“全球變化與地表過程”課程教學改革的探索

佘維維 姜群鷗 齊元靜 高廣磊 丁國棟

(北京林業大學水土保持學院，北京 100083)

18世紀工業革命以來，人類改變和利用自然的能力得到空前發展，在創造巨大文明成果的同時，也給地球環境帶來深刻的影響。大氣和水污染、土地荒漠化、溫室效應加劇、森林銳減、生物多樣性喪失等一系列全球性環境問題日益凸顯。20世紀80年代，隨著科學技術的進步，以“全球變化”為主題的研究組織逐步設立，研究成果日益豐富，全球變化的科學也應運而生[1]。深入的研究工作使得科學界認識到地球大氣、水、巖石、生物等組分是一個密切聯系的整體，由此提出了地球系統科學的概念。地球系統科學作為研究地球系統整體結構、特征和功能的科學，為全球變化研究提供了基礎理論支撐[1]。

在地球系統中，地球表層的諸多要素、過程及其相互作用與人類聯系最為密切，是全球變化研究最為廣泛的領域[2]。當前，全球變化研究已成為地學、宏觀生物學的前沿學科領域，著重關注地球表層系統對人類活動誘發的全球變化的響應、適應和反饋，為積極應對全球變化以及人類社會的可持續發展提供了堅實的科學基礎。為適應社會和學科發展的需要，國內綜合性和師范類高等院校普遍開設了“全球變化”“氣候變化”“全球變化生態學”“全球變化與可持續發展”等課程。這些課程已成為培養學生全球視野、塑造系統性和批判性思維、強化社會責任感的重要課程，同時也為學生架起了從掌握基礎理論知識到探索學術前沿知識的橋梁[3-4]。然而，開設此類課程的高等農林院校并不多，相關教育教學研究尚鮮見報道。在這樣的背景下，北京林業大學水土保持學院于2018年開設了面向全校的“全球變化與地表過程”專業選修課程。

一、“全球變化與地表過程”課程的內容與特點

(一)課程的內容

“全球變化與地表過程”課程涉及3個方面的內容，即全球變化、地表過程以及二者之間的關系。全球變化是指由自然和人文因素引起的地表環境及地球系統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。地表過程的范疇包括水、土、氣、生、人等地表有關的自然和人文過程。由于人類活動是誘發全球變化的重要驅動力，因此在討論全球變化與地表過程關系時，必然涉及人類活動方面的內容。

地球系統作為一個復雜的巨系統，內部各組分間的相互作用亦十分復雜。為梳理出一條清晰的邏輯主線，筆者將人類活動和全球變化視為驅動力，而地表過程作為影響對象，那么全球變化、人類活動與地表過程間的關系就可表述為前者對后者的影響以及后者對前者的反饋，見圖1。圖1中，人類活動通過改變地表過程進而導致全球變化(過程①③)是全球變化的成因；而過程②為全球變化對地表過程的影響；過程③表示地表過程對全球變化的反饋。

圖1 全球變化與地表過程間的關系

(二)課程的特點

從“全球變化與地表過程”課程的內涵看，它具有多學科交叉、綜合性強的特點。相關研究內容涉及到大氣圈、水圈(含冰凍圈)、巖石圈和生物圈(含人類自身)的要素、過程及其相互作用，其實質是地理科學、大氣科學、水科學、生態學、環境科學、人文社會科學在計算機和信息科學的發展和推動下向綜合、集成與相互交叉方向發展的體現。

從研究尺度看，“全球變化與地表過程”課程具有多尺度融合、理論性強的特點。從空間尺度上看，包括從微觀的分子、細胞水平到中觀的個體、種群、群落和生態系統水平以及宏觀的景觀、區域和全球水平。從時間尺度看，有長有短，如秒到小時尺度上的二氧化碳和水汽的交換過程，天到季節尺度上的土壤水分儲量變化、植物碳分配和物候變化過程，年到百年尺度上的植被結構與功能變化過程，以及更長時間尺度(萬年到百萬年)上的土壤形成、地質運動等過程。雖然不同時空尺度上的過程機理不同，但又相互聯系、緊密耦合。而將微觀過程機理和宏觀格局相結合的“尺度綜合”研究是全球變化研究中重要的學術前沿問題。

此外，隨著計算機、信息和生物技術的發展，以及對地觀測和數值模擬能力的提高，全球變化研究的成果日新月異，體現出很強的前沿性。全球變化作為一門新興的交叉學科，在不斷蓬勃發展的過程中，仍存在許多不確定性，諸多關鍵問題并沒有定論，存在許多不同甚至相反觀點。

二、“全球變化與地表過程”課程教學面臨的挑戰

(一)內容多、課時少

“全球變化與地表過程”涉及內容范圍寬、領域廣，具有多學科交叉性，是一門系統性和理論性很強的課程。該課程的教學難度大，但分配的課時僅有32學時(2學分)。如何合理設置授課內容，在較短的課時內保持該課程教學的系統性和理論性，讓學生掌握該課程的知識和理論體系，是“全球變化與地表過程”課程教學的重點。

(二)學生的專業背景不同

“全球變化與地表過程”是為北京林業大學全校學生開設的選修課程。該課程教學對象多為大三、大四高年級學生，他們的專業背景涉及地理學、林學、生物學、生態學等專業。盡管，高年級學生已具備一定的地理學基礎知識，但由于“全球變化與地表過程”課程內容綜合性和前沿性強，不宜采用傳統的教學方式開展教學，這對授課教師提出了更高的要求。為此，如何根據學生專業背景及知識儲備組織教學內容、開展教學活動，是該課程取得良好教學成效的關鍵。

(三)知識更新速度慢

作為一門高度融合的交叉學科課程，“全球變化與地表過程”課程的理論體系和研究內容一直處于不斷發展探索之中。雖然其相關研究蓬勃發展，新的思想、方法、認識、觀點、發現不斷涌現，但教材內容更新速度慢，遠滯后于當前學科的發展。因此，如何在教材原有內容的基礎上，整合全球變化研究的前沿成果，是激發學生求知欲、增強學習興趣的難點問題。

三、“全球變化與地表過程”課程教學改革的措施

(一)優化教學內容

由于“全球變化與地表過程”課程學時少、教學內容多、系統性和綜合性強，使得授課教師需要對授課內容的范圍有所限定。因此，筆者選擇與人類活動密切相關的時空尺度作為授課重點內容，其他尺度上的內容作為背景知識。具體的空間范圍尺度為：縱向上限為對流層頂(8～10km)、下限為巖石圈頂部(5～6km)；橫向范圍包括所見陸地和毗鄰島嶼；時間尺度上主要以人類活動影響最為顯著的時間作為重點，包括過去數百年、未來一百年內的內容，而其他地質歷史時期的地球環境演變內容則作為背景知識介紹。

依據該課程的內涵，筆者將授課內容優化為5個部分：①緒論，介紹全球變化與地表過程的概念、內涵與發展歷程；②全球變化的事實、成因及未來預估；③全球變化對地表過程的影響；④地表過程對全球變化的反饋；⑤應對全球變化的政策與行動。根據學生專業背景，對每個部分設置密切相關的主題，如生態系統碳固存與碳循環、生物多樣性、水文與水資源、城市化、荒漠化等主題。在授課內容的組織上，先快速回顧相關的基礎知識，然后細致地講解相關微觀過程和機理，并在此基礎上進一步拓展延伸內容。

受“全球變化與地表過程”課程課時限制，教師無法對“全球變化與地表過程”課程各個方面內容進行全方位深入地講授。因此，筆者推薦學生自學相關網絡教學資源，有效地拓展該課程的知識。近年來，世界網絡課程建設蓬勃發展，許多著名高等院校推出了自己的網絡公開課程，極大地推動了全球范圍內遠程教育的發展，并實現了教學資源共享。一大批制作精良的網絡課程網站紛紛上線，如國家開放大學、國家精品課程網、國家數字化學習資源中心、中國大學MOOC、網易公開課、學堂在線、超星爾雅、edX、Coursera等，為課堂教學內容的拓展和課后學生的自主學習提供了基礎平臺。筆者篩選了一些與“全球變化與地表過程”課程相關的網絡課程供學生自主學習，如清華大學課程“應對氣候變化的中國視角”、中國地質大學課程“全球變化與地球系統科學”、南京信息工程大學課程“氣候變化與人類活動”、哈佛大學課程“The health effects of climate change”、賓州州立大學課程“Climate change：the science and global impact”、哥倫比亞大學課程“Climate change science and negotiations”、英屬哥倫比亞大學課程“Climate change：the science”等。

(二)采用多種教學方法開展教學活動

“全球變化與地表過程”課程除了有系統性和理論性的內容外，還存在許多前沿性和開放性的內容，這就需要教師采用傳統授課和學生自主探究研討相結合的教學方式開展教學活動。

對于基礎理論知識，筆者采用傳統教學方法開展教學活動，在一個章節或主題講授完成后，設置與當節內容相關的隨堂測驗了解學生對當堂課程知識的掌握情況。如果學生答題的效果不佳，則需要和學生交流討論確定具體哪里出了問題，并有針對性地進行詳細釋疑。

對于涉及到的前沿知識，筆者則采用研討式教學方法開展教學活動，具體做法如下。首先，教師直接提出問題。教師依據授課內容，直接提出相關問題，引導學生進行思考和討論，鼓勵學生運用發散思維從不同角度分析問題，最后對學生的答案提煉總結，梳理出知識邏輯關系。例如，從貼近學生生活實際的現象(如城市熱島效應)出發，與學生探討現象背后的機理和規律，進而引出教學主題(城市化的效應)；或者依據全球變化對地表過程作用的先后次序，組織學生開展問題探討，如大氣溫度升高對土壤水分將產生怎樣的影響、水分變化后植物群落怎么變、植物群落改變對生態系統碳固存有怎樣影響、生態系統碳固存變化是否會影響大氣二氧化碳濃度等。其次，學生小組研討。教師提前設置好幾個難易適中、開放性的研討主題，然后學生根據個人的興趣選擇主題并組隊開展研討活動。同時，小組選出代表進行課堂匯報，組間相互質疑和研討，最后教師詳細地講評和釋疑，達到促進教學互動、學生自主學習的目的。

(三)實施綜合考評

“全球變化與地表過程”課程的許多知識點其實是學生前期課程所學過的內容。因此，該課程的考核不宜采取閉卷考試的方式開展，應重點考核知識點間的聯系以及運用基礎理論知識分析和解決實際問題的能力，即對學生進行多方面綜合考評，以全面地考察學生的綜合能力。

“全球變化與地表過程”課程的成績包括平時成績、小組匯報成績和課程論文的撰寫成績，其分值(百分制)比例為2∶3∶5。①平時成績包括課堂提問、隨堂測驗和到課率。②小組研討匯報成績包括學生評分和教師評分，分值(百分制)比例為3∶7，重點從報告內容符合主題的程度、講解清晰程度、基礎理論運用情況、結論是否可靠、回答問題是否明確、參考文獻是否充分、時間把握是否恰當等方面進行評判打分。③課程論文的撰寫成績根據論文的創新程度、文字表達情況、內容邏輯結構合理性、論文格式規范性等方面進行評定。課程論文包括教師推薦的主題和學生自主擬題，教師要對學生自主擬題進行把控，以確保擬題具有一定的創新性和意義、范圍合理、難度適當、具有可操作性。

四、“全球變化與地表過程”課程教學改革的成效

(一)拓寬學生的專業視野，激發學生學習的興趣

改革后的“全球變化與地表過程”課程，在教學內容上不斷豐富，知識理論體系趨于完善，與社會熱點和學科前沿的聯系更加緊密。

在教學形式上，增加了學生自主學習國內外精品網絡課程的環節，拓寬了學生的專業視野；借助研討式教學方法，引導學生思考討論社會熱點和學科前沿問題，不僅使學生課下查找和分析了大量文獻資料，進一步擴充了自己的專業知識，而且還激發了學生學習的興趣和熱情。

(二)促進多學科知識交叉融合，提高學生解決問題的綜合能力

教師對“全球變化與地表過程”課程授課內容的系統化組織，增強了學生對不同學科知識間邏輯關系的理解，提高了學生對多學科交叉融合知識的掌握。此外，在課程論文的撰寫過程中，學生自主閱讀和分析文獻資料后，需要與教師、學生進行廣泛的交流、討論，開展頭腦風暴，不僅提高了發現問題、分析問題和解決問題的能力，而且還鍛煉了歸納總結、邏輯推演的思維能力，同時也激發了他們自主創新的能力。

總之，教學評價是衡量課程教學效果的重要依據。調查顯示，盡管88.5%的學生認為“全球變化與地表過程”課程內容具有很大的難度，但最終的教學獲得了良好的效果，學生對該課程的總體滿意度達到100%，見表1。

表1 “全球變化與地表過程”課程教學改革效果滿意度的調查結果 %