面向地球物理拔尖學生的課程體系設計研究

黃獅勇　袁志剛　倪彬彬　丁浩　林仁桐

摘? 要：該文以武漢大學弘毅學堂地球物理班為例，深入剖析當前地球物理專業課程體系的特點及其存在的主要問題。針對這些問題，從優化課程體系、教與學相互融合、個性化培養等多個方面提出優化設計方案。通過對深入挖掘現有的階梯式課程體系進行全面重組，打破傳統學科之間的壁壘，拓寬課程涉及范圍，加深課堂教學與實踐的結合，調整教學與自主學習，注重學生的個性化發展等思路，對面向地球物理拔尖學生的課程體系進行設計研究，為培養出具備創新能力和實踐經驗的地球物理學跨學科交叉型人才奠定堅實基礎。

關鍵詞：拔尖人才培養；地球物理學；課程體系設計；交叉學科；培養體系

中圖分類號：G642? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）16-0041-04

Abstract： Taking the geophysics class of Hongyi School in Wuhan University as an example， this paper analyzes the characteristics of the current geophysics professional curriculum system and its main problems. In response to these problems， optimization design solutions are proposed from various aspects such as optimization of the curriculum system， mutual integration of teaching and learning， and personalized cultivation. Through the comprehensive reorganization of the existing ladder curriculum system， breaking the barriers between traditional disciplines， broadening the scope of the curriculum， deepening the combination of classroom teaching and practice， adjusting teaching and independent learning， and focusing on the personalized development of students and other ideas， the design and research of the curriculum system for geophysical top students has laid a solid foundation for the cultivation of interdisciplinary and cross-disciplinary talents in geophysics who have the ability to innovate and have practical experience. This has laid a solid foundation for the cultivation of interdisciplinary geophysical talents with innovative ability and practical experience.

Keywords： cultivation of top talents; geophysics; curriculum design; cross-disciplinary; training system

地球物理學是一門應用性較強的基礎學科，是地球科學的主要學科之一。它研究地球及其周圍空間環境的物理性質和運動規律，為人類提供對地球及其周圍空間環境的科學認識。地球物理學的研究成果在石油和天然氣勘探開發利用、地震、火山、滑坡和巖爆等自然災害的預測與預防、地球生態環境保護與監測等眾多國民經濟建設中具有重要意義的產業部門或高科技領域中有著廣泛的應用。然而，當代地球物理學面臨著嚴峻的挑戰。自然災害、能源需求急增、資源短缺、環境惡化等眾多問題直接威脅著人類的生存與進步，而空間開發國際競爭則直接關系到國家安全和利益。因此，地球物理學家必須投入研究和解決一系列嚴峻和跨學科性的挑戰性問題。為了應對這些挑戰，地球物理學需要不斷地進行改革和創新。其中，交叉學科的發展成為了重要的趨勢。2020年8月，“交叉學科”成為了第14個學科門類，這意味著學科的交叉融合是未來科學發展的必然趨勢，是加速科技創新的重要驅動力。因此，地球物理學也需要按照學科交叉的方式進行融合式培養[1]。

地球物理學包括兩個二級學科：空間物理學和固體地球物理學。該一級學科對應的本科專業為地球物理學（專業代碼：070801）。目前，絕大部分的國內外高等院校對地球物理學本科生的培養只按照固體地球這一個二級學科設置課程體系。比如本校地球物理一直按照固體地球物理來設置課程體系，中國地質大學按照勘探地球物理方向來培養地球物理學的本科生。基于這些課程體系，培養的學生往往知識面不夠寬廣、數理基礎不夠扎實、綜合性不夠。地球物理學是涉及海陸空三界的廣泛學科，是天文、物理、化學、地質學等學科之間的交叉學科。作為一個天體來研究地球，地球物理學和天體物理學是分不開的；當研究對象變成地球構造和演化時，地球物理學又和地質學形成了密切聯系。地球物理學所探討的范圍遠不止此，它還包括大地測量學、海洋物理學、氣象學和大氣物理學、空間物理學和固體地球物理學等眾多學科[2]。因此，地球物理學實質上是一個交叉學科。2020年8月，“交叉學科”成為第14個學科門類，這意味著學科的交叉融合是未來科學發展的必然趨勢，是加速科技創新的重要驅動力，地球物理拔尖學生的培養也應按照學科交叉的方式進行融合式培養。

習近平總書記指出，“人才是創新的第一資源”[3]。面向地球物理拔尖學生的課程培養體系需要進行改革，必須以跨學科交叉融合培養和大類培養為基本思路，有機結合地球物理學各個二級學科的課程，結合當前國內外地球物理學排名靠前院校的課程設置，建立完善的地球物理拔尖學生的課程體系。武漢大學弘毅學堂地球物理班正是面向地球物理拔尖學生的跨學科交叉培養目標而建立起來的。本文系統地分析了武漢大學地球物理學專業現有培養體系現狀及存在的問題，并基于學校優勢和培養人才的經驗，提出了面向拔尖創新人才培養的地球物理課程體系優化設計方案。

一? 武漢大學現有地球物理專業課程體系分析

地球物理學由空間物理學和固體地球物理學兩個二級學科組成。這兩個二級學科的建設分別依托于武漢大學電子信息學院和測繪學院。

武漢大學有門類齊全的學科和豐富的教學科研平臺，地球物理學專業有全國A+學科和“雙一流”建設學科的優勢，與地球物理相關的固體地球物理學、大地測量學、空間物理學、電子信息、計算機科學、人工智能等在武漢大學都是優勢學科，可以為多學科的深度交叉融合課程體系提供支持。武漢大學地球物理學在專業培養方面先期已開展了一系列探索，積累了有益的專業改革經驗。武漢大學在2014年創辦“質廷試點班”（簡稱“質廷班”），目標是繼承著名空間物理學家桂質廷先生的學術風范和科學精神，培養一批數理基礎扎實、實踐能力強和富于創造力的空間科學新人，使之具備成為學術中堅和業界領袖的潛力。2015年獲批“3+3+3”地球物理專業（主要是固體地球物理）本碩博銜接培養模式，實現本科教育與研究生教育資源共享的一體化培養，保證學生科研的持續性、深入性，強化學術科研訓練。

現有的地球物理學專業課程體系由三大課程模塊組成：公共基礎課程（55.5學分，其中全校必修28學時、學院選修27.5學分），人文教育與通識教育課程（12學分），學院專業課程（72.5學分，其中專業集中實踐13.5學分，專業選修課程25學分，專業必修課程34學分），共計140學分。理論課程學時計算標準：16學時×學分數；各類實驗實踐類課程學時計算標準：軍事訓練、集中性實踐教學環節學時=8學時×天數；各類實驗課程、畢業論文（設計）學時=24學時×學分數。現有課程體系囊括了人文通識教育、社會學科、數學物理基礎與地球物理學專業課及實踐環節，在學科涉及領域上體現了綜合性大學的人才培養理念，選修和實踐學分與必修學分基本持平，體現了專業選擇的自主性。

然而，面向地球物理拔尖人才培養需求，本課程體系存在以下典型問題。①基礎課程與專業課程跨度過大。地球物理專業課程對數理基礎能力的要求高，而基礎課程提供的數理基礎知識難以支撐后續專業課程的學習。②缺乏跨學科交叉的培養環節。地球物理學是以固體地球至地球空間環境為研究對象，與物理學、地質學、大氣科學、海洋科學和天文學相交叉的一級學科，這樣的學科培養必須具有學科交叉融合性。③缺少研究型教學環節和開放課程，難以鍛煉學生的科研能力，不利于培養學生的科研思維和科研習慣。

二? 地球物理跨學科交叉融合培養的課程體系設計

教育改革是涉及教育思想的轉變、教育管理質量的提高、課程體系的優化、教學資源的建設、課程內容的更新與有機整合、教學方法與手段的改革等系統工程[4]。教育改革旨在推動教育不斷創新和發展，提高教育質量和效益，培養更多具有創新精神和實踐能力的人才。

弘毅學堂是武漢大學參與國家教育體制改革的試點項目、是國家“基礎學科拔尖學生培養試驗計劃”、“新工科”計劃、“新文科”計劃，實施精英教育、個性化培養、國際化辦學的重要基地，是武漢大學培養國家脊梁和領袖人才的教育品牌，也是武漢大學實行跨學院大類招生、大類培養和跨學科培養的試驗區，亦是學校創建書院式學術社區的前哨站[5]。弘毅學堂培養目標是致力使學生逐步成長為人文和科學素養深厚、學術思想活躍、求是與開拓精神兼備、國際視野開闊，在中國乃至世界相關領域起引領作用的科學家、思想家及創新工程師。

弘毅學堂地球物理學借鑒世界一流大學拔尖人才培養博雅型教育和研究型學習的理念，依托武漢大學強大的學科優勢和高水平的師資隊伍，以“博雅教育（Liberal-art education）”為總原則，貫徹寬口徑、厚基礎、強能力的方針，大膽探索，逐步形成具有顯著特色的培養模式，即大類招生、大類培養及跨學科培養的兩個基本范式、博雅與前瞻性的課程體系、“一型二制三化”（研究型、導師制、書院制、小班化、個性化和國際化）等一系列措施。通過這些改革和創新措施的實施，相信弘毅學堂將會培養出更多具有國際競爭力的優秀人才，為我國的教育事業和人才培養作出更大的貢獻。同時，這些改革和創新經驗也可以為其他高校提供有益的借鑒和參考，推動我國高等教育事業的進步和發展。具體來說，弘毅學堂地球物理班的培養方案有如下幾個要點。

（一）? 跨學科培養的范式

在教學改革實踐過程中，要培養具有大理科基礎、大地學特色的地球科學創新人才，關鍵要做到“兩通”，即地球物理學各學科橫向打通，本科生與研究生教育縱向打通[6]。基于跨學科培養的理念，在新設計的專業必修課程中，既包括數學物理方法，張量分析與彈性力學等銜接數學、物理基礎課程，也包括地質學、地震學、電離層物理與電波傳播、基礎等離子體物理等不同方向的專業課程；而專業選修課程中，學生可以在測繪學院、電子信息學院、物理科學與技術學院或計算機學院所開設的專業選修課中選擇，比如數字信號處理、信號與系統、熱力學與統計物理學、地球動力學、行星科學導論、計算機數值模擬、Python語言程序設計等。

（二）? 博雅與前瞻性的課程體系

拔尖人才培養需要抓手，重要抓手就是課程。因此，課程基礎知識的“習得”與“運用”培育創新力、領導力、合作力等高階素養應視為“飛機的雙翼”[7]。在拔尖人才培養方面，課程體系是至關重要的抓手。課程不僅是傳授基礎知識的平臺，更是培養學生創新力、領導力、合作力等高階素養的重要途徑。武漢大學秉承“人文化成”的理念，按照中國文明、世界文明兩條主線開設通識課程，旨在深層地培養學生高尚的道德情操和人文素養。為了實現博雅教育的目標，武漢大學開設了一系列通識課程，涵蓋了中國文明和世界文明兩條主線。通過這些課程的學習，學生可以獲得更加廣闊的文化視野和更加深厚的文化底蘊，有利于培養其綜合素質和創新能力。武漢大學還基于最前沿的科學進展和最熱門的未解的科學問題，開設了一系列研討課，如地球與空間科學前沿匯報、重大地球科學問題研討等。這些課程以研討為主要形式，讓學生直接接觸最新的科研成果和學術動態，激發其對地球科學的興趣和好奇心。通過與專業科研工作者的交流和學習，學生可以深入了解學科發展的方向和趨勢，提高專業素養和科研能力。學科前沿類課程的開設對于學生的發展具有重要意義[8]。首先，這類課程能夠提升學生對科研的興趣，激發他們的探索精神和創新思維。其次，這類課程能夠拓展學生的專業視野，讓他們了解不同領域的研究動態和交叉學科的發展趨勢。最后，這類課程還為學生提供了與本專業不同領域的科研工作者交流的機會，有利于培養學生的合作意識和跨學科思維能力。博雅與前瞻性的課程體系是武漢大學培養拔尖人才的重要舉措。通過這樣的課程體系，學生可以獲得更加全面和深入的學習體驗，培養出更加優秀的綜合素質和創新能力，為未來的科學研究和技術創新做出更大的貢獻。

（三）? 研究型學習加導師制指導

按照國際一流研究型大學重構本科教育行動綱領，倡導研究型學習模式（Research-Based Learning），調整課程教學的固定思維，通過問題引導、文獻閱讀與討論等形式，將被動接收知識的教育方式，轉變為導師指導加學生探索未知和總結結論的形式；另一方面在培養方案中設置單獨的科研訓練學分，比如科研訓練課程，地球與空間物理綜合實習等，并設立學生專項科研基金和配套的獎勵政策給予支持，如地球物理拔尖人才培養科創項目。為了培養具有國際競爭力的拔尖人才，研究型學習和導師制指導是不可或缺的重要環節。按照國際一流研究型大學的本科教育行動綱領，武漢大學積極倡導研究型學習模式，調整課程教學的固定思維，注重培養學生的創新能力和實踐能力。研究型學習模式強調學生的主動性和探索精神，通過問題引導、文獻閱讀和討論等形式，引導學生從被動接收知識轉變為主動探索和總結結論。這種學習模式有利于培養學生的獨立思考能力和創新思維，使他們更好地適應科學研究的需要。

為了更好地實施研究型學習模式，武漢大學建立了完善的導師制指導體系。學校聘請了學術造詣深厚且具有國際視野的專家學者擔任學科教授，負責制定培養方案并對本科生和研究生的培養過程進行指導。這些學科教授具備豐富的學術經驗和深厚的學術背景，能夠為學生提供高水平的學術指導和建議。除了學科教授外，武漢大學還聘請責任感強、專業素養高的優秀教師擔任學業導師。學業導師負責學生的課程學習和職業生涯指導，關注學生的學習進展和職業規劃。他們為學生提供了個性化的指導和支持，幫助學生解決學習和職業發展中的問題。武漢大學還聘請高水平專家擔任學術導師，帶領學生盡早接觸學科前沿，為學生提供科學研究的平臺和學術規劃方面的指導。學術導師具有豐富的科研經驗和深厚的學術背景，能夠引導學生參與科研項目，培養他們的科研素養和實踐能力。在學術導師的指導下，學生可以更好地了解學科前沿和發展趨勢，提高自己的學術水平和創新能力。研究型學習加導師制指導是培養拔尖人才的重要途徑。通過這種培養模式，學生可以獲得更加全面和深入的學習體驗，培養出更加優秀的創新能力和實踐能力。同時，完善的導師制指導體系為學生提供了個性化的指導和支持，幫助他們更好地實現自己的學術和職業目標。

（四）? 小班制研討

要厚植拔尖人才成長的土壤，營造一流人才成長的良好“土壤”和環境，要匯聚優秀學生，通過互相鼓勵、同輩激勵，產生和淬煉出使他們終身受益的智慧、理想、學風和人格[9]。為了培養具有創新精神和實踐能力的拔尖人才，小班制研討成為了一種重要的教學形式。小班制研討注重學生的參與和互動，有利于激發學生的創新思維和批判性思考能力。在弘毅學堂的教學中，小班制研討得到了廣泛應用，為學生的成長提供了良好的土壤和環境。小班制研討能夠匯聚優秀學生，營造良好的學術氛圍。通過小班教學，學生之間的交流更加密切，互相鼓勵、同輩激勵的氛圍更加濃厚。在這樣的環境中，學生能夠激發出更多的靈感和創意，產生和淬煉出使他們終身受益的智慧、理想、學風和人格。小班制研討有助于促進師生間的互動和交流。

為了更好地實施小班制研討，學校還推行了一系列制度。例如，每周的“open hours”制度要求導師和學生開放自己的時間，進行面對面的交流和指導。此外，“師生午餐會”“學術下午茶”“博雅論壇”“周末藝術沙龍”等活動也為學生提供了與導師和其他同學交流的機會[10]。這些活動不僅有助于促進師生間的互動和交流，還營造出良好而和諧的課外學習與生活環境。小班制研討的實施方式也是多樣化、靈活的。基礎課實行大班上課、小班討論的形式，而專業課則基本實行小班課堂。這種教學方式能夠更好地滿足學生的需求，促進師生互動的啟發式、討論式、探究式學習模式的展開。同時，根據課程內容和學生學習情況的不同，教師還可以采用其他形式的小班制研討方式，如小組討論、課題研究、案例分析等。小班制研討是培養拔尖人才的重要途徑之一。通過小班制研討，學生能夠更好地發揮自己的潛力，培養創新思維和實踐能力。同時，小班制研討也有助于促進師生間的互動和交流，營造出良好而和諧的學術氛圍和學習環境。

（五）? 接軌國際與個性化培養

在培養拔尖人才的過程中，接軌國際與個性化培養是兩個不可或缺的方面。武漢大學通過多種途徑為學生提供國際交流與合作的機會，同時注重學生的個性化發展，為他們量身定制培養方案，促進其全面發展。在導師層面，聘請國際相關領域的學者教授來校講課，鼓勵他們擔任研究生的學術導師，鼓勵學生申報聯合培養項目；在學生層面，為優秀的學生提供國際合作的科研實習、前往國外知名大學參加暑期學校和與知名研究單位聯合培養等機會，鼓勵學生前往國外知名學府交流學習；積極創造條件，讓更多的學生前往國外優秀實驗室和科研組學習，為學生們提供融入國際前沿研究團隊的機會。根據學生個人興趣和特長定制個性化培養方案，定期與學生進行科研方向的深度交流，適時調整科研方向和發展方向，并在完成相應的科研訓練的前提下，特批課程免修；同時，積極開展不同學生之間的科研交流，不同領域導師與學生的科研指導，為每一位學生提供個性化的培養方案。

三? 結束語

新時代對培養地球物理拔尖學生的培養提出了新的挑戰，我們不能再按照傳統的二級學科，甚至是更小的應用方向培養地球物理的拔尖人才。因此，面向地球物理拔尖學生的課程培養體系需要改革，必須打破陳舊思維，解放思想，革新課程，加深數理基礎，發展新的教學方法，對學生進行跨學科交叉培養。本文正是基于這一歷史機遇，針對地球物理學拔尖學生的課程體系進行再研究，提出跨學科交叉融合培養，培養一批未來能夠勇攀科學高峰、有理想、有本領、有國際視野的杰出地球物理科學家，打造國際一流水平的地球物理師資隊伍，建成國際一流的地球物理學專業，將武漢大學建成世界地球物理學科研創新與教育示范的人才培養基地，同時也為國內相關院校提供可借鑒的地球物理拔尖人才的課程體系。

參考文獻：

[1] 李偉寧.用執著的精神揭開地球物理科學的神秘面紗——記中國科學院地球物理研究所副研究員陳祖安[J].中國高新科技，2018（19）：18-20.

[2] 傅承義，陳運泰.地球物理學基礎[M].北京：科學出版社，1985.

[3] 習近平關于科技創新論述摘編[M].北京：中央文獻出版社，2016：116.

[4] 程順有，刁博.“地球物理學”課程內容優化與教學方法探索[J].高等理科教育，2004（4），63-66.

[5] 宮輝，蘇玉波，周遠.高校書院發展報告（2020）[M].西安：西安交通大學出版社，2021.

[6] 陳云棠.地球科學人才培養與教學改革的思考[J].中國大學教學，2004（9）：19-20.

[7] 李明媚，李世勇，龔敏.拔尖創新人才核心素養及培育路徑：基于茨格勒理論[J].高教學刊，2022，8（33）：156-160.

[8] 楊李鑫昊，羅家俊，沈雨澄，等.關于為拔尖人才培養開設的“學科前沿”類課程的探討[J].大學化學，2019，34（10）：137-145.

[9] 張大良.完善具有中國特色的拔尖創新人才培養機制——在拔尖人才培養工作研討會上的致辭[J].中國大學教學，2017（6）：4-5，17.

[10] 基礎學科拔尖學生培養試驗計劃進展報告（2012）[M].北京：高等教育出版社，2013：74，139.

基金項目：2021年度基礎學科拔尖學生培養計劃2.0研究課題（20212061）；“武大通識3.0”課程建設項目（無編號）

第一作者簡介：黃獅勇（1986-），男，漢族，江西于都人，博士，正高級教授，博士研究生導師。研究方向為空間物理學。