“全球变化与地表过程”课程教学改革的探索

佘维维 姜群鸥 齐元静 高广磊 丁国栋

(北京林业大学水土保持学院，北京 100083)

18世纪工业革命以来，人类改变和利用自然的能力得到空前发展，在创造巨大文明成果的同时，也给地球环境带来深刻的影响。大气和水污染、土地荒漠化、温室效应加剧、森林锐减、生物多样性丧失等一系列全球性环境问题日益凸显。20世纪80年代，随着科学技术的进步，以“全球变化”为主题的研究组织逐步设立，研究成果日益丰富，全球变化的科学也应运而生[1]。深入的研究工作使得科学界认识到地球大气、水、岩石、生物等组分是一个密切联系的整体，由此提出了地球系统科学的概念。地球系统科学作为研究地球系统整体结构、特征和功能的科学，为全球变化研究提供了基础理论支撑[1]。

在地球系统中，地球表层的诸多要素、过程及其相互作用与人类联系最为密切，是全球变化研究最为广泛的领域[2]。当前，全球变化研究已成为地学、宏观生物学的前沿学科领域，着重关注地球表层系统对人类活动诱发的全球变化的响应、适应和反馈，为积极应对全球变化以及人类社会的可持续发展提供了坚实的科学基础。为适应社会和学科发展的需要，国内综合性和师范类高等院校普遍开设了“全球变化”“气候变化”“全球变化生态学”“全球变化与可持续发展”等课程。这些课程已成为培养学生全球视野、塑造系统性和批判性思维、强化社会责任感的重要课程，同时也为学生架起了从掌握基础理论知识到探索学术前沿知识的桥梁[3-4]。然而，开设此类课程的高等农林院校并不多，相关教育教学研究尚鲜见报道。在这样的背景下，北京林业大学水土保持学院于2018年开设了面向全校的“全球变化与地表过程”专业选修课程。

一、“全球变化与地表过程”课程的内容与特点

(一)课程的内容

“全球变化与地表过程”课程涉及3个方面的内容，即全球变化、地表过程以及二者之间的关系。全球变化是指由自然和人文因素引起的地表环境及地球系统功能全球尺度的变化，诸如二氧化碳浓度增加、温度升高、降水格局改变、氮沉降增加、土地利用变化等。地表过程的范畴包括水、土、气、生、人等地表有关的自然和人文过程。由于人类活动是诱发全球变化的重要驱动力，因此在讨论全球变化与地表过程关系时，必然涉及人类活动方面的内容。

地球系统作为一个复杂的巨系统，内部各组分间的相互作用亦十分复杂。为梳理出一条清晰的逻辑主线，笔者将人类活动和全球变化视为驱动力，而地表过程作为影响对象，那么全球变化、人类活动与地表过程间的关系就可表述为前者对后者的影响以及后者对前者的反馈，见图1。图1中，人类活动通过改变地表过程进而导致全球变化(过程①③)是全球变化的成因；而过程②为全球变化对地表过程的影响；过程③表示地表过程对全球变化的反馈。

图1 全球变化与地表过程间的关系

(二)课程的特点

从“全球变化与地表过程”课程的内涵看，它具有多学科交叉、综合性强的特点。相关研究内容涉及到大气圈、水圈(含冰冻圈)、岩石圈和生物圈(含人类自身)的要素、过程及其相互作用，其实质是地理科学、大气科学、水科学、生态学、环境科学、人文社会科学在计算机和信息科学的发展和推动下向综合、集成与相互交叉方向发展的体现。

从研究尺度看，“全球变化与地表过程”课程具有多尺度融合、理论性强的特点。从空间尺度上看，包括从微观的分子、细胞水平到中观的个体、种群、群落和生态系统水平以及宏观的景观、区域和全球水平。从时间尺度看，有长有短，如秒到小时尺度上的二氧化碳和水汽的交换过程，天到季节尺度上的土壤水分储量变化、植物碳分配和物候变化过程，年到百年尺度上的植被结构与功能变化过程，以及更长时间尺度(万年到百万年)上的土壤形成、地质运动等过程。虽然不同时空尺度上的过程机理不同，但又相互联系、紧密耦合。而将微观过程机理和宏观格局相结合的“尺度综合”研究是全球变化研究中重要的学术前沿问题。

此外，随着计算机、信息和生物技术的发展，以及对地观测和数值模拟能力的提高，全球变化研究的成果日新月异，体现出很强的前沿性。全球变化作为一门新兴的交叉学科，在不断蓬勃发展的过程中，仍存在许多不确定性，诸多关键问题并没有定论，存在许多不同甚至相反观点。

二、“全球变化与地表过程”课程教学面临的挑战

(一)内容多、课时少

“全球变化与地表过程”涉及内容范围宽、领域广，具有多学科交叉性，是一门系统性和理论性很强的课程。该课程的教学难度大，但分配的课时仅有32学时(2学分)。如何合理设置授课内容，在较短的课时内保持该课程教学的系统性和理论性，让学生掌握该课程的知识和理论体系，是“全球变化与地表过程”课程教学的重点。

(二)学生的专业背景不同

“全球变化与地表过程”是为北京林业大学全校学生开设的选修课程。该课程教学对象多为大三、大四高年级学生，他们的专业背景涉及地理学、林学、生物学、生态学等专业。尽管，高年级学生已具备一定的地理学基础知识，但由于“全球变化与地表过程”课程内容综合性和前沿性强，不宜采用传统的教学方式开展教学，这对授课教师提出了更高的要求。为此，如何根据学生专业背景及知识储备组织教学内容、开展教学活动，是该课程取得良好教学成效的关键。

(三)知识更新速度慢

作为一门高度融合的交叉学科课程，“全球变化与地表过程”课程的理论体系和研究内容一直处于不断发展探索之中。虽然其相关研究蓬勃发展，新的思想、方法、认识、观点、发现不断涌现，但教材内容更新速度慢，远滞后于当前学科的发展。因此，如何在教材原有内容的基础上，整合全球变化研究的前沿成果，是激发学生求知欲、增强学习兴趣的难点问题。

三、“全球变化与地表过程”课程教学改革的措施

(一)优化教学内容

由于“全球变化与地表过程”课程学时少、教学内容多、系统性和综合性强，使得授课教师需要对授课内容的范围有所限定。因此，笔者选择与人类活动密切相关的时空尺度作为授课重点内容，其他尺度上的内容作为背景知识。具体的空间范围尺度为：纵向上限为对流层顶(8～10km)、下限为岩石圈顶部(5～6km)；横向范围包括所见陆地和毗邻岛屿；时间尺度上主要以人类活动影响最为显著的时间作为重点，包括过去数百年、未来一百年内的内容，而其他地质历史时期的地球环境演变内容则作为背景知识介绍。

依据该课程的内涵，笔者将授课内容优化为5个部分：①绪论，介绍全球变化与地表过程的概念、内涵与发展历程；②全球变化的事实、成因及未来预估；③全球变化对地表过程的影响；④地表过程对全球变化的反馈；⑤应对全球变化的政策与行动。根据学生专业背景，对每个部分设置密切相关的主题，如生态系统碳固存与碳循环、生物多样性、水文与水资源、城市化、荒漠化等主题。在授课内容的组织上，先快速回顾相关的基础知识，然后细致地讲解相关微观过程和机理，并在此基础上进一步拓展延伸内容。

受“全球变化与地表过程”课程课时限制，教师无法对“全球变化与地表过程”课程各个方面内容进行全方位深入地讲授。因此，笔者推荐学生自学相关网络教学资源，有效地拓展该课程的知识。近年来，世界网络课程建设蓬勃发展，许多著名高等院校推出了自己的网络公开课程，极大地推动了全球范围内远程教育的发展，并实现了教学资源共享。一大批制作精良的网络课程网站纷纷上线，如国家开放大学、国家精品课程网、国家数字化学习资源中心、中国大学MOOC、网易公开课、学堂在线、超星尔雅、edX、Coursera等，为课堂教学内容的拓展和课后学生的自主学习提供了基础平台。笔者筛选了一些与“全球变化与地表过程”课程相关的网络课程供学生自主学习，如清华大学课程“应对气候变化的中国视角”、中国地质大学课程“全球变化与地球系统科学”、南京信息工程大学课程“气候变化与人类活动”、哈佛大学课程“The health effects of climate change”、宾州州立大学课程“Climate change：the science and global impact”、哥伦比亚大学课程“Climate change science and negotiations”、英属哥伦比亚大学课程“Climate change：the science”等。

(二)采用多种教学方法开展教学活动

“全球变化与地表过程”课程除了有系统性和理论性的内容外，还存在许多前沿性和开放性的内容，这就需要教师采用传统授课和学生自主探究研讨相结合的教学方式开展教学活动。

对于基础理论知识，笔者采用传统教学方法开展教学活动，在一个章节或主题讲授完成后，设置与当节内容相关的随堂测验了解学生对当堂课程知识的掌握情况。如果学生答题的效果不佳，则需要和学生交流讨论确定具体哪里出了问题，并有针对性地进行详细释疑。

对于涉及到的前沿知识，笔者则采用研讨式教学方法开展教学活动，具体做法如下。首先，教师直接提出问题。教师依据授课内容，直接提出相关问题，引导学生进行思考和讨论，鼓励学生运用发散思维从不同角度分析问题，最后对学生的答案提炼总结，梳理出知识逻辑关系。例如，从贴近学生生活实际的现象(如城市热岛效应)出发，与学生探讨现象背后的机理和规律，进而引出教学主题(城市化的效应)；或者依据全球变化对地表过程作用的先后次序，组织学生开展问题探讨，如大气温度升高对土壤水分将产生怎样的影响、水分变化后植物群落怎么变、植物群落改变对生态系统碳固存有怎样影响、生态系统碳固存变化是否会影响大气二氧化碳浓度等。其次，学生小组研讨。教师提前设置好几个难易适中、开放性的研讨主题，然后学生根据个人的兴趣选择主题并组队开展研讨活动。同时，小组选出代表进行课堂汇报，组间相互质疑和研讨，最后教师详细地讲评和释疑，达到促进教学互动、学生自主学习的目的。

(三)实施综合考评

“全球变化与地表过程”课程的许多知识点其实是学生前期课程所学过的内容。因此，该课程的考核不宜采取闭卷考试的方式开展，应重点考核知识点间的联系以及运用基础理论知识分析和解决实际问题的能力，即对学生进行多方面综合考评，以全面地考察学生的综合能力。

“全球变化与地表过程”课程的成绩包括平时成绩、小组汇报成绩和课程论文的撰写成绩，其分值(百分制)比例为2∶3∶5。①平时成绩包括课堂提问、随堂测验和到课率。②小组研讨汇报成绩包括学生评分和教师评分，分值(百分制)比例为3∶7，重点从报告内容符合主题的程度、讲解清晰程度、基础理论运用情况、结论是否可靠、回答问题是否明确、参考文献是否充分、时间把握是否恰当等方面进行评判打分。③课程论文的撰写成绩根据论文的创新程度、文字表达情况、内容逻辑结构合理性、论文格式规范性等方面进行评定。课程论文包括教师推荐的主题和学生自主拟题，教师要对学生自主拟题进行把控，以确保拟题具有一定的创新性和意义、范围合理、难度适当、具有可操作性。

四、“全球变化与地表过程”课程教学改革的成效

(一)拓宽学生的专业视野，激发学生学习的兴趣

改革后的“全球变化与地表过程”课程，在教学内容上不断丰富，知识理论体系趋于完善，与社会热点和学科前沿的联系更加紧密。

在教学形式上，增加了学生自主学习国内外精品网络课程的环节，拓宽了学生的专业视野；借助研讨式教学方法，引导学生思考讨论社会热点和学科前沿问题，不仅使学生课下查找和分析了大量文献资料，进一步扩充了自己的专业知识，而且还激发了学生学习的兴趣和热情。

(二)促进多学科知识交叉融合，提高学生解决问题的综合能力

教师对“全球变化与地表过程”课程授课内容的系统化组织，增强了学生对不同学科知识间逻辑关系的理解，提高了学生对多学科交叉融合知识的掌握。此外，在课程论文的撰写过程中，学生自主阅读和分析文献资料后，需要与教师、学生进行广泛的交流、讨论，开展头脑风暴，不仅提高了发现问题、分析问题和解决问题的能力，而且还锻炼了归纳总结、逻辑推演的思维能力，同时也激发了他们自主创新的能力。

总之，教学评价是衡量课程教学效果的重要依据。调查显示，尽管88.5%的学生认为“全球变化与地表过程”课程内容具有很大的难度，但最终的教学获得了良好的效果，学生对该课程的总体满意度达到100%，见表1。

表1 “全球变化与地表过程”课程教学改革效果满意度的调查结果 %