“全球变化生态学”教学改革与实践——以天童国家野外站为依托

郑泽梅，杨海波，杨庆松，江 山

（华东师范大学 a.浙江天童森林生态系统国家野外科学观测研究站；b.生态与环境科学学院，上海 200241）

全球变化生态学是在全球变化背景下发展起来的一门新兴学科，其源于对生物圈的研究，从IGBP时代逐步发展［1］。它主要探讨全球变化的生态过程、生态关系、生态机制、生态后果及生态对策，是当前生态科学一个热门、重要的研究领域。基于全球变化问题的广泛性、综合性和热门性，我国很多高校都开设了与全球变化或全球变化生态学相关的课程［2］。例如，北京大学、南京农业大学开设专业选修课，清华大学地学中心为大气科学（全球变化方向）辅修专业开设了“全球变化生态学”和“全球变化大数据分析”等课程，也有一些高校面向全校学生开设“全球变化通识”课程［3］。在教学过程中，很多学者从教学模式、教学内容等方面对“全球变化生态学”进行了教学改革与实践。陈永金等［4］和董进国等［5］尝试了在全球变化类课程中使用探究式学习法。刘卫国等［6］和彭剑峰［7］建议教师要充分利用信息化技术引导“全球生态学”的教学过程。王艳红等［3］认为全球变化通识课程的授课教师应充分地将“设问式”和互动教学方法运用到课程教学实践中。

自2010年起，华东师范大学生态与环境科学学院面向生态学专业三年级本科生开设专业选修课“全球变化生态学”，课程共36学时。因生态学专业培养方案调整，2018年该课程被列入生态学学科特色课程体系，更加强化了对课程特色性的要求。依托学科优势和开放优质的教学资源是提升学生创新能力的有效途径［8-9］。浙江天童森林生态系统国家野外科学观测研究站（以下简称“天童国家野外站”）是国家“211”和“双一流”重点学科、上海市、华东师范大学生态学的建设内容之一，已构建了科研反哺教学的实践平台［10］。为提升学生的理论认知、实践和创新能力，课程教师依托天童国家野外站，从教学内容、教学形式和考核方式等方面对课程开展了教学改革与实践，突出了课程特色，取得了良好效果，以期为我国高校相关课程的教学提供借鉴。

一、“全球变化生态学”课程内容与教学挑战

（一）课程教学内容与目标

“全球变化生态学”的教学内容主要分为三大部分：（1）生态系统变化的多尺度观测与分析；（2）全球变化驱动下的生态系统变化过程及其适应性；（3）应对气候变化的人类行动。根据专业培养计划的要求，课程从知识理论基础、持续学习能力和综合素质等三个角度设定了专业教学目标：（1）了解全球变化生态学的主要研究手段，能理解生态系统主要物质循环过程、生物入侵和生物多样性对全球气候变化的响应过程及其内在机制；（2）能使用“全球变化生态学”理论框架解释已有气候变化对生态系统的影响机制，并能使用典型研究手段开展全球变化生态学基础研究；（3）了解国际社会应对气候变化已采取的相关措施与行动。

（二）教学挑战

1.课程教学内容须推陈出新。“全球变化生态学”涉及的内容多而广，并且随着学科研究的深入，新的技术手段、研究成果和重大国际政策也会不断涌现。教师要保证在短短的36个学时内有效地完成这些内容的讲解，这就要教师在保证教学内容系统性基础上，既要对现有的内容进行整合和合理取舍，也要突出教学内容的新颖性［11-12］。在教学过程中，将近几年出现的新技术手段融入“全球变化生态学”研究方法讲解，将全球变化生态学领域最新的研究成果作为案例分析素材，是完善教学内容的直接途径［13］。

2.课程教学手段较为单一。“全球变化生态学”涉及的专业术语较多，是一门理论性和实践性都较强的课程。通过传统的“填鸭式”教学模式（如讲授法）或案例教学，学生虽能在一定程度上了解“全球变化生态学”的主要研究手段，理解生态系统对全球变化的基本响应过程与机理。但是，他们对这些知识点的理解可能更多停留在课件的图片和教师的描述上。学生对“全球变化生态学”的研究手段认知不够直接，对全球变化理论框架的理解层次不够深刻。讲授法的教学模式导致学生处在被动学习的状态，降低了其学习兴趣［14］。对此，通过适当增加小组讨论和现场教学环节，对课堂教学进行有效补充［13］，能提高学生对理论的认知能力和实践能力，可以让整个教学在充满互动、真实、近距离的氛围中展开。

3.课程考核方式缺乏对学生学习过程的评价。课程期末考试以传统的选择、填空、简答和论述为考试题型，侧重考查学生对课程知识的记忆和理解。有的学生临时抱佛脚，死记硬背课堂笔记或者教师教案，也能取得不错的成绩。这种考核方式难以实现考核的真正目的，也难以对学生的整个学习过程和知识掌握情况进行有效监督和评价。在教学过程中增加过程评价环节（如设置小组讨论得分），期末从试卷考试转变为课程论文或课程研究计划评价，综合性的考核模式将有助于学生学习能动性的提高和创新能力的培养。

二、天童国家野外站的“全球变化生态学”教学资源优势

20世纪80年代，华东师范大学宋永昌教授开始带领团队在宁波天童国家森林公园开展植被定位研究。1992年，华东师范大学天童生态试验站成立，是我国成立较早的常绿阔叶林生态系统定位研究站之一。2005年，天童生态试验站通过遴选，首批进入国家生态系统野外科学观测研究网络，正式成为浙江天童森林生态系统国家野外科学观测研究站，是当时教育部华东地区唯一的国家级森林野外台站。天童国家野外站2004年被华东师范大学定为大学生创新实践基地，2012年被遴选为首批国家级理科野外实践教育基地，2021年成为首批“宁波市自然教育基地”。依托台站多学科综合观测技术、先进的仪器设备、经验丰富的教师队伍，天童国家野外站构建了辐射华东地区的科研反哺教学的实践平台［10］，在创新人才的培养中发挥着积极的作用。天童国家野外站独特的地理位置、完善的科研设置、丰富的科研成果为“全球变化生态学”的改革与实践提供了丰富的教学资源。

天童国家野外站坐落于浙江天童国家森林公园内，站区海陆交界，经常受到台风、干旱等极端天气事件的干扰［15］。根据宁波市气候公报等资料记载，台站近10年间共经历了2次极端降雪和冰冻（2008和2016年），1次极端高温和干旱（2013年）以及3次高强度台风和热带风暴（2008年、2012年和2019年）。天童站区内因极端天气产生的自然干扰景观，是进行全球变化教学的天然素材。

天童国家野外站设有常绿阔叶林演替系列样地、亚热带极端干旱控制试验样地、长期氮磷添加试验样地和近自然林改造中德示范样地等多个长期实验平台，拥有无人机高光谱遥感、50米碳水通量观测塔、温室等先进的生态学野外观测设备和设施。这些硬件条件和新技术手段是“全球变化生态学”研究和服务国家碳达峰、碳中和目标的重要支撑，也是“全球变化生态学”现场教学和课程研究计划方案实施的主要依托对象。

近年来，天童国家野外站在全球变化生态学领域取得了诸多高亮点的科研成果，多篇论文发表在Nature Climate Change、Nature Communications、Science Advances和Global Change Biology等期刊上。将这些优秀论文融入课堂教学或小组讨论，是对课程案例教学内容的有力补充。

三、依托天童国家野外站的教学改革与实践

为充分利用天童国家野外站的野外观测仪器、设施和试验样地等教学资源，提高本科生直接接触基础研究的机会，结合学科特色要求，教师从教学内容、教学手段和考核方式三方面对“全球变化生态学”进行了教学改革与实践（见图1）。通过教学内容推陈出新，教学手段多样化和考核方式过程化，进一步拓展台站优质教学资源的服务对象，将科学研究贯穿整个教学过程，搭建生态学教学与科学研究的桥梁，在体现课程的学科特色的同时，提升学生的认知和创新能力。

图1 “全球变化生态学”教学改革实践思路

（一）教学内容

在课程教学内容的三大部分中均融入了与天童国家野外站有关的内容。（1）在第一部分中，从全球变化生态学的三大研究手段（观测、控制实验和模型模拟）切入。在观测部分介绍了天童国家野外站基于近地面无人机遥感技术进行森林样地地形、树高和林冠的精确测定工作；在控制实验部分介绍了台站的两个全球变化控制平台——亚热带极端干旱试验平台和长期氮磷添加控制试验平台；在模型模拟部分介绍了台站研究人员在碳循环模拟不确定性溯源性分析方面的工作。（2）在第二部分中，以案例分析为教学手段，剖析了亚热带森林土壤呼吸响应极端干旱的生物和非生物调控机制。（3）在第三部分应对气候变化的人类行动中，介绍了天童国家野外站基于近自然经营技术开展亚热带森林增汇示范的工作。

（二）教学手段

以往的教学手段主要以传统的课堂教学为主，教师单向输出知识，缺乏互动性。在教学改革中，教师将小组讨论和现场教学融入教学方法。

1.小组讨论。课程要求每2人一组，针对课程第二部分的内容，选择一篇天童国家野外站近期发表的全球变化生态学领域的高水平论文进行课前精读，课上再进行20分钟左右的小组汇报，汇报表现将计入课程总评成绩，占50%。学生根据自己的兴趣选出了台站研究人员发表在Nature Communications、Global Change Biology和Functional Ecology上的论文，主题包括全球气候变化与植物功能性状、干旱与生态系统碳循环等［16-19］。学生精读论文后，制作了小组会汇报PPT。在小组会中，学生介绍了论文的主要结果、亮点和科学贡献，也表达了自己的阅读感想，并对科学问题的认识进行了师生讨论。学生普遍认为，精读论文有助于详细了解科学研究过程，小组讨论加深了自己对相关知识点的理解。

2.现场教学。现场教学是教学中一种非常特殊的教学组织形式，通过现场教学能更有效地提高教学效率和教学容量。教师紧密围绕课堂教学内容，通过挖掘天童国家野外站的优质教学和科研资源，实现了现场教学与课堂教学的融合。在现场教学中，教师设置了“全球变化的影响—观测—控制实验—研究实践”为主线的现场教学线路。2019年，天童国家野外站站区遭受了“利奇马”台风的侵袭，站区形成了大型的泥石流滑坡景观。教师通过极端天气介绍生态系统的破坏性，带领学生参观了泥石流滑坡后的修复现场，让学生切身感受极端天气对自然系统的破坏力。然后，以碳达峰、碳中和为话题，介绍了区域碳水平衡评价的有力工具——通量观测塔，通过分析天童50米通量塔周边林冠景观格局，让学生理解森林碳水通量观测的选址依据。接下来，教师带领大家参观了台站的亚热带极端干旱试验样地，讲解了干扰对照处理在控制实验设置中的必要性，并直观地比较了不同干旱处理下林冠下方植被的生长状况。最后，教师指导学生在长期氮磷施肥样地选择了两个不同处理的样方进行了灌木光合能力的测定，在教会学生使用先进分析仪器LI6800-F的基础上，让学生体验在野外获取课上精读论文中的数据。

（三）考核方式

考核是检验学生学习情况的主要手段，然而，“一考定成绩”不能有效地对学生的学习过程进行评价。不同于以往的试卷测评，改革后的课程注重对学生学习过程的评价，以小组讨论和期末考核的加权得分作为课程最终成绩，其中小组讨论和期末考核各占50%。教师根据汇报情况、提问和回答情况给出小组讨论的分数，同一小组成员分数相同。期末考核以提交研究计划的形式完成。课程要求研究计划：（1）需依托天童国家野外站全球变化试验平台；（2）能围绕全球变化热门话题提出创新性强的科学问题；（3）综述全面、针对性强，研究目的和内容明确，方案可行。学生根据自己的兴趣点，通过查阅文献资料，提出了包括基于日光诱导叶绿素荧光的亚热带森林生态系统总初级生产力的模拟及其对干旱的响应研究、亚热带森林干旱与磷限制相关关系研究、极端干旱对亚热带森林食物网结构和群落结构的影响等具有一定创新性的研究计划，充分体现了学生在学习过程中的主观能动性和创造力。

结语

“全球变化生态学”是我国很多高校生态学专业学生的选修课程，对于学生知识面拓展、思维能力或创造力的提高具有重要的作用。本文结合教师在“全球变化生态学”课程的教学，探讨了基于国家野外站优秀的教学资源进行的改革和实践。通过教学内容完善、教学手段丰富化和考核模式过程化三方面的改革，体现了课程的学科特色性，有助于学生知识理解、创新意识及能力的提升。