒。

今天，我們可以說正式邁入地球系統科學時代。作為未來的地球科學工作者必須具備地球系統科學的思維和能力，大學必須適應這種變化為未來發展準備好人才。

[本文來自陳駿校長在2016年12月3日“高校地球科學課程教學系列報告會（2016）”的大會報告，由本刊編輯部余大品整理，經作者審閱]

[責任編輯：余大品]