地球系统科学创新人才培养模式探索与实践

来源:用户上传      作者: 王　颖　赵连泽　吴小根　蒋全荣　邵　进　陈云棠

　　摘要：为适应地学学科发展和创新人才培养需要，2000年以来，南京大学地学院以强化“大理科”与“大地学”学科基础，以培养创新精神和创新能力为教学改革的总体指导思想，依托综合大学学科齐全，基础研究实力雄厚的优势，引入“地球系统科学”的理念，整合南京大学的国家地质学理科基地、地理学理科基地和校内大气科学理科基地为南京大学“大地学人才培养基地班”，创建了以“三层次”课程体系、“三元结构”教学模式和“一整套创新训练机制”为特征的“三三一”地球系统科学创新人才培养模式。
　　关键词：地球系统科学；大地学；创新人才；培养模式
　　
　　一、地球科学高等教育教学改革背景分析
　　
　　1、地球系统科学的特征
　　当代人类社会发展面临着严峻的人口、资源、环境等问题，作为一个研究人与地球关系的综合性学科，地球科学已突破传统学科界限，成为21世纪人们最关注的学科之一(王德滋等，2001)。当代地球科学发展具有显著的地球系统科学(大地学)特征：(1)强调不同时空尺度基本地球过程及其相互作用，其时间尺度从几秒钟的地震到几十亿年的地球环境演化，空间尺度从微细矿物研究到全球环境变化；(2)重视应用现代观测、探测、实验和信息技术对海量数据的系统采集、积累与分析；(3)强调地球系统的整体行为、各圈层的相互作用、自然系统中的物理、化学、生物过程和人文因素的耦合以及全球与区域、宏观与微观、地球环境与生命过程等紧密结合；(4)地球系统科学的复杂性和探测技术、实验技术以及信息技术的广泛应用，使前沿基础研究与高新技术发展融为一体。
　　地球系统科学的发展使人们对资源、环境、灾害的认识程度和研究方式发生了重大变化。对资源找寻的视野逐步从地球表层走向深部，从陆地走向海洋，走向近地空间，从单纯地注重矿产资源的找寻逐步转向以可持续发展为目标的资源合理利用与环境保护并重；对环境问题的关注已从局部走向区域，走向全球，从单一污染物的研究转向复合污染的形成机理与防治研究：从生态系统结构、功能的研究延伸到生态系统的维持与退化生态系统的修复，并从生态效应深入到人体健康，推动绿色生产；对自然灾害的研究也从定性走向定量监测、预警、预报以及灾情评估于一体的综合研究。地球科学又一场新的革命性突破正在来临，我国在世纪之交的地球科学战略部署中，已经十分明确地将地球系统科学定为基础研究与应用基础研究的总方向(赵连泽等，2006)。
　　
　　2、地球科学高等教育的历史使命
　　长期以来，国内高校在地球科学人才培养中，都是按照地质、地理、大气、环境等各传统分支学科的各自模式独立培养的，这种培养模式限制了地球科学各分支学科的交叉与融合，培养的学生知识面较窄，难以适应21世纪地球系统科学发展的需要，也不利于学生创新能力的培养。
　　近几年来，中国科学院地学部曾多次组织院士与教育部及有关高校负责人召开研讨会，探讨中国地学教育的未来发展问题，并完成咨询报告(中国科学院地学部地学教育研究组，2003)。咨询报告明确指出：“社会对于地球科学的需求，和社会的发展程度密切相关，地学教育也是国民素质教育的重要组成部分，从我国地球科学教育的未来着眼，当代地学创新型人才的知识结构与综合素质培养也必须要与地球系统科学的发展趋势相适应”。2006年10月11－14日在西北大学召开的全国高等学校地球科学教学指导委员会第一次全体会议上，主任委员张国伟院士指出：“21世纪人类社会发展向地球科学提出了新的重大需求，地球科学正处于新的重要发展时期，建立地球系统科学，并以地球系统科学的理念加强地学各分支学科的研究，从而发展、构建新的更高层次的地学理论与知识体系，已是当代地球科学发展的必然趋势和方向”。地球科学的发展要求地学本科人才培养的课程体系、课程内容与形式必须进行大幅度的改革与创新，建设创新人才培养模式，造就新一代高素质地学创新人才，以满足21世纪国家基础科学研究和国民经济发展对新一代地学人才的需求。
　　
　　二、南京大学的探索与改革
　　
　　地球复杂、开放的大系统，其表层的大气圈、水圈、岩石圈、生物圈及其相互作用和有机联系是地球系统科学的重要内容，也是21世纪地学教育的核心内容。针对地学教育按圈层设系，相互交叉融合不够的现状，南京大学地学院三系自1999年起酝酿如何联合培养地球系统科学(大地学)人才，提出了打破以圈层为界的人才培养界限，按“大地学”口径培养地学人才的设想(王颖，2001：王德滋等，2001)，得到了全国高等学校教学研究中心原常务副主任陈祖福的支持，并于2000年申报并获得教育部世行贷款21世纪初高等教育教学改革重点项目――“地学类创新人才的培养方式与实践”。在此教改项目带动下，南京大学地学院在国内率先开展了地球系统科学创新人才培养的探索与实践。
　　
　　1、开办大地学基地试点班
　　南京大学自2001级起，每年从新生中挑选60名学生组成地球系统科学(大地学)基地班，其中地质学24名，地理学15名，大气科学21名。截至2006年已招收6届，累计招收本科学生356名，按上述新的培养模式实施培养。
　　为激发大地学基地班学生热爱地球科学的热情、培养他们学习地学专业的浓厚兴趣，地学院为地学基地班开设了地球系统科学系列专题讲座，主要安排在1－2年级，每学期由地球科学系、城市与资源学系(现地理与海洋科学学院)和大气科学系各安排1－2位著名学者(包括院士、资深教授和中青年骨干教师)为学生作相关专业基础知识和学科发展趋势的科学讲座。如王德滋院士、王颖院士、伍荣生院士分别为地学基地班学生作了题为“20世纪地球系统科学重要进展”、“全球变化与海岸海洋科学进展”、“大气科学的现况、展望与问题”的科学讲座，开阔视野，启迪兴趣，深受学生的欢迎和好评。
　　
　　2、明确教学改革思路和目标
　　(1)更新教育观念。地学教育以培养基础研究和应用基础研究人才为宗旨，它的起点虽是本科，但后续教育应是硕士和博士；针对地球科学发展趋势和国家对创新人才培养的需求，在教学改革实践中，按照“专业培养与素质教育相结合、知识传授与能力培养相结合、教学与科研相结合”的教育思路：在加强基础、拓宽知识面的同时，又充分体现地球系统科学特点，培养学生个性发展，落实南京大学提出的“以学科群打基础，多次选择，逐步到位；学生早期进行科研训练，按一级学科交流、贯通；本科－硕士培养”的教育理念。
　　(2)创新培养模式。通过教学改革实践，探索创建具有大理科基础、大地学特色的地球系统科学创新人才培养模式：建设并完善三层次课程体系和教学内容，编写出版高水平的专业教材，建设现代化的实践教学基地；加强基础，拓宽知识面，注重培养学生个性发展；力争做到“两通”：即地学各学科横向打通，本科生、

研究生教育纵向打通，培养基础宽、能力强、适应面广的新世纪地球科学人才：积累教学运行和教学管理的思想与方法，建设新型的教学队伍。
　　
　　3、改革教学内容重组课程体系
　　根据地质学、地理学和大气科学专业特点，以及地球系统科学发展趋势和国家对创新人才的需求，通过对现行的课程体系和教学内容进行改革和重组，创建了强化大理科基础、体现大地学特色与自主专业选修的三层次课程体系。课程体系总体结构包括通修大平台课程、大理科平台课程、地学模块核心课程、各专业核心课程、各专业主干课程、各专业选修课程、科研训练课程及毕业论文：相应的教学计划第一学年为公共基础课，设置通修大平台课程和大理科平台课程，第二学年设置地学模块核心课程和地质学、地理学、大气科学各专业核心课程(选修)，第三、第四学年设置各专业选修课程、科研训练课程及毕业论文等。这样的课程体系和教学计划安排，旨在通过大平台课程加强通识教育，通过设置大量的选修课程可以为培养个性化人才提供足够的时间和空间。
　　较之改革前的传统课程设置，第一层次增加了数学、物理、化学、外语、计算机基础课程学分，由南京大学基础教育学院统一负责相关课程的教学安排，按南京大学理科要求强化基础，为后续课程铺路，启迪持久的学习能力和构建合理的知识结构；第二层次增设了地球科学学科群基础课，确定“地球科学概论”、“大气科学概论”、“环境科学导论”和“遥感与地理信息系统”为4门课程为大地学基地班学生必修的学位课程，体现大地学学科交叉融合之特色；第三层次包括专业主干课程和专业选修课程，由地质学、地理学、大气科学三个学科推荐选出10门课程作为交叉互选课程，这些课程是：现代气候学原理、大气探测基础、天气学、天气学实验、海洋科学导论、自然地理学、人文地理学、第四纪地质学、普通地质学、现代测试技术与应用等，其余的专业主干课程和选修课程由三系自行确定，增加了专业选修课程特别是跨专业交叉选修课程的比例，有利于学生的自主专业选修。
　　在此基础上，我们还系统地组织教师修编了相关专业课程的教学指南和教学内容，在学校“985工程”一期教改经费的支持下开展了30多门专业课程的建设工作，在专业课程教学中注意培养学生个性发展并与研究生教育相衔接。
　　
　　4、加强实践教学环节
　　针对地球科学具有实践性、综合性强的特点，我们在安排教学工作过程中，坚持和完善“课堂教学一科学实验一社会实践”相结合的三元教学模式，采取相应措施加强基础课程和专业基础课程等课堂教学，不断完善实验课程体系和实验教学过程，同时特别注重抓好野外实习教学环节和地学野外实习教学基地建设工作，为培养学生的实践能力创造了良好的支撑条件。
　　在野外实习教学基地建设方面，“十五”以来我们进一步完善了南京汤山和安徽巢湖地质学教学实习基地、江西庐山和江苏连云港地理学教学实习基地、上海中心气象台、江苏省及安徽省气象台大气科学教学实习基地，为学生创造良好的野外工作条件和生活条件，使本科学生的个性化培养、创新能力训练有了理想的硬件条件和科研环境。近几年来，上述地学野外实习教学基地已实现校内教学资源共享，在我校地质学、地理学和大气科学等专业野外实习教学过程中发挥了重要作用；不仅如此，另有国内20余所高校也利用我校建立的野外实习教学基地开展了相应的野外实习教学，起了开放和辐射的作用，也扩大了影响。
　　为进一步加强学生实践能力的培养，我们在学校的大力支持下，在大地学基地班教学计划中增加了选修的野外调查实习教学内容：如为期2周的西部地区地学综合调查教学实习，内容包括黄河上游兰州段的河流地貌、黄土地貌与成因、水土流失与生态环境保护、西部干旱与沙漠化及防治，天山地质与地貌、生态特征、植被与土壤，西部内陆大陆性气候与东部沿海海洋性气候的差异等。
　　在探索实习教学的国际化方面，2006年暑期，我们组织了2003级大地学基地班学生开展了两项国际合作教育交流实习教学：一是与俄罗斯伊尔库茨克国立技术大学合作开展了为期19天的贝加尔湖地区地质、地理、生物综合调查野外实习教学，二是与美国加州理工学院合作开展了为期2周的新疆天山地区地学综合调查野外实习教学。积极探索采用“研究性实习教学”方法，注重培养学生发现问题和分析、解决问题的能力。考察前，学生在教师的指导下确定研究课题，完成开题报告。考察结束后，学生以项目小组为单位进行研究课题的答辩。同学们通过上述实习直接观察到了大量地学景观和现象，与外国同行师生共同开展野外调查和面对面的交流，开阔了视野，促进了多学科知识的交叉互补，激发了他们对地学研究和地学事业的兴趣和热情，提高了他们开展地学野外调查和综合分析的能力以及锻炼了体力与意志。
　　
　　5、构建了一整套学生创新训练机制
　　在南京大学的统一规划下，地学院积极实施富有创造能力学生培养计划，大地学学生创新训练计划等，鼓励学生早期介入科学研究，形成了一整套学生创新训练机制。学院成立专门的学生创新训练专家指导委员会，设立学生科研创新项目，给学生配备研究导师，开放专业实验室，营造浓厚的学术环境和氛围，培养学生早期科研兴趣与意识。
　　南京大学地学院三系采取多种措施鼓励学生开展早期科研训练，除了实行导师制即在二年级末通过师生互选确定指导老师、实现师生一对一的科研指导外，自2003年以来，还针对三、四年级学生推行“大学生创新研究基金”，资助学生的早期创新性科研训练项目，每个项目资助额度为1000－4000元不等，由学生撰写申请书、自由申报，经各系组织专门评审后择优分级资助(资助率在60％左右)，获得资助的项目，由学生自主管理研究费用，在老师指导下完成科研训练过程，编写结题报告(学年论文或毕业论文)，参加学校一年一度的基础学科论坛交流和论文评选，组织论文报告会。逐步形成了以导师制和“五种报告(论文)”为特色的早期科研训练机制。通过这一完整的科研训练，使学生的自由探索和参加科研的期望得以实现，并在实施过程中锻炼了学生的科研项目申请与管理、资料收集、报告编写、论文撰写、科研协作等的科研工作能力。
　　同时，我们还鼓励高年级学生积极参加由研究生主办的两周一次的地学沙龙，增加大学生和研究生的沟通与交流，模糊研究生和本科生的学制界限，让他们提前体验开展科学研究的学术氛围，激发他们探索科学的兴趣和钻研精神。此外，我们还积极资助学生参加各种专业夏令营、报告会等科普、科研活动，以锻炼学生的表达能力，拓宽专业知识面。
　　
　　三、教学改革与人才培养的成果与展望
　　
　　1、已经取得的阶段性成果
　　(1)教学获奖情况。近年南京大学来地学院共获得省部级以上单项教学成果奖7项；18门课程获得省部级以上精品课程称号或高校优秀课程奖，其中“地球科学

概论”和“现代天气学原理”被评为国家精品课程；编写出版了各类教材30余部，其中出版普通高等教育“十五”国家及规划教材6部、入选普通高等教育“十一五”国家及规划教材7部，“地球科学”被列入国家精品教材建设计划；围绕地球科学人才培养以及相关课程和教材建设内容，撰写发表教学研究论文30多篇。
　　(2)培养优秀学生情况。自2001年以来招收地球系统科学(大地学)基地班学生6届356名，实施“三三一”地球系统科学创新人才培养模式，大部分同学确立了稳定的专业思想，愿意为祖国地球科学事业贡献力量，至今已有2届120位本科毕业生，他们的研究生录取比例在70％以上，为国内多所知名研究机构和高校输送了高质量的研究生生源，此外还有多名学生赴美国、加拿大、瑞典等国深造。
　　南京大学地学院按照新模式培养的大地学基地班学生普遍具有宽厚的理科和大地学基础、良好的科学素养和知识结构、较强的实践和科研能力、良好的深造和发展潜力的群体特征。
　　
　　2、进一步推进教学改革的计划
　　(1)完善通识教育平台建设。为了进一步深化教育教学改革，拓宽学生的知识基础，培养全面发展的高素质人才，提高学生的创新意识和创新能力，南京大学将积极探索由专业教育向通识教育人才培养模式的转变。为探索适合南京大学学科特点的通识教育模式和在通识教育基础上的个性化人才培养体系，探索并积累研究型教学的实践经验，南京大学已于2006年3月正式组建匡亚明学院。目前，匡亚明学院设置数理、化生、地学、人文和社会5大模块13个一级专业分流方向。南京大学地学院大地学基地班被纳入匡亚明学院，实施“2+2”培养与分流模式：大地学基地班的教学计划和学籍在大一、大二两年由匡亚明学院统一管理和组织，第一学年末学生可以跨模块或专业流通，人数控制在各个基地班的20％－30％从第五学期开始，各个专业基地的学生分流到其所在院系，并按各自院系的教学计划组织教学和进行学籍管理。
　　(2)将教学改革纳入“985工程”二期重点项目规划。2005年12月，南京大学地学院申报的“地球系统科学野外基础实习基地建设与创新研究及大地学实验教学示范中心建设”项目作为“985工程”二期教学改革重点项目获得正式立项，共获得投入近480万元。该项目旨在通过教学改革实践，促进地质学、地理学、大气科学等多学科的交叉融合，在相应的学科群基础课和专业选修课以及野外实习教学过程，促进各学科专业教师、实验室、野外实习基地等教学资源的共享，促进办学效益的提高。项目的侧重点在于建立和完善全新的野外实践教学体系，包括教学内容精选与拓展、野外研究性教学方法的创新和现代化教学手段的实现；在进一步完善野外基础教学实习基地建设的基础上，建设适应地球系统科学创新人才培养需要的现代化实验教学示范中心。
　　(3)建立一支结构合理、治学严谨、教学和科研水平高、掌握现代科技方法，能满足地学创新人才培养和知识创新需要的教师队伍。一是要吸引名教授尤其是科研水平高的中青年教授上本科生基础课，在教学教师队伍的建设方面真正做到科研和教学相融合，加强对名师教学经验与资源的总结、研究和推广，提高南京大学地学院教学研究的水平，努力构建一支“名师加教学创新团队”的优秀教学队伍；二是着力培训青年教师，通过规范管理，加强青年教师的教学工作培训，尽快提升青年教师的教学水平，确保教学质量。
　　
　　[责任编辑：杨裕南]

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