面向地球物理拔尖学生的课程体系设计研究

2024-06-20黄狮勇袁志刚倪彬彬丁浩林仁桐

高教学刊 2024年16期

黄狮勇　袁志刚　倪彬彬　丁浩　林仁桐

摘要：该文以武汉大学弘毅学堂地球物理班为例，深入剖析当前地球物理专业课程体系的特点及其存在的主要问题。针对这些问题，从优化课程体系、教与学相互融合、个性化培养等多个方面提出优化设计方案。通过对深入挖掘现有的阶梯式课程体系进行全面重组，打破传统学科之间的壁垒，拓宽课程涉及范围，加深课堂教学与实践的结合，调整教学与自主学习，注重学生的个性化发展等思路，对面向地球物理拔尖学生的课程体系进行设计研究，为培养出具备创新能力和实践经验的地球物理学跨学科交叉型人才奠定坚实基础。

关键词：拔尖人才培养；地球物理学；课程体系设计；交叉学科；培养体系

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2024）16-0041-04

Abstract： Taking the geophysics class of Hongyi School in Wuhan University as an example， this paper analyzes the characteristics of the current geophysics professional curriculum system and its main problems. In response to these problems， optimization design solutions are proposed from various aspects such as optimization of the curriculum system， mutual integration of teaching and learning， and personalized cultivation. Through the comprehensive reorganization of the existing ladder curriculum system， breaking the barriers between traditional disciplines， broadening the scope of the curriculum， deepening the combination of classroom teaching and practice， adjusting teaching and independent learning， and focusing on the personalized development of students and other ideas， the design and research of the curriculum system for geophysical top students has laid a solid foundation for the cultivation of interdisciplinary and cross-disciplinary talents in geophysics who have the ability to innovate and have practical experience. This has laid a solid foundation for the cultivation of interdisciplinary geophysical talents with innovative ability and practical experience.

Keywords： cultivation of top talents; geophysics; curriculum design; cross-disciplinary; training system

地球物理学是一门应用性较强的基础学科，是地球科学的主要学科之一。它研究地球及其周围空间环境的物理性质和运动规律，为人类提供对地球及其周围空间环境的科学认识。地球物理学的研究成果在石油和天然气勘探开发利用、地震、火山、滑坡和岩爆等自然灾害的预测与预防、地球生态环境保护与监测等众多国民经济建设中具有重要意义的产业部门或高科技领域中有着广泛的应用。然而，当代地球物理学面临着严峻的挑战。自然灾害、能源需求急增、资源短缺、环境恶化等众多问题直接威胁着人类的生存与进步，而空间开发国际竞争则直接关系到国家安全和利益。因此，地球物理学家必须投入研究和解决一系列严峻和跨学科性的挑战性问题。为了应对这些挑战，地球物理学需要不断地进行改革和创新。其中，交叉学科的发展成为了重要的趋势。2020年8月，“交叉学科”成为了第14个学科门类，这意味着学科的交叉融合是未来科学发展的必然趋势，是加速科技创新的重要驱动力。因此，地球物理学也需要按照学科交叉的方式进行融合式培养[1]。

地球物理学包括两个二级学科：空间物理学和固体地球物理学。该一级学科对应的本科专业为地球物理学（专业代码：070801）。目前，绝大部分的国内外高等院校对地球物理学本科生的培养只按照固体地球这一个二级学科设置课程体系。比如本校地球物理一直按照固体地球物理来设置课程体系，中国地质大学按照勘探地球物理方向来培养地球物理学的本科生。基于这些课程体系，培养的学生往往知识面不够宽广、数理基础不够扎实、综合性不够。地球物理学是涉及海陆空三界的广泛学科，是天文、物理、化学、地质学等学科之间的交叉学科。作为一个天体来研究地球，地球物理学和天体物理学是分不开的；当研究对象变成地球构造和演化时，地球物理学又和地质学形成了密切联系。地球物理学所探讨的范围远不止此，它还包括大地测量学、海洋物理学、气象学和大气物理学、空间物理学和固体地球物理学等众多学科[2]。因此，地球物理学实质上是一个交叉学科。2020年8月，“交叉学科”成为第14个学科门类，这意味着学科的交叉融合是未来科学发展的必然趋势，是加速科技创新的重要驱动力，地球物理拔尖学生的培养也应按照学科交叉的方式进行融合式培养。

习近平总书记指出，“人才是创新的第一资源”[3]。面向地球物理拔尖学生的课程培养体系需要进行改革，必须以跨学科交叉融合培养和大类培养为基本思路，有机结合地球物理学各个二级学科的课程，结合当前国内外地球物理学排名靠前院校的课程设置，建立完善的地球物理拔尖学生的课程体系。武汉大学弘毅学堂地球物理班正是面向地球物理拔尖学生的跨学科交叉培养目标而建立起来的。本文系统地分析了武汉大学地球物理学专业现有培养体系现状及存在的问题，并基于学校优势和培养人才的经验，提出了面向拔尖创新人才培养的地球物理课程体系优化设计方案。

一武汉大学现有地球物理专业课程体系分析

地球物理学由空间物理学和固体地球物理学两个二级学科组成。这两个二级学科的建设分别依托于武汉大学电子信息学院和测绘学院。

武汉大学有门类齐全的学科和丰富的教学科研平台，地球物理学专业有全国A+学科和“双一流”建设学科的优势，与地球物理相关的固体地球物理学、大地测量学、空间物理学、电子信息、计算机科学、人工智能等在武汉大学都是优势学科，可以为多学科的深度交叉融合课程体系提供支持。武汉大学地球物理学在专业培养方面先期已开展了一系列探索，积累了有益的专业改革经验。武汉大学在2014年创办“质廷试点班”（简称“质廷班”），目标是继承著名空间物理学家桂质廷先生的学术风范和科学精神，培养一批数理基础扎实、实践能力强和富于创造力的空间科学新人，使之具备成为学术中坚和业界领袖的潜力。2015年获批“3+3+3”地球物理专业（主要是固体地球物理）本硕博衔接培养模式，实现本科教育与研究生教育资源共享的一体化培养，保证学生科研的持续性、深入性，强化学术科研训练。

现有的地球物理学专业课程体系由三大课程模块组成：公共基础课程（55.5学分，其中全校必修28学时、学院选修27.5学分），人文教育与通识教育课程（12学分），学院专业课程（72.5学分，其中专业集中实践13.5学分，专业选修课程25学分，专业必修课程34学分），共计140学分。理论课程学时计算标准：16学时×学分数；各类实验实践类课程学时计算标准：军事训练、集中性实践教学环节学时=8学时×天数；各类实验课程、毕业论文（设计）学时=24学时×学分数。现有课程体系囊括了人文通识教育、社会学科、数学物理基础与地球物理学专业课及实践环节，在学科涉及领域上体现了综合性大学的人才培养理念，选修和实践学分与必修学分基本持平，体现了专业选择的自主性。

然而，面向地球物理拔尖人才培养需求，本课程体系存在以下典型问题。①基础课程与专业课程跨度过大。地球物理专业课程对数理基础能力的要求高，而基础课程提供的数理基础知识难以支撑后续专业课程的学习。②缺乏跨学科交叉的培养环节。地球物理学是以固体地球至地球空间环境为研究对象，与物理学、地质学、大气科学、海洋科学和天文学相交叉的一级学科，这样的学科培养必须具有学科交叉融合性。③缺少研究型教学环节和开放课程，难以锻炼学生的科研能力，不利于培养学生的科研思维和科研习惯。

二地球物理跨学科交叉融合培养的课程体系设计

教育改革是涉及教育思想的转变、教育管理质量的提高、课程体系的优化、教学资源的建设、课程内容的更新与有机整合、教学方法与手段的改革等系统工程[4]。教育改革旨在推动教育不断创新和发展，提高教育质量和效益，培养更多具有创新精神和实践能力的人才。

弘毅学堂是武汉大学参与国家教育体制改革的试点项目、是国家“基础学科拔尖学生培养试验计划”、“新工科”计划、“新文科”计划，实施精英教育、个性化培养、国际化办学的重要基地，是武汉大学培养国家脊梁和领袖人才的教育品牌，也是武汉大学实行跨学院大类招生、大类培养和跨学科培养的试验区，亦是学校创建书院式学术社区的前哨站[5]。弘毅学堂培养目标是致力使学生逐步成长为人文和科学素养深厚、学术思想活跃、求是与开拓精神兼备、国际视野开阔，在中国乃至世界相关领域起引领作用的科学家、思想家及创新工程师。

弘毅学堂地球物理学借鉴世界一流大学拔尖人才培养博雅型教育和研究型学习的理念，依托武汉大学强大的学科优势和高水平的师资队伍，以“博雅教育（Liberal-art education）”为总原则，贯彻宽口径、厚基础、强能力的方针，大胆探索，逐步形成具有显著特色的培养模式，即大类招生、大类培养及跨学科培养的两个基本范式、博雅与前瞻性的课程体系、“一型二制三化”（研究型、导师制、书院制、小班化、个性化和国际化）等一系列措施。通过这些改革和创新措施的实施，相信弘毅学堂将会培养出更多具有国际竞争力的优秀人才，为我国的教育事业和人才培养作出更大的贡献。同时，这些改革和创新经验也可以为其他高校提供有益的借鉴和参考，推动我国高等教育事业的进步和发展。具体来说，弘毅学堂地球物理班的培养方案有如下几个要点。

（一）跨学科培养的范式

在教学改革实践过程中，要培养具有大理科基础、大地学特色的地球科学创新人才，关键要做到“两通”，即地球物理学各学科横向打通，本科生与研究生教育纵向打通[6]。基于跨学科培养的理念，在新设计的专业必修课程中，既包括数学物理方法，张量分析与弹性力学等衔接数学、物理基础课程，也包括地质学、地震学、电离层物理与电波传播、基础等离子体物理等不同方向的专业课程；而专业选修课程中，学生可以在测绘学院、电子信息学院、物理科学与技术学院或计算机学院所开设的专业选修课中选择，比如数字信号处理、信号与系统、热力学与统计物理学、地球动力学、行星科学导论、计算机数值模拟、Python语言程序设计等。

（二）博雅与前瞻性的课程体系

拔尖人才培养需要抓手，重要抓手就是课程。因此，课程基础知识的“习得”与“运用”培育创新力、领导力、合作力等高阶素养应视为“飞机的双翼”[7]。在拔尖人才培养方面，课程体系是至关重要的抓手。课程不仅是传授基础知识的平台，更是培养学生创新力、领导力、合作力等高阶素养的重要途径。武汉大学秉承“人文化成”的理念，按照中国文明、世界文明两条主线开设通识课程，旨在深层地培养学生高尚的道德情操和人文素养。为了实现博雅教育的目标，武汉大学开设了一系列通识课程，涵盖了中国文明和世界文明两条主线。通过这些课程的学习，学生可以获得更加广阔的文化视野和更加深厚的文化底蕴，有利于培养其综合素质和创新能力。武汉大学还基于最前沿的科学进展和最热门的未解的科学问题，开设了一系列研讨课，如地球与空间科学前沿汇报、重大地球科学问题研讨等。这些课程以研讨为主要形式，让学生直接接触最新的科研成果和学术动态，激发其对地球科学的兴趣和好奇心。通过与专业科研工作者的交流和学习，学生可以深入了解学科发展的方向和趋势，提高专业素养和科研能力。学科前沿类课程的开设对于学生的发展具有重要意义[8]。首先，这类课程能够提升学生对科研的兴趣，激发他们的探索精神和创新思维。其次，这类课程能够拓展学生的专业视野，让他们了解不同领域的研究动态和交叉学科的发展趋势。最后，这类课程还为学生提供了与本专业不同领域的科研工作者交流的机会，有利于培养学生的合作意识和跨学科思维能力。博雅与前瞻性的课程体系是武汉大学培养拔尖人才的重要举措。通过这样的课程体系，学生可以获得更加全面和深入的学习体验，培养出更加优秀的综合素质和创新能力，为未来的科学研究和技术创新做出更大的贡献。

（三）研究型学习加导师制指导

按照国际一流研究型大学重构本科教育行动纲领，倡导研究型学习模式（Research-Based Learning），调整课程教学的固定思维，通过问题引导、文献阅读与讨论等形式，将被动接收知识的教育方式，转变为导师指导加学生探索未知和总结结论的形式；另一方面在培养方案中设置单独的科研训练学分，比如科研训练课程，地球与空间物理综合实习等，并设立学生专项科研基金和配套的奖励政策给予支持，如地球物理拔尖人才培养科创项目。为了培养具有国际竞争力的拔尖人才，研究型学习和导师制指导是不可或缺的重要环节。按照国际一流研究型大学的本科教育行动纲领，武汉大学积极倡导研究型学习模式，调整课程教学的固定思维，注重培养学生的创新能力和实践能力。研究型学习模式强调学生的主动性和探索精神，通过问题引导、文献阅读和讨论等形式，引导学生从被动接收知识转变为主动探索和总结结论。这种学习模式有利于培养学生的独立思考能力和创新思维，使他们更好地适应科学研究的需要。

为了更好地实施研究型学习模式，武汉大学建立了完善的导师制指导体系。学校聘请了学术造诣深厚且具有国际视野的专家学者担任学科教授，负责制定培养方案并对本科生和研究生的培养过程进行指导。这些学科教授具备丰富的学术经验和深厚的学术背景，能够为学生提供高水平的学术指导和建议。除了学科教授外，武汉大学还聘请责任感强、专业素养高的优秀教师担任学业导师。学业导师负责学生的课程学习和职业生涯指导，关注学生的学习进展和职业规划。他们为学生提供了个性化的指导和支持，帮助学生解决学习和职业发展中的问题。武汉大学还聘请高水平专家担任学术导师，带领学生尽早接触学科前沿，为学生提供科学研究的平台和学术规划方面的指导。学术导师具有丰富的科研经验和深厚的学术背景，能够引导学生参与科研项目，培养他们的科研素养和实践能力。在学术导师的指导下，学生可以更好地了解学科前沿和发展趋势，提高自己的学术水平和创新能力。研究型学习加导师制指导是培养拔尖人才的重要途径。通过这种培养模式，学生可以获得更加全面和深入的学习体验，培养出更加优秀的创新能力和实践能力。同时，完善的导师制指导体系为学生提供了个性化的指导和支持，帮助他们更好地实现自己的学术和职业目标。

（四）小班制研讨

要厚植拔尖人才成长的土壤，营造一流人才成长的良好“土壤”和环境，要汇聚优秀学生，通过互相鼓励、同辈激励，产生和淬炼出使他们终身受益的智慧、理想、学风和人格[9]。为了培养具有创新精神和实践能力的拔尖人才，小班制研讨成为了一种重要的教学形式。小班制研讨注重学生的参与和互动，有利于激发学生的创新思维和批判性思考能力。在弘毅学堂的教学中，小班制研讨得到了广泛应用，为学生的成长提供了良好的土壤和环境。小班制研讨能够汇聚优秀学生，营造良好的学术氛围。通过小班教学，学生之间的交流更加密切，互相鼓励、同辈激励的氛围更加浓厚。在这样的环境中，学生能够激发出更多的灵感和创意，产生和淬炼出使他们终身受益的智慧、理想、学风和人格。小班制研讨有助于促进师生间的互动和交流。

为了更好地实施小班制研讨，学校还推行了一系列制度。例如，每周的“open hours”制度要求导师和学生开放自己的时间，进行面对面的交流和指导。此外，“师生午餐会”“学术下午茶”“博雅论坛”“周末艺术沙龙”等活动也为学生提供了与导师和其他同学交流的机会[10]。这些活动不仅有助于促进师生间的互动和交流，还营造出良好而和谐的课外学习与生活环境。小班制研讨的实施方式也是多样化、灵活的。基础课实行大班上课、小班讨论的形式，而专业课则基本实行小班课堂。这种教学方式能够更好地满足学生的需求，促进师生互动的启发式、讨论式、探究式学习模式的展开。同时，根据课程内容和学生学习情况的不同，教师还可以采用其他形式的小班制研讨方式，如小组讨论、课题研究、案例分析等。小班制研讨是培养拔尖人才的重要途径之一。通过小班制研讨，学生能够更好地发挥自己的潜力，培养创新思维和实践能力。同时，小班制研讨也有助于促进师生间的互动和交流，营造出良好而和谐的学术氛围和学习环境。

（五）接轨国际与个性化培养

在培养拔尖人才的过程中，接轨国际与个性化培养是两个不可或缺的方面。武汉大学通过多种途径为学生提供国际交流与合作的机会，同时注重学生的个性化发展，为他们量身定制培养方案，促进其全面发展。在导师层面，聘请国际相关领域的学者教授来校讲课，鼓励他们担任研究生的学术导师，鼓励学生申报联合培养项目；在学生层面，为优秀的学生提供国际合作的科研实习、前往国外知名大学参加暑期学校和与知名研究单位联合培养等机会，鼓励学生前往国外知名学府交流学习；积极创造条件，让更多的学生前往国外优秀实验室和科研组学习，为学生们提供融入国际前沿研究团队的机会。根据学生个人兴趣和特长定制个性化培养方案，定期与学生进行科研方向的深度交流，适时调整科研方向和发展方向，并在完成相应的科研训练的前提下，特批课程免修；同时，积极开展不同学生之间的科研交流，不同领域导师与学生的科研指导，为每一位学生提供个性化的培养方案。

三结束语

新时代对培养地球物理拔尖学生的培养提出了新的挑战，我们不能再按照传统的二级学科，甚至是更小的应用方向培养地球物理的拔尖人才。因此，面向地球物理拔尖学生的课程培养体系需要改革，必须打破陈旧思维，解放思想，革新课程，加深数理基础，发展新的教学方法，对学生进行跨学科交叉培养。本文正是基于这一历史机遇，针对地球物理学拔尖学生的课程体系进行再研究，提出跨学科交叉融合培养，培养一批未来能够勇攀科学高峰、有理想、有本领、有国际视野的杰出地球物理科学家，打造国际一流水平的地球物理师资队伍，建成国际一流的地球物理学专业，将武汉大学建成世界地球物理学科研创新与教育示范的人才培养基地，同时也为国内相关院校提供可借鉴的地球物理拔尖人才的课程体系。

参考文献：

[1] 李伟宁.用执着的精神揭开地球物理科学的神秘面纱——记中国科学院地球物理研究所副研究员陈祖安[J].中国高新科技，2018（19）：18-20.

[2] 傅承义，陈运泰.地球物理学基础[M].北京：科学出版社，1985.

[3] 习近平关于科技创新论述摘编[M].北京：中央文献出版社，2016：116.

[4] 程顺有，刁博.“地球物理学”课程内容优化与教学方法探索[J].高等理科教育，2004（4），63-66.

[5] 宫辉，苏玉波，周远.高校书院发展报告（2020）[M].西安：西安交通大学出版社，2021.

[6] 陈云棠.地球科学人才培养与教学改革的思考[J].中国大学教学，2004（9）：19-20.

[7] 李明媚，李世勇，龚敏.拔尖创新人才核心素养及培育路径：基于茨格勒理论[J].高教学刊，2022，8（33）：156-160.

[8] 杨李鑫昊，罗家俊，沈雨澄，等.关于为拔尖人才培养开设的“学科前沿”类课程的探讨[J].大学化学，2019，34（10）：137-145.

[9] 张大良.完善具有中国特色的拔尖创新人才培养机制——在拔尖人才培养工作研讨会上的致辞[J].中国大学教学，2017（6）：4-5，17.

[10] 基础学科拔尖学生培养试验计划进展报告（2012）[M].北京：高等教育出版社，2013：74，139.

基金项目：2021年度基础学科拔尖学生培养计划2.0研究课题（20212061）；“武大通识3.0”课程建设项目（无编号）