新工科背景下地球科學前沿課程體系與教學方法改革

林曉英　曹欠欠

摘要：我國新工科的建設對專業課程的建設提出了新的要求。文章以地質類和相關工科專業的地球科學前沿課程為例，在剖析地球科學前沿課程主要內容和課程特點的基礎上，提出新工科背景下地球科學前沿教學中的新理念，并以此為基礎，通過課程體系改革，使學生通過課程學習，既能掌握地球科學前沿的相關基礎知識，又能樹立社會主義核心價值觀，提高自主創新能力。

關鍵詞：新工科；地球科學前沿；課程思政；創新能力

一、引言

地球科學前沿是地質類專業的基礎課程，也可以作為相關工科專業的通識課程。其主要內容包括地球相關的基本概念，地球的形狀與大小等物理性質，地球的內圈、外圈等結構，地殼及其演變，巖石及巖石圈板塊構造，地質年代，地質構造，構造運動，變質作用，風化與風的地質作用，地面流水和地下水的地質作用，冰川和濁流的地質作用，海洋的地質作用與搬運作用，沼澤和湖泊的地質作用，崩塌和潛移的地質作用等內容。

近年來，教育部正在穩步推進新工科的實施，需要一些新的理念、方法和體系在傳統工科課程的教學中貫徹落實，達到新工科對學生培養的要求。基于此，筆者系統闡述了新工科背景下地球科學前沿教學中的新理念，新理念引導下的地球科學前沿教學體系改革，地球科學前沿新教學體系的教學方法等內容。

二、新工科背景下地球科學前沿教學中的新理念

新工科建設是在傳統工科的基礎上，更加注重創新、創業和實踐能力的培養，該導向并不是在傳統工科專業的課程體系中增加創新創業類課程，而是要求所有課程都能耦合跨學科知識點，融合產學研，具有一定的國際視野，并且結合課程思政等建設，達到培養復合型和創新型人才的課程目標，從而支撐畢業目標的達成，使培養的人才具有一定的社會責任感和突出的個性化發展特點。結合新工科建設的要求，在教學過程中，地球科學前沿課程貫徹的新理念應包括幾個方面。

（一）耦合跨學科的知識點

在地球科學前沿課程中，地殼的演化、地質構造以及不同外力的地質作用是主要知識點，而這些知識點又與其他學科密切相關。例如，與水相關的地質作用，無論是地表水、地下水，還是海洋、湖泊等的地質作用，都與水文循環相關。因此，在地球科學前沿的教學過程中，教師應注重與教材外其他知識點的耦合，使學生在學習完專業基礎課程后，還能學習課外更加豐富的知識。

（二）產學研相融合

產學研相融合是實現新工科建設的主要途徑。地球科學前沿是一門實踐性非常強的學科，但地殼的運動和構造運動等內容比較枯燥乏味。在實際教學過程中，教師要將煤、石油、天然氣的開采相結合，尤其是增加一些井下作業的照片作為引導，加深學生對概念的理解，使學生在了解課本知識如何有效地應用到實際工作中，提高學生解決復雜問題的能力。

（三）國際化視野

新工科建設對培養學生國際化視野提出了更高的要求。也就是說，在課程教學過程中，教師不僅要注重本地特色和本國國情，還要強調國際化趨勢和國際動態。地球科學前沿課程以地球為研究對象，在教學過程中，教師要將全球不同區域的各類地質運動緊密聯系在一起，同時啟發學生了解外文書籍和文獻。

（四）課程思政元素

課程思政與思政課程的統一建設是新工科人才培養過程中的重要的手段。地球科學前沿課程是人、地球、宇宙三者之間的關系，需要學生運用唯物主義辯證法的思想系統學習發展與矛盾、局部與整體等觀點，最終掌握自然規律、科學規律、技術發展、社會發展之間的關系，達到培養學生科學、嚴謹的思維方式的目的。

三、新理念引導下地球科學前沿教學體系改革

（一）地球科學前沿跨學科知識點的分析與整合

地球科學前沿中的主要內容可以分為三大部分：地球的性質及構造運動，關于地殼的運動，關于外力作用下的地質作用。因此，在教學過程中，首先，教師可以從不同的概念入手，并對概念進行外延，逐步達到將相關概念全部聯系起來的目的。其次，教師應以概念為基礎，對相關知識結構進行串聯和并聯。以板塊構造為例，教師可以從化石和巖石、古生物和古氣候、構造結構和地貌形態等方面展開教學，然后逐漸擴展到對板塊構造的類型及其特征進行解釋。最后，教師要系統地講解“為什么會存在地質作用”“不同外力所產生的地質作用的機理是什么，有什么區別和聯系”，使學生能更好地把課程知識點連接起來，達到課程學習的目的。

（二）地球科學前沿中知識點與課程思政元素的映射

地球科學前沿中的思政元素主要包括地質精神、可持續發展和工匠精神等。首先，地質精神是我們國家精神品質的重要組成部分，包括愛黨愛國的政治素養、終身奉獻的價值品質、求真務實的工作風氣、開拓創新的創新精神、自強不息的生活態度，從而與地質勘探與開發等知識點相映射。其次，工匠精神包括精益求精的工作態度、“不忘初心、牢記使命”的政治品質，愛崗敬業的職業精神和追求卓越的創新精神，與地質作用和工程地質等知識點相映射。最后，可持續發展是地球科學前沿課程中的一個重要思政元素，包括尊重自然、人與自然和諧相處等理念，與地球演化知識點相映射。

（三）地球科學前沿中的創新精神培養

創新精神是新工科建設中對課程目標的新要求。在教學過程中，教師要努力挖掘通過課程學習達到創新精神培養目標的新途徑。地球科學是一個充滿未知的領域，有許多未解之謎等待人們去探索。因此，在教學過程中，教師可以采用分組討論、引導式討論等教學方式，鼓勵學生思考問題和發現問題，敢于挑戰未知。

地球科學是一個不斷發展和變化的學科，新的知識和發現不斷涌現。因此，教師要想培養學生的創新精神，就要鼓勵學生不斷學習新知識，引導學生更新自己的知識結構，提高自己的專業水平，能做到與不同領域的專家共同合作，有效解決問題。地球科學還是一個需要實踐的學科，學生要想強化創新精神，就要善于實踐，善于創新，善于將理論知識轉化為實際應用，善于將創新思維轉化為創新實踐。

（四）基于新工科理念的地球科學前沿知識點重構

基于以上分析，教師可以將地球科學前沿知識點重構為基本理論、技術方法和發展前沿三個方面。基本理論包括地球、巖石、礦物、圈層構造、板塊構造等基本概念。在教學過程中，教師可以貫穿地質精神等思政要素，引導學生進行基礎理論探索。技術方法介紹了不同的外動力載體的地質作用及其影響因素和地質年代確定的方法。在教學中，教師可以融合工匠精神等思政元素，積極培養學生將理論知識轉化為實際應用的創新精神。發展前沿著重介紹了地球形成與地球演化、人類活動與資源環境等知識，并貫穿可持續發展的思政要素。在教學中，教師可以培養學生融合不同領域知識的創新精神。

四、地球科學前沿課程的教學方法

（一）課程講授與專業實踐相結合

地球科學前沿課程是一門實踐性非常強的學科，學生需要通過野外的觀測才能掌握課程知識點。例如，針對巖石類型、礦物類型、巖石形成年代、斷層等知識點，教師可以帶領學生在嵩山地質公園進行野外講解，使學生通過野外的現象觀測，做到理論聯系實際，并通過課堂講授與野外實踐相結合，把課本知識轉化成一種創新能力。教師還可以鼓勵學生參與關于地球科學前沿的大學生創新創業活動、大學生地質工程技能競賽、大學生節能減排競賽等活動。

（二）基礎知識與學科前沿相結合

在地球科學前沿課程改革過程中，授課內容除了一些課本基本知識外，教師要結合平常的科研經驗和學生的一些新探索，及時調整和改進課程內容，逐步實現基礎知識與學科前沿的結合。例如，針對2023年發現和開采富滿油田、巴彥油田等油氣田這一事件，在教學中，教師可以結合中國科學院2022年研究前沿發布暨研討會中提到新興前沿——關注油藏儲層表征的角度，講解油氣田的形成、預測油氣田的儲量、引導學生思考不同油氣田的開采難度等問題，使學生達到從學習到研究的課程目標。

（三）教師教授與學生自我學習相結合

教師不僅是知識的傳播者，還是思想的引導者。因此，在教學過程中，教師應幫助學生養成良好的學習習慣和思維習慣，引導學生掌握良好的學習方法。例如，在講授地表水和地下水的地質作用時，教師除了要讓學生理解地質作用，還要引導學生思考“地表水和地下水為什么會產生地質作用，其原理是什么，地質作用的產物是什么，對地質作用的認識如何應用在實踐中”等問題。同時，在教學過程中，教師可以引導學生閱讀中英文文獻，深刻理解地質作用在能源勘探、資源開發、環境監測等領域的最新應用，幫助學生達成課程目標。除了課堂式的教學外，教師還可以引導學生觀看地質工作相關的電影，如《年輕的一代》《攀登者》等，使學生更加理解地質工作者的精神面貌，體會老一輩工作者艱苦樸素的工作作風，達成地球科學前沿課程目標。

（四）新一代信息技術的應用

新一代信息技術的蓬勃發展被稱為第四次工業革命，極大地促進了地球科學領域的發展。因此，地球科學前沿課程的教學改革必須與新一代信息技術相融合。首先，大數據海量存儲及高效分析技術的應用。教師要利用這些技術完善地質資料收集與整理的授課內容，幫助學生更好地分析地球表面的數據。其次，虛擬現實技術的應用。在講授野外地質現象時，教師可以通過數字孿生，模擬地球表面的形態和特征，幫助學生了解地球表面的結構和特征。最后，人工智能技術的應用。在講授外力地質作用等內容時，教師可以通過人工智能技術模擬地質作用過程，幫助學生掌握地質作用的機理。

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基金項目：2022年鄭州大學教育教學改革研究與實踐項目“基于創新擴散理論的《地球科學前沿》普及教育教學創新與實踐”，課題編號：2022ZZUJG226。