国家一流本科专业学科前沿课的教学思考

作者: 丁旋

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摘  要:建设海洋强国,需要培养具有坚实的专业基础、国际化的视野、很强的创新能力的海洋科学专业高层次后备人才。为此,我们为海洋科学专业高年级本科生开设学科前沿课有孔虫-古大洋环境重建的重要标志。该课程以引导、自主学习、讨论和实验等方式,锻炼学生们通过重建有孔虫及其壳体地球化学特征知识体系,探索其在大洋地层的划分与对比、古洋流重建、古海水化学、古生产力以及海岸带演化等方面国际前沿问题的能力。初步实践表明,对新时代的大学生,这是一种值得推广的教学方式。

关键词:海洋科学;学科前沿课;有孔虫;古环境指标;教学思考

中图分类号:G640      文献标志码:A          文章编号:2096-000X(2024)28-0034-04

Abstract: Building a nation with maritime power, it is necessary to cultivate high-level reserve talents of ocean science with solid professional foundation, international vision and strong innovation ability. For this reason, we set up a cutting-edge course Foraminifera - A Tool for Reconstructing Past Ocean for senior undergraduates of ocean science majors. By means of guidance, independent study, discussion, and experiment, the course exercises students' ability to reconstruct the knowledge system of foraminifera and the geochemical characteristics of their shells, and explore their international frontier issues in the division and correlation of oceanic strata, the reconstruction of paleocurrent, paleo-seawater chemistry, paleo-productivity, and coastal zone evolution. Preliminary practice shows that this is a teaching method worth promoting for college students in the new era.

Keywords: ocean science; frontier course; foraminifera; paleoenvironment index; teaching thinking

海洋占地球表面积的71%,蕴藏着丰富的矿产资源,且对人类的生存环境、经济发展、交通运输和国家安全具有重要意义[1-2]。党的十九大提出“坚持陆海统筹,加快建设海洋强国”的战略部署[3]。建设海洋强国、实现我国从海洋大国向海洋强国的转变,培养具有坚实的专业基础、国际化的视野、很强的创新能力的青年海洋人才是重中之重。各涉海高校都肩负着培育海洋事业接班人,推动海洋事业发展的责任和使命[4]。中国地质大学(北京)是首都七十多所高校中唯一涉海高校,海洋科学专业于2021年入选国家一流本科专业建设点[5],对该专业本科生的培养提出了更高的要求。在此背景下,在本科生的培养方案中,为高年级学生增设了海洋科学专业相关的学科前沿课,有孔虫-古大洋环境重建的重要标志就是其中的一门选修课。

一  学科前沿课有孔虫-古大洋环境重建的重要标志的教学目标

不同于陆地上出露的大面积的沉积剖面,海洋地质学的研究,多依赖于海上科考船在海底钻取的沉积岩心。国际著名的大洋钻探计划,自1968年“格罗玛·挑战者号”首航墨西哥湾,历经深海钻探(DSDP)、大洋钻探(ODP)、综合大洋钻探(IODP)以及国际大洋发现计划(IODP)等阶段,半个世纪来在世界各大洋深水底下钻井芯4 000多口,“乔迪斯·决心号(JOIDES Resolution)”(图1)就是国际大洋钻探计划在世界各大洋实施深水钻探科考的船只之一, 取芯40多万米,验证了板块构造理论,揭示了气候演变的规律,从根本上改变了人类对地球的认识, 扭转了地球科学发展的轨迹[6-8]。

图2为国际大洋钻探船在海底钻取岩心的示意图,大洋钻探可以钻取到海底以下2 000多米深处的沉积物样品,且海底沉积连续、保存好,是地质学研究的绝佳材料,缺陷是钻孔岩心很细。IODP钻孔岩心的直径不到7厘米(图3),这就使得陆地地质剖面常规的研究对象古生物大化石,以及需要大量样品的测试分析在海底钻孔岩心的研究中受到限制。

有孔虫属于原生动物门有孔虫纲,是生活在海洋中、个体微小的单细胞原生动物,具有矿物质形成的硬壳,壳体直径多不足1毫米[10](图4)。有孔虫化石因其形体微小、数量众多,在钻孔岩心和海底取样中比较容易获取。有孔虫的某些类群演化迅速,在地质历史中存留的时间短,因此常常成为确定地质年代的重要标准化石。其次,有孔虫由于对环境变化的反应极为灵敏,也是古海洋、古气候变化的指示生物。另外,有孔虫生长时,可以将海水的理化性质如水温、盐度、含氧量和酸碱度等记录在壳体中,通过对化石壳体的同位素和微量元素的分析能够恢复古海水的这些信息。因而,有孔虫类在大洋地层的划分、对比,以及海洋地质研究等领域发挥巨大的作用。

随着近年来海洋科学研究的发展,尤其是可以对微量有孔虫壳体进行同位素和微量元素分析技术设备的发展,有孔虫成为海洋地质学研究中不可或缺的一类微体古生物。但在传统的本科生教学中,有孔虫仅作为微体古生物学课程的一个门类章节,在有限的几个学时里,着重介绍它的形态和分类、生态特征及地史分布,很少涉及它在海洋科学前沿领域的重要地位以及创新性研究成果。

为此,我们开设了学科前沿课有孔虫-古大洋环境重建的重要标志,帮助同学们了解和探索有孔虫组合及其壳体同位素和微量元素地球化学等的特征,及其在大洋地层划分,古海水温度、盐度、古洋流的重建,大洋碳循环,缺氧沉积,海岸带环境重建等方面的国际前沿性问题。以引导、自主学习、讨论和实验等方式,锻炼同学们探索国际前沿科学问题的能力,成为掌握国际前沿知识、具有创新能力的海洋科学专业高层次后备人才。

二  有孔虫-古大洋环境重建的重要标志的课程构建

学科前沿课的课程教学不同于专业基础课,更注重引导并激发同学们运用所学专业知识发现问题、解决问题的能力。有孔虫-古大洋环境重建的重要标志以有孔虫及其壳体同位素、微量元素地球化学特征为核心,介绍它在大洋地层的划分与对比、古海洋环流重建、古海水化学、古生产力以及海岸带的演化过程中的应用。本课程所涉及的知识面很广,与海洋科学概论、海洋地质学、海洋微体古生物学、海洋地球化学和海洋化学等课程密切相关,这些课程,学生在低年级都已经学过。海洋微体古生物学、海洋地球化学是本课程的基础,本课程又是海洋地质学、第四纪地质与环境等课程中涉及的大洋地层、古环境替代性指标、化石壳体元素及同位素地球化学分析等方面内容的延伸,也是未来研究生阶段高级海洋地质学、古海洋学等课程的准备。

有孔虫-古大洋环境重建的重要标志的课程共16个学时,我们采取多媒体教学和课堂讨论相结合的方式,通过介绍有孔虫在海洋科学各个领域的应用,引导同学们自主回顾以前学过的专业基础知识,进一步通过查阅文献、准备多媒体报告,课堂讨论有孔虫及其壳体同位素、微量元素地球化学的最新研究进展及其在古大洋环境重建中的应用,课后去实验室实地观摩并参与相关实验过程,激发同学们运用所学专业知识发现问题、解决问题的能力。

该课程的主要内容设计如下:第一讲为有孔虫-生存于海洋中的生物,首先引导学生们回顾海洋微体古生物学课程学过的有孔虫壳体的基本结构构造、重要属种特征,生态及演化历史,再深入介绍基于有孔虫组合及其壳体组成同位素、微量元素地球化学特征的古环境替代性指标;第二讲为浮游有孔虫-大洋地层划分与对比的重要依据,引导学生们回顾海洋地质学课程学过的大洋地层学的主要类别:岩性与事件地层学、生物地层学、年代地层学、磁性地层学、气候地层学等,进一步深入介绍浮游有孔虫生物地层学和有孔虫壳体放射性同位素测年在年代地层学中的应用,以及有孔虫壳体氧稳定同位素是气候地层学中最重要的氧同位素地层的建立依据;第三讲为基于有孔虫指标的古海洋重建,首先引导同学们回顾海洋科学概论课程学过的现代大洋环流的基本特点及分布,海洋地球化学课程中学过的海底沉积物中化石壳体稳定同位素和微量元素知识,再深入介绍基于有孔虫组合及其壳体稳定同位素和微量元素Mg/Ca比值等指标估算古海水温度、盐度和古温跃层深度变化的方法,据此进一步重建地史时期大洋表层流、深层流和上升流的分布与变化。第四讲为古海洋水化学的重建,首先引导同学们回顾海洋化学课程学过的现代海水主、微量元素,营养元素,以及溶解气体CO2和O2等在大洋中的分布和循环特征,进一步介绍基于有孔虫指标,如浮游有孔虫壳体的碎壳率、抗溶指数,底栖有孔虫组合,有孔虫壳体硼同位素、微量元素硼钙比等,重建地史时期大洋碳酸盐溶解作用,底层水缺氧环境等。第五讲为古海洋生产力重建,首先引导同学们回顾海洋科学概论课学过的现代大洋生产力概念和在大洋中分布特征等,进一步介绍古大洋生产力重建对于认识全球气候变化、洋底沉积机理和沉积矿产分布规律的意义,基于浮游有孔虫高生产力种、底栖有孔虫内生种与表生种的比值、有孔虫沉积通量,以及有孔虫壳体碳稳定同位素和微量元素Cd/Ca比值等重建古生产力的方法、原理及应用实例。第六讲为海岸带环境的重建,首先引导同学们回顾海洋科学概论课学过现代海岸带环境及其对人类社会可持续发展的重要意义,再深入介绍海岸带底栖有孔虫组合特征,底栖有孔虫对古水深、古洋流、底层水环境和环境污染等的指示意义,如何基于有孔虫的海岸带环境指标重建地史时期海岸带环境变化及其规律与驱动机制,为预测未来海岸带环境变化提供科学依据。授课的过程中除了随堂讨论,中间还穿插了两次讨论课。课程的教学体系构建见表1。

授课过程中采用灵活的方式全面地激发同学们的自主学习能力,比如为了使学生掌握“浮游有孔虫-大洋地层划分与对比的重要依据”,给出数据和图让学生利用有孔虫组合和壳体氧同位素当堂进行大洋地层的划分与对比。两次讨论课,分别给出两个选题:①基于任一有孔虫古环境替代性指标,论述其原理、应用、实验方法,及其适用性、关联性和局限性;②任选一古海洋环境重建目标,选择合适的基于有孔虫的古环境替代性指标,理解其在古海洋环境重建中的作用,和在全球变化研究定量化和认识机理方面的新贡献。让每一位学生利用课下时间查阅文献,准备5张PPT,课堂报告3分钟并讨论2分钟。通过这种方式,充分调动同学们的学习积极性,既夯实学过的海洋科学专业知识,又学会通过文献调研、制作PPT、课堂报告和讨论这一系列模拟科研过程,锻炼学生运用所学专业知识发现问题、解决问题的能力。

三  教学思考

本课程采用了引导、自主学习、讨论和实验等灵活的方式,使得学习过程不再是机械地听课,被动地背书,而是教师在课堂上提出问题,引导学生在课堂下主动学习,再把学习成果和问题带到课堂上共同讨论。

特别是课堂讨论PPT展示部分,第一次展示时问题特别多,有的学生是首次上讲台作学术报告,紧张得语无伦次,台下的学生怕露怯也不敢提问题,教师针对每位学生提出指导和修改建议,鼓励台下的学生大胆提问;第二次展示时就改进了很多,有的学生甚至表现非常优秀,不仅仅通过查阅资料,深入理解了课堂讲授过的内容及其国际上的最新进展,还扩展了课程内容,介绍了一些最新的基于有孔虫的古环境重建方法,如有孔虫壳体钕同位素古洋流重建、壳体Mn/Ca比对底层海水氧化还原的指示等。与此同时,课堂上的互动变得很活跃,学生们不仅认识到自身的不足,也在与其他同学的讨论中学会了发现问题,激发了主动学习的积极性,既改进了学习方法、扩展了知识面,又锻炼了表达、提问的能力。学生们非常喜欢这种学习方式,都表示收获很大,也意识到平时学习时轻基本概念、重所谓的创新,以至于基本知识不扎实,没有根基的创新,根本经不起考验。结课时的综合总结论文也反映出,学生们不是单纯地背书,获取碎片化的知识,而是比较系统地获得了该课程涉及的科学前沿、研究思路和解决问题的方法。

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