新工科背景下新興交叉學科教學內容及思政元素設計

熊育久，劉丙軍，王海龍

(1.中山大學 土木工程學院，廣州 510275；2.廣東省華南地區水安全調控工程技術研究中心，廣州 510275；3.南方海洋科學與工程廣東省實驗室，廣東 珠海 519082)

當今世界正面臨著百年未有之大變局[1]，為應對新變化與新挑戰，全球發達國家提出了“新工科”的概念，以期通過部署新興技術與先進制造戰略，構建新型工業體系、增強綜合國力及提高應對未來競爭的能力[2]。2017年，我國發布的《教育部高等教育司關于開展新工科研究與實踐的通知》拉開了新工科高等教育人才培養改革的序幕[3]，現有的人才培養理念和課程教學模式面臨全新挑戰[4]。一方面，新工科學科交叉融合程度高，尤其是交叉程度高的新興學科，其研究內容與研究方法尚不完整、學科體系仍在不斷探索完善中。另一方面，當前高等教育重視通識教育，專業課程教學時間相對壓縮(2 學分、32～36 學時)，新興交叉學科專業課程教學面臨著教學內容合理設置、思政元素的針對性和實效性及其與教學內容自然融合和教學方法創新等挑戰。黨中央高度重視高質量的思政課程建設，正在全面推進課程思政、落實立德樹人及培養德才兼備的社會主義建設人才[5-6]，迫切需要研究在新工科專業知識體系中高效、自然地融入國家相應領域的大政方針、成果與成就等思政元素的方法與模式[2，7-10]。本文以中山大學水利工程學科水文與水資源工程專業本科課程生態水文學為例，分析討論新工科背景下新興交叉學科本科教學內容及思政元素設置方法，以及教學內容隨高等教育人才培養模式改革將面臨的動態調整，以期為我國新工科高等教育教學與課程思政提供案例支持和參考借鑒。

一 新興交叉學科之生態水文學發展與教學現狀

水文與水資源工程專業涉及水利工程、地球科學、環境科學與工程、農業工程、數學、經濟學、管理學和計算機科學等多學科，以自然界水文循環規律、人類社會對水文過程的影響和水資源可持續利用等為核心專業基礎培養人才，服務國民經濟建設[11]。在全球氣候變化引起的旱澇等極端災害事件頻發、水資源短缺、水環境污染與破壞嚴重等背景下，與水相關的問題成為全球關注的焦點，水文與水資源工程專業培養重點已由傳統的工程水文轉向可持續發展的資源水文、生態水文。

生態水文學形成于20 世紀90 年代，研究的核心內容為水與陸地生態系統互饋機理，探索變化環境下水文過程對生態系統格局、結構與功能的影響，以及植被等生物過程對水循環、碳循環的作用，以期探尋基于近自然的方式解決人類面臨的水污染、水安全和碳排放等全球環境問題，實現水資源可持續利用與社會經濟可持續發展，是一門新興交叉應用型學科。我國水資源與生態環境問題突出，隨著城市化加速發展[12]，水資源列為國家三大戰略資源之一[13]，生態文明建上升為基本國策[14]，對水安全、流域生態治理與修復、海綿城市和“一帶一路”倡議等國家級重大戰略和重大工程提出了更高地要求。我國生態水文學經過發展，取得不少成果，在生態建設、海綿城市和碳排放等實踐中不斷發揮著重要的理論支撐作用[15]。本文以生態水文學研究著作為脈絡簡要介紹學科發展現狀。

1 生態水文學學科發展現狀

以“生態水文學”為題名，檢索到圖書13本，包括譯著5 本、中文著作7 本、國家級規劃教材1 本(表1)。生態水文學譯著中最早是由中國科學院趙文智等2002 年翻譯，原著是1999 年Routledge 出版的Eco-hydrology：plants and water in terrestrial and aquatic environments；2006 年河海大學任立良等翻譯了2004 年出版的Balancing Water for Humans and Nature：The New Approach in Ecohydrology；2008 年清華大學楊大文等翻譯了2002 年出版的Ecohydrology：Darwinian Expression of Vegetation Form and Function；中國水利水電科學研究院的王浩、嚴登華等分別在2009、2012 年翻譯Hydroecology and Ecohydrology：Past，Present and Futur 和Ecohydrology：Processes，Models and Case Studies。生態水文學中文著作，早期關注國內外研究前沿問題如余新曉等的《生態水文學前沿》(2015 年)，以及特定區域或領域的生態水文學問題，如嚴登華等的《應用生態水文學》(2014 年)主要關注綠色發展模式下水土資源聯合配置方式和梯級水庫群的生態調度調控，李新榮等的《中國沙區生態重建與恢復的生態水文學基礎》(2016 年)及王根緒等的《寒區生態水文學理論與實踐》(2016 年)分別關注生態水文學在沙區、寒區生態建設的理論與應用。劉世榮等2020 年的《空間生態水文學》關注從植被根系到冠層與大氣邊界、從站點到流域/區域等多維空間尺度的生態水文學過程。夏軍等的《生態水文學》(2020 年)在系統梳理和總結當前生態水文學發展歷程與態勢基礎上，凝練我國生態水文學發展的優勢與特點，從學科發展的戰略高度規劃布局我國生態水文學未來發展。同年11 月王根緒等的《生態水文學概論》，較系統地總結了生態水文學的主要理論與前沿問題，從學科體系角度較為全面、系統地介紹了生態水文學的理論框架、核心知識和實踐應用效果等。由此可見，國內學者先是在21 世紀初期翻譯國外經典生態水文學著作，經過一定時期研究積累后，近年陸續出版生態水文學研究專著，并不斷凝練、總結，初步形成具有國內特色的生態水文學學科體系。

表1 題名中包含“生態水文學”的圖書

2 生態水文學高等教育現狀

調查我國大陸地區54 所開設水文與水資源工程專業的普通高等學校發現，本科培養方案中開設生態水文學課程的高校20 所(表2)，其中包括近年新培養方案中已取消該課程的高校1 所、課程名稱略有差異的3 所(生態學與生態水文、水文學原理與生態水文)；另有2所高校開設生態水利學課程。各高校課程定位大不同，除3 所大學將生態水文學設置為專業必修課外，大部分均作為專業選修課，且僅有2 學分。可見當前生態水文學課程相對缺乏。

此外，生態水文學教學中教材匱乏。如表1 所示，現有的唯一教材是2007 年地質出版社發行的《中國巖溶生態水文學》，屬于普通高等教育“十一五”國家級規劃教材。該教材針對巖溶系統、面向的本科專業有限，且出版時間較早，可能難以體現生態水文學的前沿與熱點問題。最新出版的《生態水文學概論》從學科體系角度較全面地組織編纂，是一本具有教材性質的專著，但由于剛出版，作為高等本科教材的效果有待檢驗。其他著作過于專注特定研究領域，不適合作為本科課程教學的教材；嚴登華等的譯著《生態水文學：過程、模型和實例——水資源可持續管理的方法》、楊大文等的譯著《生態水文學》和夏軍院士等編寫的《生態水文學》比較系統，可在研究生教學中應用、其它作為教學參考。

總之，生態水文學連接自然科學與人文科學，研究內容符合國家生態建設等重大戰略發展需求，學科必將迎來前所未有的發展契機。然而，挑戰與機遇并存，一方面，作為水文學與生態學新興交叉的年輕學科，生態水文學的研究理論和方法等學科體系的核心內容仍然有待完善[15]；另一方面，盡管水文與水資源工程及部分相關專業已將生態水文學納入高等教育培養方案，新學科的不成熟導致開設該課程的高校比例較少、教材匱乏，教學內容與教學方法難以匹配實踐中面臨的相關工程問題，且新工科專業知識體系的課程思政及其建設難度大[9-10]，制約立足我國戰略發展需求的生態建設專業新型工科人才的培養。

二 中山大學生態水文學本科教學內容與思政元素設計

中山大學于1972 年設置水文專業，2004 獲批設立華南地區唯一的水文與水資源工程本科專業，并于2012 年通過中國工程教育協會認證。為應對學科與國家戰略變化的新需求，2015 年開始為研究生開設生態水文學專業選修課程。2016 級培養方案將生態水文學設置為水文水資源工程本科專業選修課程，按照理論課(2 學分、36 學時)+實踐課(1 學分、2 周課程)的模式設計。2020 年開始按照“土木、水利與海洋工程”大類招生，教學課時進一步壓縮(取消課程實踐)。在專業課理論學時較少(2 學分，32～36 學時)、生態水文學新興學科不完善及缺乏教材等背景下，亟需探索適應新工科發展需求的教學內容及課程思政體系。

面向我國生態文明建設等領域的新新戰略需求，參考表1 中生態水文學著作內容，結合我校水文水資源工程專業培養方案與特點，如學生選課時已具備水文學原理、生態學基礎等知識，本文作者設計了以陸地生態系統植被水碳過程、水熱過程及其研究方法為核心的教學內容及課程思政體系(圖1)，在介紹全球水資源短缺、水污染、極端水文氣象事件頻發、生物多樣性減少與聯合國全球可持續發展戰略目標等背景下，闡述生態水文學產生、發展歷程與學科體系基礎及其在解決上述問題中的作用，從陸地生態系統的植物物理特征、生態水文學研究方法等理論出發，重點講授影響地球陸地生態環境與大氣環境的水碳與水熱兩大典型生態水文過程，并以聯系水熱、水碳過程的關鍵紐帶蒸散發為案例，設計從理論原理到過程計算、到基于蒸散發的植被生態水文效應評估與綠水青山建設等實踐應用。將國家生態建設等大政方針和最新戰略布局轉化為課程思政元素、自然融入課程教學內容，便于學生了解國家和行業重大需求，激發學生對專業的認知與主動學習興趣，深刻體會生態水文學及其創新在解決國家生態建設需求中的意義，最終掌握陸地植被生態系統水熱過程、水碳過程等生態水文學核心理論，及其在水資源管理、植被恢復工程的水資源效應與植被建設布局、碳中和與碳外交等領域的應用，形成具有國際學術前沿、立足國家戰略發展需求的教學內容及課程思政體系。

圖1 新興交叉學科生態水文學本科課程教學內容與課程思政融合設計

三 新工科背景下新興交叉學科教學內容與課程思政體系的思考

教與學是新工科建設的關鍵環節[2，7]，作為人才培養載體的教學內容及課程思政，是新工科教育與改革面臨的重要挑戰[2，8-9，16]。教學內容一方面要體現學科的核心體系、關鍵科學問題與學科前沿和熱點，還要結合專業定位與授課教師相關的科學研究，實現科研與教學深度融合；另一方面要體現國家戰略需求、意識形態等思想政治教育及其與教學內容的有機銜接，才能實現課程思政元素與教學內容自然融合。本文以生態水文學這一學科體系有待完善的新興交叉學科為例，基于上述理念，提出了教學內容及其課程思政體系凝練設計的思路與方法。即在梳理生態水文學發展與教學現狀基礎上，從學科框架體系與核心研究內容、學科發展前沿與生態文明建設等國家戰略需求出發，結合我校水利工程學科課程設置與專業定位，以及授課教師的科學研究，設置具有系統性、前沿性和實踐性的教學內容與對應的課程思政元素。

然而，水資源作為支撐區域和全球社會經濟可持續發展的核心要素，與生態環境、人類社會的關系復雜。生態水文學作為解決水問題的關鍵方法論，必然面臨大量不斷出現的新問題與新挑戰，相關的教學內容應具有一定彈性，定期補充新的理論、方法和實踐應用等，確保“新”教學內容。此外，新工科對高等教育提出了諸如改革人才培養模式等新要求。新工科的一個重要特征是多學科交叉，必然要求人才培養方式等革新[2，7，16]，如跨學科/領域、寬口徑，與此對應，部分高校開始探索實行大類招生。以我校水文與水資源工程專業為例，自2017 年將該專業從地理科學與規劃學院調整至土木工程學院辦學后，一直探索土木、水利工程專業的有機融合。2020年3月，教育部批準中山大學新增“土木、水利與海洋工程”本科專業，開展大類招生培養。國內具有“土木、水利與海洋工程”本科專業的高校僅有3所，分別是清華大學(2019 年首次新增)、中山大學和山東大學(均在2020年獲批)。在“寬口徑、厚基礎、新工科”思路下，如何將基礎學科(數學、物理、力學和管理學等)與工程新技術(大數據挖掘、遙感與測繪和生態修復等)相交叉，融合土木、水利與海洋工程中面臨的科學問題與國家發展戰略，培養學生在生態水文學領域的創新研究能力和新工科實踐能力，更好地適應國家生態文明建設領域的人才需求，是未來課程教學內容與課程思政體系更新和改革的突破口，需要未雨綢繆。