大学地球科学课程报告论坛论论文集2017---最终PDF013

63 美国加州理工学院“板块构造”课程的教学特点分析与 思考 * 刘绍文 1，2 （1. 南京大学地理与海洋科学学院，海岸与海岛开发教育部重点实验 室，南京 210023； 2. 中国南海研究协同创新中心，南京 210093） 摘 要：“板块构造”是一门关于固体地球构造演化过程的课程，也是地质学、地球物理学和海洋科学 等地学相关专业的核心专业课程。当前我国高校正在实施 “世界一流学校和一流学科” （简称“双一流” ）建 设，一流的课程建设是高校“双一流”建设的实践路径之一。笔者于 2016 年 10 月至 2017 年 1 月期间，在美 国加州理工学院地球与行星科学系地震实验室访问研修，旁听了该系的“板块构造”专业课程。鉴于加州理工 学院及该校地球科学学科的国际一流地位和本门课程的重要性，笔者拟从这门课程的内容设计、教学方式、课 程考核与教学质量测评等不同维度来介绍这门课程的基本情况，以飨同行。总体而言，这门课在内容上注重板 块构造的运动学分析，突出定量化表达；教学手段上强调以问题为导向的探究式教学，从而激发学生的主动学 习； 课程考核上强调多元、 综合， 平时作业占据相当比重， 突出过程考核和管理； 课后注重教学质量反馈评估。 结合加州理工学院地学院这门课程的教学特点和目前国际上本科教育教学的发展趋势， 本文还对我们国内目前 的本科地学教学改革进行了初步的思考和探讨。 关键词：板块构造 问题导向的教学 过程考核 教学改革 加州理工学院 地球的环境、灾害和资源问题既是国民经济可持续发展和人类社会宜居的有力保障，也是 地球科学面临的课题和挑战。 培养高质量的地球科学专业人才是地学相关院校和专业的重要使 命。课程设计和教学实施是人才培养的基石。 “板块构造”是地质学、地球物理学和海洋科学 专业的核心专业课程，它研究地球的构造演化过程及其伴随的资源、灾害和环境效应。构造地 质学作为地质学的“上层建筑” ，具有综合性强的特点，板块构造则是包括构造地质学、地球 物理学和海洋地质学等在内的多学科综合，着眼不同时空尺度乃至全球尺度的地质构造演化， 是 20 世纪 60 年代固体地球科学领域最为重大的科学发现之一，至今仍影响深远。通过这门课 的学习， 能培养学生从多角度利用资料来解决问题的综合分析能力和关于物质时间空间演 化的地球科学逻辑思维。 当前，我国正在积极推进“双一流”建设，这是继国家 211、985 工程和 2011 计划之后的 *南京大学青年教师境外教学研修计划（0416145002）和南京大学本科教学改革项目（201620B4） 。 大学地球科学课程报告论坛论文集（2017） 64 平台与学科建设新举措，标志着中国高等教育的新起点和新目标。高等教育作为科技第一生产 力和人才第一资源的重要结合点，肩负着人才培养的重要使命。课程教学是高校最基本的“细 胞”单元（课堂）和最主要的工作（教学）的组合，可以说，一流的课程教学既是高质量人才 培养的关键点，也是实现上述“双一流”建设的重要途径之一。实际上，与国际同类课程建设 对比分析，能为我国的地学课程教育教学提供思路和借鉴。为此，笔者受南京大学青年教师境 外教学研修计划资助，于 2016 年 10 月至 2017 年 1 月，赴美国加州理工学院的地球与行星科 学学部访问研修，随堂选修了 Joann M. Stock 教授主持的“板块构造”课程。加州理工学院是 一所世界一流的研究型大学，其地球与行星科学的研究生教育更是连续多年蝉联全美第一，可 谓真正的“双一流” 。本文通过介绍对方这门课程的教学情况和国际上教学教育发展趋势，来 探讨中美地学教育和人才培养的差异， 进而就我国地学课程教育改革提出一点相关思考和建议。 一、加州理工学院及地学部介绍 （一）加州理工学院概况 加州理工学院（California Institute of Technology，简称 Caltech 或者 CIT）坐落在美国西部 洛杉矶东北部约 30km 的花园城市帕萨迪纳（Pasadena） 。它始建于 1891 年，1921 年更名 为加州理工学院，迄今仅 126 年的办学历史，却是美国乃至世界上最知名的顶尖大学之一，同 时也是一所典型的小而精的研究型大学。 校园占地面积约 500 000m2，目前仅设有生物学与生物工程、化学和化工、工程与应用科 学、地球与行星科学、人文与社会科学、数学天文物理六个学部（division） ，每个学部下 设相关的系组或专业。全校在编教授（指助理教授、副教授和教授等）300 余人，在校本科生 约 1 000 人，在校研究生约 1 200 人。这种师资和学生规模放在我国或世界其他国家或地区， 都是一所非常精致的娇小型大学。然而，它的科研质量和人才培养高，享有很高的学术声誉和 地位，在世界各类大学排行榜上都位居前十，英国 Times 甚至连续五年（20112015）把它排 名全球第一。校友及在校教师中的诺贝尔奖得主 35 人次，这也是世界高校校友人均获奖率最 高的大学（千分之一的获奖率） ，图灵奖得主 6 名，Fields 奖得主 5 名。300 名教授中包括美国 科学院及工程院院士 128 人，比率也是全美第一；美国国家科学奖获得者 58 人、国家技术与 创新奖获得者 13 人。尤为值得称赞的是，该校的师生比仅为 13，是全球师生比最低的几个 大学之一。 学生在这里受到了教授们很好的培养和关注。 该校还托管美国航天航空署 （NASA） 下属的喷气推进实验室 （JPL） ， 开展行星探测。 近期， Caltech 因 LIGO 引力波探测而闻名全球。 该校为我国培养了包括钱学森、赵忠尧、周培源、谈家桢、钱伟长、郭永怀、林家翘等在内的 一大批优秀科技人才。近年来，包括南大、北大、清华和中科大等在内的一大批年轻学子在这 里攻读博士学位和联合培养。 （二）加州理工学院地球与行星科学学部概况 加州理工学院的地球与行星科学学部 （Geological and Planetary Science Division， 简称 GPS） 已有 90 多年的办学历史。 1926 年成立地质系， 其历史最早可以追溯至 1921 年由卡耐基研究所 （CIW） 成立的地震实验室 （Seismological Laboratory） ， 该地震实验室于 1937 年归并到地质系， 美国加州理工学院“板块构造”课程的教学特点分析与思考 65 成为 GPS 的前身；此后，结合社会需求和学科时代发展特色，依次拓展到地球化学、地质生 物学、行星科学和环境科学与工程等学科。目前授予环境科学与工程、地质学、地球物理学、 行星科学、地球生物学和地球化学等六个学科的本科和研究生学位。其研究领域除了上述的六 个之外，还涉及海洋科学和大气科学等新兴方向。由此可见，GPS 学部目前涵盖了除地理学以 外的地球与行星科学几乎所有领域，其研究生教育近十年来都一直被美国 US News and World Report 排行榜排为第一，拥有一支高水平的科研教职队伍。 目前， GPS 学部拥有含助理教授、 教授等在内的教职人员 54 名， 其中包括 11 名退休教授； 在读本科生 19 人、研究生 104 人、博士后研究人员 49 人。教职人员中拥有美国两院院士 17 人、 国家科学奖获得者3人； 他们在各类堪与诺贝尔奖相当的世界级地学大奖方面也相当出彩， 包括 Crafoord 奖得主 3 人、Tyler 奖得主 1 人、Kyoto 奖得主 1 人、Kavli 奖得主 1 人。知名教 授包括对地震学做出卓越贡献的 Bern Gutenburg、 Benioff、 Francis Richter、 Don Anderson、 Hiroo Kanamori 等和地球化学学科的 Clair Patterson、 Gerald Wasserburg， 行星科学领域的 Robert Sharp、 Mike Brown 和 John Grotzinger 等。可见，GPS 的师资力量非常强大。 二、 “板块构造”课程情况介绍 笔者在美研修期间，随堂旁听了 Joann M. Stock 教授主讲的核心专业课程（Ge161） “板块 构造” 。Stock 教授在 MIT 获得本科（1981）和博士学位（1988） ，随后在 Harvard 大学执教 （19881992） ，讲授“板块构造” ；1992 年调入 Caltech，继续讲授“板块构造” 。该课为研究 生开设， 但也对本科生开放。 本次课程共有 8 名学生选修， 包括 3 名本科生。 该课配备助教 （TA） 1 名， 由学院的高年级研究生承担， 负责上机辅导、 答疑和问题咨询等。 课程的基本情况如下： （一）内容设计 课程内容设计上以介绍板块运动学为主，此外，还包括相关作图技术和软件培训（赤平投 影、Generic Mapping Tools（GMT）软件和 Linux 系统等） 。核心知识点包括：板块运动、三联 点、海底磁场（磁场倒转的时间尺度、磁场测量方法、磁异常的幅度和形态） 、世界磁异常分 布、瞬时板块运动（角速度、模型） 、板块有限旋转（旋转矩阵、欧拉重建等） 、地震学与板块 构造（全球地震成像、地幔板片、震源机制解、地震矩张量） 、板块边界的地质学（海沟、转 换断层和洋中脊） 、古地磁（视极移曲线、真极移、古大陆重建和板块绝对运动） 、热点与地幔 柱和大陆边缘等内容。 显然，这门课程的内容上突出定量化表达，对学生的数学和物理基础有一定的要求，比如 矩阵分析、欧拉重建和矩张量分析等；另外，课程以解决问题为导向，要求学生能够利用板块 构造原理来分析具体地质问题。 该课程的主要参考书为： Cox A， Hart R B， Plate tectonics： how it works， Wily-Blackwell Scientific Press， 1991； Kearey P， Klepeis K A， Vine F J， Global tectonics（3rd edition） ，Wiley-Blackwell Press，2001； Flower C M R，The solid Earth（2nd edition） ， Cambridge University Press 2004； Moore E M， Twiss J W， Tectonics，waveland press， 2014； Anderson D， New theory of the earth， Cambridge University Press， 2007； Butler R， Paleomagnetism：magnetic domains to geological terranes，Blackwell Science，1991。主要以前 大学地球科学课程报告论坛论文集（2017） 66 三本为主， 最后两本同时配有在线电子版可供下载。 每次讲座的阅读材料来自上述书籍的章节， 一次讲课通常要求 23 个章节的阅读，阅读量大。 （二）教学方式 该课程 9 个学分（units） ，课程教学以讲座、上机实验和课后作业为主。每周安排两次讲 座，每次 90 分钟。Stock 教授的课程讲座基本分为三个模块：首先是暖场（warm up） ，教师利 用图件分析、事件讨论（比如近期的地震活动等）及简要的知识回顾等方式，让学生参与讨论 和分析，进入上课状态；第二模块是教师的讲座，以 PPT 课件和板书为主，板书份量相对更多 一些，PPT 课件材料来自指定的参考书、当前文献和相关资料等，强调动画和视频表达，内容 比较新，但相对跳跃，系统性略差。第三模块是随堂测试（quiz） ，学生两人一组，随机抽取问 题卡，结合课程内容和展示的图件，进行讨论和答题。题目比较简单，大多为客观性题目，以 读图、 问答和简单计算为主。 此外， 学期中间还安排了 2 次上机实验， 一次是 GMT 软件学习， 一次是利用 GMT 软件和 Linux 操作系统，绘制研究区的地震震源机制、地形水深、重力、磁 场等地球物理图件。 课堂气氛比较自由、活跃。教师在课堂上随时提问，问题来自指定的阅读材料和课堂上讲 座的延伸拓展，学生自由回答或点名回答；学生也可就讲座中不理解的内容随时提问，教授给 予回答。此举作为判断学生的课堂参与程度（participation） 。 （三）课程考核 本门课程的考核方式灵活、形式多样，且突出过程考核（表 1） 。开课之初，教师要求每个 学生结合全球主要的俯冲带，自己任选一个研究区（经、纬度均要横跨 20以上） 。考核成绩由 平时作业（problem sets） 、课堂表现（participation） 、期末课程论文（final paper）和口头报告 （presentation）等四方面构成，没安排期中考试。其中，平时作业份量最大，占 50%；课程期 间一共设置了 7 次作业，每次的工作量都较大，包括图件绘制、解读及定量的分析表述，给定 的完成时间为一周。每次作业都围绕自己的研究区逐步展开，每次作业设定 100 分，晚交一天 扣 5 分，晚一周后本次作业成绩取消。但如若有医疗或其他特殊紧急事宜，需要事先与教师沟 通。此外，课堂表现占总成绩的 20%，主要由平时课堂讨论、回答问题及随堂测试成绩来定； 课程论文占 25%，要求提交一篇 46 页的论文，论文围绕自己的研究区，利用平时作业资料和 文献调研，陈述区域构造历史、研究现状、存在问题和提出的研究建议及实现方式和技术手段 等。口头报告占 5%，安排在最后一次课，每个学生 2 分钟内用 2 张 PPT 陈述各自研究区的科 学问题及拟解决的思路等，随后相互提问，2 分钟；口头报告和论文内容一致。 表 1 加州理工学院“板块构造”课程考核方式汇总 考核内容 比例/% 备注 课堂表现 20 随堂测试+平时课堂讨论和回答问题 平时作业 50 7 次作业，100 分/次；晚交一天扣 5 分 口头报告 5 2 分钟陈述 2 张 PPT+Q&A 课程论文 25 46 页、完整论文格式、结合 presentation 美国加州理工学院“板块构造”课程的教学特点分析与思考 67 （四）教学质量评估 为了及时反馈课程教学质量， 学校教务处设计了一个 TQFR （teaching quality feedback report） 问卷（表 2） ，要求选课学生在最后一次课后及时登陆系统，在线完成问卷。评估内容涉及：课 程整体情况（课程内容难度、材料、作业和实验安排等） 、TA 情况（工作态度和帮助度方面） 、 教师方面（上课状态、内容组织逻辑性、课堂互动性等）和课程实验方面（设备、材料和问题 设置方面） ，逐项给出评分，从最差（最负面）的 1 分到最好（最正面）的 7 分之间不等。 表 2 Caltech 的教学质量反馈评估报告表（TQFR） 这个课程有多大的挑战性？ 太容易 1 2 3 4 5 6 7 太难 材料有趣吗？ 无聊 1 2 3 4 5 6 7 很刺激 文本或实验室说明有帮助吗？ 无用 1 2 3 4 5 6 7 N/A 必要 家庭作业或实验室工作有帮助吗？ 无用 1 2 3 4 5 6 7 必要 您对这门课程的推荐程度有多大？ 一点也不 1 2 3 4 5 6 7 非常高 你学到了什么有价值的东西吗？ 没有 1 2 3 4 5 6 7 非常 你的助教有多热情？ 无聊 1 2 3 4 5 6 7 N/A 兴奋 你的助教博识么？ 一点也不 1 2 3 4 5 6 7 N/A 很好 你会推荐这个助教申报教学奖吗？ 一点也不 1 2 3 4 5 6 7 N/A 非常高 对课程讲座（For courses with lectures） ： 评价讲师的组织能力？ 不清楚 1 2 3 4 5 6 7 很清楚 评价讲师传达概念的能力？ 较差 1 2 3 4 5 6 7 优秀 评价讲师与课堂的关系？ 较差 1 2 3 4 5 6 7 很好 评价讲师在课堂上对问题的态度？ 较差 1 2 3 4 5 6 7 接受 评价讲师与单个学生的关系？ 较差 1 2 3 4 5 6 7 很好 讲师有多热情？ 没有 1 2 3 4 5 6 7 兴奋 你对讲师的推荐程度有多大？ 一点也不 1 2 3 4 5 6 7 非常高 对研讨课程（For seminar courses） ： 演讲嘉宾是否合适？ 不当 1 2 3 4 5 6 7 N/A 适当 评价课程的连续性： 混乱 1 2 3 4 5 6 7 N/A 组织好 对实验课程（For lab courses） ： 对你工作提出了多少建设性批评？ 一个都没 1 2 3 4 5 6 7 N/A 很多 实验室材料是否可用？ 绝不 1 2 3 4 5 6 7 N/A 总是 实验室设备是否维修良好？ 绝不 1 2 3 4 5 6 7 N/A 总是 笔者登陆了 Caltech 的课程评估系统，查阅了地学院及其他学院近几年的课程评估报告， 发现所有课程的总体评分大多在 45 分之间，说明学生基本认可学校的教学质量。但笔者也发 现，参与反馈的学生数量整体不高，仅一半左右。学生可推荐那些教学好、评分高的老师参加 Caltech 的校级教学最高奖Richards Feynman 教学奖。该教奖金设立于 1993 年，以 Caltech 大学地球科学课程报告论坛论文集（2017） 68 著名的物理学教授、诺贝尔物理学奖得主 Feynman 教授命名。Feynman 教授在 Caltech 就以讲 课生动、幽默和富有启发而著称，他的费曼物理学讲义 （The Feynman lectures on physics） 是物理学专业学生必读的经典教材。此外，每个学院也有类似的院级教学奖。 三、思考与启示 在 Caltech 研修期间，笔者通过走访调研和查阅相关资料，并结合自身的听课感受，提出 我国今后的地球科学课程教育需要从如下几个方面进行改革，提升教学质量，以适应新时期的 地学人才需求： （一）教学定位从教师为中心向学生为中心的转变 传统的大学课程教学活动以老师为中心，老师在上面讲，学生在下面记；强调的是知识传 授和给予过程，学生被动接受，缺乏自主学习。学习兴趣不大、学习目标涣散，这是老师对学 生学习状态的普遍看法。实际上，如要把学生从“要我学”转变到“我要学” ，需要调整教学 定位和理念，从改进教学方式入手，做好源头控制来提升教学质量。Caltech 这门“板块构造” 课给笔者印象最深的是，教学活动突出了“以项目或问题为导向” ，一开始就给学生分配研究 区域， 所有的作业都围绕各自的区域展开， 结合讲授内容， 学生通过查询相关资料来完成作业、 撰写课程报告。笔者课下与学生交流时，他们虽然反映作业过程投入时间很多（每次作业花费 10 多个小时） ，但普遍觉得收获大，学到了有用的东西，值得投入。相比于传统的教学手段， 这种问题导向的教学强调了学生自我 “发现知识” 的过程， 学以致用， 而不是简单地被动接受。 从教学理念上也是一个把“以老师为中心（teacher-centered approach） ”的知识给予转变为“以 学生为中心（student-centered instruction） ”的知识发现的调整过程。 实际上，国际上也正在探索相关的教学方式转变。Nature、Sciences 和 PNAS 等杂志上报 导了不少类似案例。Tachibana 提出通过设置问题导向的“主动学习（active learning） ”方式来 强化教学效果和学生的课堂表现。Fukami 等则强调在教学活动中开展“探究性教学 （inquiry-based teaching） ” 。Granger 等通过对比“以学生为中心”和“以老师为中心”这两种教 学方式，来讨论其效果。 另外， 培养学生“创新性、 批判性思考 （creative and critical thinking） ” 被认为是教学活动的关键所在。显然，上述国际研究为我们探索教学考核方式提供了有益的视 角。 （二）地学课程内容从定性描述向定量表达的转变 经过最近几十年的快速发展，现代地球科学已经进入多学科交叉、综合性和定量化发展阶 段，传统那套基于定性描述、分类和对比分析的地学课程教学模式已然跟不上现代学科发展和 人才培养的要求。实际上，国外的地学课程教学注重定量化和过程分析，强调数学和物理学基 础。笔者在调研国内高校“板块构造”等相关课程时，发现更多地从研究历史入手，定性描述 板块变形和地质演化过程，强调地质观察和事实。Caltech 的课程则强调定量化表达和解决实 际问题，讨论板块的有限旋转和瞬时运动模型、海底磁条带解译和综合分析等内容。教学内容 的侧重点上与国内的教学形成强烈反差。 实际上，美国基金委地学部（NSF-GEO）组织相关专家于 2002 年发起讨论并形成的构 美国加州理工学院“板块构造”课程的教学特点分析与思考 69 造地质学与大地构造学的新起航（New departures in structural geology and tectonics） 白皮书中， 对地学教育和新一代构造人才培养方面提出了新要求， 特别强调要在构造地质学和大地构造学 课程中大量引入定量化手段，加强学生的数学、物理和连续介质力学等方面的基础。Caltech 要求所有大一新生必修物理、数学等核心课程，他们的数理基础扎实，为今后从事地学相关研 究打好了基础。由于历史原因，我们国内地学专业学生的数理基础普遍薄弱，这可能是推行起 来较为困难的原因之一，但要朝着这个方向努力。 （三）课程考核方式从单一走向多元、综合和过程的转变 考核是整个课程学习中的重要环节，也是提高教学质量、检验教学效果和培养合格人才的 重要手段。然而，国内目前的大学课程考核方式仍以检测学生课程学习的书面闭卷考试为主， 存在不少问题，突出表现为重知识、轻能力；重结果、轻过程；考核方式单一，评价效果有限 等方面。这种传统的考核方式既不利于课程建设和发展，也直接影响人才培养的质量。 只有改革传统的考核方法，才能真正反映学生的综合知识技能水平，只有采取灵活多样的 考核方法，才更加有利于培养具有创新精神和实践能力的合格人才。Caltech 的课程考核给我 们一些启示：他们注重课程的过程考核，平时作业占据的比重大；强调多元方式和综合考核， 考察学生对知识的理解和运用能力，突出考察解决问题的能力。为了全面有效地评估学生的真 实学习状况，课程考核应本着“以学生为主体、以能力测试为中心、以提高教学质量为根本” 的原则，改变以往的单一试卷考核方式，构建多元化、全程性、综合性的新考核模式，使传统 考核方式与过程性考核、实践性考核及能力考核相结合。此外，地学具有其特殊性，野外和标 本测试等实践性考核应该占有一定的份量。 正值国内高校的“双一流”建设时期，课程教学建设是实现这一战略目标的路径之一。狠 抓教学质量，培养高层次地学人才是地学相关院校和专业的使命。他山之石，可以攻玉。国际 化比较视野能够为国内的教学改革提供思路。一方面，各校通过引