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[转载]从海洋科学历史阶段划分、发展逻辑与未来趋势看本科课程建设

已有 707 次阅读 2020-4-1 15:32 |个人分类:本科教学与人才培养|系统分类:教学心得|文章来源:转载


高抒1  贾建军1  于谦2

1华东师范大学河口海岸学国家重点实验室

2南京大学海岸与海岛开发教育部重点实验室

 

摘要:按照海洋科学历史的分析,海洋科学专业本科教学的核心课程《海洋科学导论》、《物理海洋学》、《海洋化学》、《海洋生物学》、《海洋地质学》隶属英式海洋学的范畴。从20世纪中期开始,与英式海洋学的“站在陆地看海洋”不同,美式海洋学“站在海洋看全球”,以“板块理论、全球气候模型、深海观测与钻探”框架为特征,发展出了超越英国模式的新海洋学。未来的海洋学还可能加入“人类活动过程主导下的海洋系统转换”新框架。因此,我们认为需从后两种视角来补充构建《海底与全球环境演化》、《全球气候模式》、《深海观测与钻探技术》、《海洋与人类社会》等核心课程。

 

关于海洋科学专业的本科教学,《海洋科学导论》、《物理海洋学》、《海洋化学》、《海洋生物学》和《海洋地质学》是主要的核心课程。关于这些课程的教学方法,教师应特别关注知识体系、方法论和发展历史这三个维度,其中学科发展历史对于培养学生兴趣是十分必要的。

海洋科学的总体历史一般被安排在《海洋科学导论》课程里讲授。我们的体会是,讲历史,应该明确发展阶段划分、理论发展逻辑与本学科未来趋势。至于具体内容,则可以是仁者见仁、智者见智的。

我们的教学方案是以1872年、1950年为界,将海洋科学发展划分为三个阶段。1872年之前是海洋科学萌芽和早期阶段。古代人的航海活动、潮汐记录属于前者,18世纪的潮汐研究、19世纪到20世纪上半叶英国的远洋考察属于后者。牛顿的《自然哲学的数学原理》和拉普拉斯的《宇宙体系论》研究了潮汐现象,分别提出了平衡潮理论和潮汐动力学理论,经过历代学者修改、补充,终于形成了完整的潮汐学理论体系,这是早期研究采用数学分析方法获得成功的典型例子。英国于1831-1836年间进行的Beagle(即“小猎犬”号)号军舰考察,使得达尔文能够在后来完成一系列生物学和地质学专著,包括《物种起源》,这是早期海洋科考活动中最令人瞩目的成就。

1872-1950年是经典海洋科学发展阶段。海洋研究在1872-1876年发生了根本转变,所发生的事件是英国皇家学会组织的大规模多学科环球考察。这一轮考察是由C. W. Thomson船长率领HMS Challenger(即“挑战者”号)考察船而进行的,周密的科学考察计划使这次航行大有收获,考察成果后来出版为50卷专著。因此,“挑战者号”考察被认为是现代海洋科学的开端。此后,直至20世纪中期,主要的海洋国家均组织了自己的海上调查,建设了专门的海洋调查船,设计制造了各种观测分析仪器,海上航行成为数据采集工作的标准模式。在这个时期,各种研究和教学机构被建立起来,美国逐渐成为走在前列的国家,1903年成立了Scripps海洋生物实验室,后来发展为综合性海洋研究所;1930年,一部分人员离开该所,到美国东部新建了Woods Hole海洋研究所。美国还在许多所大学开办了海洋学系,培养了大批海洋科学人才,因此,美国在20世纪取代英国成为世界第一的海洋科技强国。欧洲和其他国家也在美国模式的引领下成立了国家级的海洋机构,如英国成立了国立海洋研究所,1994年成为英国国家海洋中心。前苏联则是在“苏联科学院”旗号下成立了多个海洋科学研究所,在冷战时期崛起成为海洋研究大国。

1950年以来是海洋科学快速发展阶段。第二次世界大战结束后,从20世纪中期开始,许多大型项目是以国际合作的方式开展的。例如,自1968年起,美国科学基金会组织了深海钻探项目,1975年该项目扩大为国际合作项目(称为“国际大洋钻探计划”),设备更加先进,取芯能力大为提高。这个计划的实施为地球环境演化研究提供了极其丰富的资料。参加这个计划的国家最初有法国、英国、前苏联(俄国)、日本和德国,当然还有发起国美国,我国于1996年成为会员国。目前,这个国际合作项目仍在持续,随着研究向纵深推进,新的钻探计划不断出台。同期启动的还有气候变化研究,着力于对地观测系统建设和全球气候建模。“国际地圈生物圈计划”等国际合作计划促进了多学科交叉,不仅涉及到海洋科学,还涉及到地球系统研究的其他所有学科,甚至社会科学。

上述历史进程展示了清晰的逻辑结构。以数学方式来研究自然现象,是古希腊起就有的一种学术传统。在17世纪以后的欧洲,数学方法更是成为一种时尚。像潮汐涨落这样引人关注的自然现象,从力学的角度来进行刻画,给出数学表达式,这是当时数学家和物理学家非常自然的想法。在其他方面,如生物形态,数学的刻画也是自然的,也能引发人们的极大兴趣。然而,从博物学的观点来看,人们更感兴趣的还是地球的其他地方会有哪些动物植物。这显然很难用数学来预测,所以眼见为实的实地考察就变得重要起来,这是欧洲国家多次发起海洋考察的动机之一。

当自然科学发展到一定程度,人们尝试用科学原理来解释各种自然现象,包括博物学著作所描述的各种远方的景观和生物面貌。系统的海洋考察也就应运而生了。英国开始于1872年的全球海洋考察就是如此,其特点是运用人类在陆地上已经发展起来的科学(数学、物理学、化学、生物学、地质学等)来看待海洋。此后很长一段时间,海洋学都是在物理海洋学、海洋化学、海洋生物学、海洋地质学的分支学科框架下发展,这可以称为“英式海洋学”。再往后,虽然海洋科学的重心最终转移到美国,但研究的框架直到二战结束都是英国式的。H. U. Sverdrup等人于1942年出版的《The oceans: their physics, chemistry and general biology》一书念总结了英国框架下的海洋学进展,成为一本经典著作。其中有关海洋地质的内容稍显薄弱,但很快由于F. P. Shepard《Submarine geology》(1948)和Ph. H. Kuenen《Marine geology》(1950)等著作的出版而得以补全。

此后,美国主导的海洋科学开始脱离英式海洋学的框架,这是从20世纪60年代的海底扩张说开始的。美国科学研究有一个显著的特点,就是由国家自然科学基金会组织科学家定期研讨,提出新的科学设想或创意。到了这时,板块假说、莫霍面钻探等被提了出来。随后,深海钻探计划于1968年实施,很快在海底扩张说、板块构造理论上取得了突破,给转换断层、洋中脊与海底火山、全球地震带、边缘海、主动与被动大陆边缘等重要现象提供了机理解释。在板块构造理论之下,大陆边缘沉积过程与产物、海底金属矿产资源、海洋油气资源、海洋生态系统、生物地球化学过程、海洋碳循环格局等研究领域也突然被一条无形的链条串接在一起,显得次序井然。稍后,美国又主导了全球气候系统研究,着力建立全球气候模型,对此E. Winsberg 在2010年所著的《The science in the age of computer simulations》一书中作为重要案例加以介绍。像气候这样复杂的问题,仅靠陆地上的气象观测站数据是远远不够的,只有深入思考大气海洋耦合的问题,才能提高气候系统模拟的可靠性。在这个框架下,全球大洋环流、海气相互作用、海面变化、冰盖与冰川动力学、极端气候条件与天气事件等研究方向实现了融合,再加上碳循环等研究成果,迎来了气候变化研究的计算机模拟时代。按照美国科学基金会的资助方式,气候模拟以通用模型的形式来研制,避免了力量分散的缺陷。与板块构造理论和全球气候模型相关的观测和数据采集能力提升也是美国科学的特点。深海钻探技术、全球观测系统(由遥感、水层和海底监测站网、自控式走航测量设备等构成)与主题研究本身一起得到了同步发展。“板块构造理论、全球气候模型、全球深海观测体系”框架是美式海洋学的特征,是创新性思维、多学科交叉、广泛国际合作的结果。如果说英式海洋学是“站在陆地看海洋”的话,那么美式海洋学就是“站在海洋看全球”。正因为如此,美式海洋学取得了优于英国和欧洲的地位。

科学史表明,研究框架一旦建立,就会延续相当长的时期。潮汐理论从牛顿时代就提出了,至今还有很多研究者。英式海洋学的各个分支学科都有尚未完全解决的问题,美式海洋学也是如此,全球尺度的地质演化和气候变化问题远未彻底解决。问题的关键是,任何一个国家,即便在现有的理论框架内贡献很大,也难以达到领先位置,因为这样的工作只是对别人框架的修补而已。只有同时突破英美所奠定的海洋学,才能真正领先。例如,“以海洋视角关注人类对地球影响”似乎是英美框架以外的新框架。到目前为止,尽管对人类活动的影响已开始进行研究,但是从动力过程与大数据融合的角度来探讨人类活动过程的长期效应,并运用数学工具将其定量化,这种研究还较少;人类忽而任性地改变海洋环境,忽而又竭力保护海洋,此类行为的定量刻画本身也是一个难题。长远来看,全球海洋似乎正在脱离自然演化的轨道而进入人类活动主导的新历程。

按照以上所述对海洋科学发展历史的认识,我们应该反思一下海洋科学本科核心课程的组成问题。《物理海洋学》、《海洋化学》、《海洋生物学》、《海洋地质学》分别侧重于数理科学、化学、生物学和地质学原理在海洋中的应用,虽然也涉及后来的科研新进展(如《海洋地质学》涉及到板块学说),但总体上是英式传统。要想包含美式海洋学和未来海洋学新发展,更加深刻地诠释多学科交叉理念,则应补充构建《海底与全球环境演化》、《全球气候模式》、《深海观测与钻探技术》、《海洋与人类社会》等核心课程。值得指出的是,我们现已开设的《海洋与人类社会》通识课偏重于海洋科学对经济、社会的影响,尚未达到“以海洋视角关注人类对地球影响”这一新框架所要求的高度。

 

(引用:高抒, 贾建军, 于谦, 2019. 从海洋科学历史阶段划分、发展逻辑与未来趋势看本科课程建设. 大学地球科学课程报告论坛论文集2018(网络版), p.323-325.




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