新工科背景下地球科学前沿课程体系与教学方法改革

摘要：我国新工科的建设对专业课程的建设提出了新的要求。文章以地质类和相关工科专业的地球科学前沿课程为例，在剖析地球科学前沿课程主要内容和课程特点的基础上，提出新工科背景下地球科学前沿教学中的新理念，并以此为基础，通过课程体系改革，使学生通过课程学习，既能掌握地球科学前沿的相关基础知识，又能树立社会主义核心价值观，提高自主创新能力。关键词：新工科；地球科学前沿；课程思政；创新能力一、引言地球科学前沿是地质类专业的基础课程，也可以作为相关工科专业的通识课程。其主要内容包括地球相关的基本概念，地球的形状与大小等物理性质，地球的内圈、外圈等结构，地壳及其演变，岩石及岩石圈板块构造，地质年代，地质构造，构造运动，变质作用，风化与风的地质作用，地面流水和地下水的地质作用，冰川和浊流的地质作用，海洋的地质作用与搬运作用，沼泽和湖泊的地质作用，崩塌和潜移的地质作用等内容。近年来，教育部正在稳步推进新工科的实施，需要一些新的理念、方法和体系在传统工科课程的教学中贯彻落实，达到新工科对学生培养的要求。基于此，笔者系统阐述了新工科背景下地球科学前沿教学中的新理念，新理念引导下的地球科学前沿教学体系改革，地球科学前沿新教学体系的教学方法等内容。二、新工科背景下地球科学前沿教学中的新理念新工科建设是在传统工科的基础上，更加注重创新、创业和实践能力的培养，该导向并不是在传统工科专业的课程体系中增加创新创业类课程，而是要求所有课程都能耦合跨学科知识点，融合产学研，具有一定的国际视野，并且结合课程思政等建设，达到培养复合型和创新型人才的课程目标，从而支撑毕业目标的达成，使培养的人才具有一定的社会责任感和突出的个性化发展特点。结合新工科建设的要求，在教学过程中，地球科学前沿课程贯彻的新理念应包括几个方面。（一）耦合跨学科的知识点在地球科学前沿课程中，地壳的演化、地质构造以及不同外力的地质作用是主要知识点，而这些知识点又与其他学科密切相关。例如，与水相关的地质作用，无论是地表水、地下水，还是海洋、湖泊等的地质作用，都与水文循环相关。因此，在地球科学前沿的教学过程中，教师应注重与教材外其他知识点的耦合，使学生在学习完专业基础课程后，还能学习课外更加丰富的知识。（二）产学研相融合产学研相融合是实现新工科建设的主要途径。地球科学前沿是一门实践性非常强的学科，但地壳的运动和构造运动等内容比较枯燥乏味。在实际教学过程中，教师要将煤、石油、天然气的开采相结合，尤其是增加一些井下作业的照片作为引导，加深学生对概念的理解，使学生在了解课本知识如何有效地应用到实际工作中，提高学生解决复杂问题的能力。（三）国际化视野新工科建设对培养学生国际化视野提出了更高的要求。也就是说，在课程教学过程中，教师不仅要注重本地特色和本国国情，还要强调国际化趋势和国际动态。地球科学前沿课程以地球为研究对象，在教学过程中，教师要将全球不同区域的各类地质运动紧密联系在一起，同时启发学生了解外文书籍和文献。（四）课程思政元素课程思政与思政课程的统一建设是新工科人才培养过程中的重要的手段。地球科学前沿课程是人、地球、宇宙三者之间的关系，需要学生运用唯物主义辩证法的思想系统学习发展与矛盾、局部与整体等观点，最终掌握自然规律、科学规律、技术发展、社会发展之间的关系，达到培养学生科学、严谨的思维方式的目的。三、新理念引导下地球科学前沿教学体系改革（一）地球科学前沿跨学科知识点的分析与整合地球科学前沿中的主要内容可以分为三大部分：地球的性质及构造运动，关于地壳的运动，关于外力作用下的地质作用。因此，在教学过程中，首先，教师可以从不同的概念入手，并对概念进行外延，逐步达到将相关概念全部联系起来的目的。其次，教师应以概念为基础，对相关知识结构进行串联和并联。以板块构造为例，教师可以从化石和岩石、古生物和古气候、构造结构和地貌形态等方面展开教学，然后逐渐扩展到对板块构造的类型及其特征进行解释。最后，教师要系统地讲解“为什么会存在地质作用”“不同外力所產生的地质作用的机理是什么，有什么区别和联系”，使学生能更好地把课程知识点连接起来，达到课程学习的目的。（二）地球科学前沿中知识点与课程思政元素的映射地球科学前沿中的思政元素主要包括地质精神、可持续发展和工匠精神等。首先，地质精神是我们国家精神品质的重要组成部分，包括爱党爱国的政治素养、终身奉献的价值品质、求真务实的工作风气、开拓创新的创新精神、自强不息的生活态度，从而与地质勘探与开发等知识点相映射。其次，工匠精神包括精益求精的工作态度、“不忘初心、牢记使命”的政治品质，爱岗敬业的职业精神和追求卓越的创新精神，与地质作用和工程地质等知识点相映射。最后，可持续发展是地球科学前沿课程中的一个重要思政元素，包括尊重自然、人与自然和谐相处等理念，与地球演化知识点相映射。（三）地球科学前沿中的创新精神培养创新精神是新工科建设中对课程目标的新要求。在教学过程中，教师要努力挖掘通过课程学习达到创新精神培养目标的新途径。地球科学是一个充满未知的领域，有许多未解之谜等待人们去探索。因此，在教学过程中，教师可以采用分组讨论、引导式讨论等教学方式，鼓励学生思考问题和发现问题，敢于挑战未知。地球科学是一个不断发展和变化的学科，新的知识和发现不断涌现。因此，教师要想培养学生的创新精神，就要鼓励学生不断学习新知识，引导学生更新自己的知识结构，提高自己的专业水平，能做到与不同领域的专家共同合作，有效解决问题。地球科学还是一个需要实践的学科，学生要想强化创新精神，就要善于实践，善于创新，善于将理论知识转化为实际应用，善于将创新思维转化为创新实践。（四）基于新工科理念的地球科学前沿知识点重构基于以上分析，教师可以将地球科学前沿知识点重构为基本理论、技术方法和发展前沿三个方面。基本理论包括地球、岩石、矿物、圈层构造、板块构造等基本概念。在教学过程中，教师可以贯穿地质精神等思政要素，引导学生进行基础理論探索。技术方法介绍了不同的外动力载体的地质作用及其影响因素和地质年代确定的方法。在教学中，教师可以融合工匠精神等思政元素，积极培养学生将理论知识转化为实际应用的创新精神。发展前沿着重介绍了地球形成与地球演化、人类活动与资源环境等知识，并贯穿可持续发展的思政要素。在教学中，教师可以培养学生融合不同领域知识的创新精神。四、地球科学前沿课程的教学方法（一）课程讲授与专业实践相结合地球科学前沿课程是一门实践性非常强的学科，学生需要通过野外的观测才能掌握课程知识点。例如，针对岩石类型、矿物类型、岩石形成年代、断层等知识点，教师可以带领学生在嵩山地质公园进行野外讲解，使学生通过野外的现象观测，做到理论联系实际，并通过课堂讲授与野外实践相结合，把课本知识转化成一种创新能力。教师还可以鼓励学生参与关于地球科学前沿的大学生创新创业活动、大学生地质工程技能竞赛、大学生节能减排竞赛等活动。（二）基础知识与学科前沿相结合在地球科学前沿课程改革过程中，授课内容除了一些课本基本知识外，教师要结合平常的科研经验和学生的一些新探索，及时调整和改进课程内容，逐步实现基础知识与学科前沿的结合。例如，针对2023年发现和开采富满油田、巴彦油田等油气田这一事件，在教学中，教师可以结合中国科学院2022年研究前沿发布暨研讨会中提到新兴前沿——关注油藏储层表征的角度，讲解油气田的形成、预测油气田的储量、引导学生思考不同油气田的开采难度等问题，使学生达到从学习到研究的课程目标。（三）教师教授与学生自我学习相结合教师不仅是知识的传播者，还是思想的引导者。因此，在教学过程中，教师应帮助学生养成良好的学习习惯和思维习惯，引导学生掌握良好的学习方法。例如，在讲授地表水和地下水的地质作用时，教师除了要让学生理解地质作用，还要引导学生思考“地表水和地下水为什么会产生地质作用，其原理是什么，地质作用的产物是什么，对地质作用的认识如何应用在实践中”等问题。同时，在教学过程中，教师可以引导学生阅读中英文文献，深刻理解地质作用在能源勘探、资源开发、环境监测等领域的最新应用，帮助学生达成课程目标。除了课堂式的教学外，教师还可以引导学生观看地质工作相关的电影，如《年轻的一代》《攀登者》等，使学生更加理解地质工作者的精神面貌，体会老一辈工作者艰苦朴素的工作作风，达成地球科学前沿课程目标。（四）新一代信息技术的应用新一代信息技术的蓬勃发展被称为第四次工业革命，极大地促进了地球科学领域的发展。因此，地球科学前沿课程的教学改革必须与新一代信息技术相融合。首先，大数据