新農(nóng)科背景下“無機及分析化學(xué)”創(chuàng)新教學(xué)與實踐

吳秋華，趙影，王俊敏，常青云，李芝，董彥莉，唐然肖，王春

河北農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院，河北 保定 071001

為促進新時代中國高等農(nóng)林教育高質(zhì)量發(fā)展，2019年，“安吉共識”吹響了新農(nóng)科建設(shè)的“集結(jié)號”；“北大倉行動”明確了新農(nóng)科建設(shè)實施方案，為涉農(nóng)高校基礎(chǔ)課程改革指明了方向[1,2]；“北京指南”標志著新農(nóng)科建設(shè)的全面展開。從“安吉共識”到“北大倉行動”，再到“北京指南”，共同構(gòu)成了新農(nóng)科建設(shè)體系[3]。涉農(nóng)高校是強農(nóng)興農(nóng)的“國之重器”，建設(shè)新農(nóng)科是振興高等農(nóng)林教育的重大戰(zhàn)略。為加強新農(nóng)科建設(shè)，培養(yǎng)新型農(nóng)林人才，必須深化教育教學(xué)改革，把教學(xué)改革成果落實到課程建設(shè)上[2]。

無機及分析化學(xué)是高等農(nóng)林院校非化學(xué)專業(yè)學(xué)生的一門公共基礎(chǔ)課程，該課程的學(xué)習(xí)為后續(xù)的有機化學(xué)、生物化學(xué)、食品化學(xué)等課程提供必要的基礎(chǔ)知識，且將會對今后專業(yè)課的學(xué)習(xí)發(fā)揮深遠的影響。新農(nóng)科建設(shè)對高等農(nóng)林院校教育教學(xué)提出新的要求，需要培養(yǎng)品德優(yōu)良、基礎(chǔ)扎實、能力過硬的“創(chuàng)新型、復(fù)合型、應(yīng)用型”等新型農(nóng)林人才[4]，無機及分析化學(xué)課程改革勢在必行[5–8]。

1 新農(nóng)科背景下無機及分析化學(xué)教學(xué)改革要解決的重點問題

目前，無機及分析化學(xué)課程教學(xué)主要存在以下問題：

(1) 近年來，高校教學(xué)改革導(dǎo)致化學(xué)類通識課程的學(xué)時數(shù)一再被壓縮，教師不得不利用有限的課堂時間進行填鴨式滿堂灌，不能給學(xué)生更多的獨立思考空間，學(xué)生參與度差，學(xué)習(xí)興趣低。

(2) 化學(xué)知識與農(nóng)林專業(yè)內(nèi)容的關(guān)聯(lián)性差。目前無機及分析化學(xué)課程的教學(xué)側(cè)重于化學(xué)知識的系統(tǒng)傳授，很少把相應(yīng)知識點與農(nóng)林專業(yè)課程的教學(xué)內(nèi)容進行關(guān)聯(lián)，二者間存在嚴重脫節(jié)，導(dǎo)致學(xué)生不能很好地利用化學(xué)知識創(chuàng)造性解決本專業(yè)的一些實際問題。

為解決上述問題，我們充分利用網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢，將教學(xué)資源進行了再建設(shè)，創(chuàng)建了公眾號并在超星泛雅平臺搭建了在線課程。開啟了全新的線上線下混合教學(xué)模式，通過課程內(nèi)容重構(gòu)，改革教學(xué)方法，突出適用于新農(nóng)科人才培養(yǎng)的知識體系和典型案例教學(xué)，通過農(nóng)林專業(yè)知識與化學(xué)知識相融合，提升農(nóng)業(yè)科學(xué)與化學(xué)的關(guān)聯(lián)性。

2 融合農(nóng)科的無機及分析化學(xué)教學(xué)內(nèi)容與資源建設(shè)

2.1 教材設(shè)計

教材建設(shè)是人才培養(yǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，為適應(yīng)新時代農(nóng)林學(xué)科的發(fā)展，根據(jù)農(nóng)林類專業(yè)對無機及分析化學(xué)知識的需求，我們整合和精選教學(xué)內(nèi)容，自編具有農(nóng)林特色的教材，注重化學(xué)知識在農(nóng)業(yè)科學(xué)中的應(yīng)用，讓學(xué)生掌握專業(yè)發(fā)展所需的化學(xué)知識。

(1) 在每章的引言部分提出與實際生產(chǎn)生活及農(nóng)林相關(guān)的問題，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并在教學(xué)中適時給出或引導(dǎo)學(xué)生得出相應(yīng)的答案。例如在第九章分析化學(xué)概論引入的“健美豬”的真相(因違法使用了瘦肉精)，除了激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、體現(xiàn)分析化學(xué)的重要性外，還警示學(xué)生在農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖中要心懷社會責(zé)任，避免投機取巧。

(2) 體現(xiàn)信息時代特征，在有關(guān)章節(jié)中，提供一些化學(xué)及相關(guān)學(xué)科的網(wǎng)站，讓學(xué)生通過網(wǎng)站查閱與智慧農(nóng)業(yè)相關(guān)信息，土壤重金屬、農(nóng)藥殘留等最新檢測方法及國家標準等。每章習(xí)題中也增設(shè)凸顯農(nóng)林特色的習(xí)題，例如根據(jù)溶液依數(shù)性，解釋植物的抗旱抗寒能力、施肥過多造成燒苗的原因；利用酸堿滴定原理，計算飼料中蛋白質(zhì)的含量；根據(jù)分光光度法測定土壤中P2O5的質(zhì)量分數(shù)、植物中全磷的含量等；拓展學(xué)生獲取、更新知識的新渠道和方法，培養(yǎng)多方位解決問題的能力。

(3) 在每章最后設(shè)有前沿視窗欄目，主要介紹章節(jié)內(nèi)容與農(nóng)林相關(guān)的研究進展，例如溶液和膠體章節(jié)加入電泳技術(shù)在生物科學(xué)領(lǐng)域的研究；配合物章節(jié)中加入土壤和飼料中螯合物的研究，滴定分析章節(jié)中加入顏色傳感器在水質(zhì)硬度自動滴定分析中的應(yīng)用；吸光光度法章節(jié)中加入植物中黃酮類物質(zhì)含量的研究進展。以此拓展學(xué)生視野，提高學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注未來的發(fā)展。同時介紹重要的化學(xué)家，比如蓋斯、阿倫尼烏斯、鮑林等，以化學(xué)史實鑒古知今，啟發(fā)學(xué)生認識化學(xué)的發(fā)展規(guī)律。

2.2 教學(xué)內(nèi)容體系設(shè)計和教學(xué)資源建設(shè)

2.2.1 教學(xué)內(nèi)容體系設(shè)計

為實現(xiàn)無機及分析化學(xué)與農(nóng)科的有效融合，對教學(xué)內(nèi)容重新進行分類，分為基礎(chǔ)知識、應(yīng)用知識、拓展知識?；A(chǔ)知識包括化學(xué)動力學(xué)、熱力學(xué)基本原理和物質(zhì)結(jié)構(gòu)的基本理論，四大化學(xué)平衡規(guī)律及定量分析等知識。應(yīng)用知識是引導(dǎo)學(xué)生用無機及分析化學(xué)知識解決農(nóng)業(yè)科學(xué)問題。例如，我們以植物、化肥、農(nóng)藥為切入點，與學(xué)生一起分析討論防污減排的重要方法，如溫控、減量、改進方法等；將農(nóng)藥殘留、食品安全、環(huán)境污染與化學(xué)教學(xué)緊密結(jié)合，如大氣污染防治、水污染處理、海鮮中甲醛的分析、果蔬中的農(nóng)藥殘留、豬肉中的瘦肉精，以及食品中重金屬、三聚氰胺的測定等熱點問題，從而培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問題的能力。拓展知識為具有一定挑戰(zhàn)度的知識，例如，從植物中提取色素制備天然酸堿指示劑，并進行實際應(yīng)用；利用配位平衡和沉淀溶解平衡，設(shè)計處理牡蠣養(yǎng)殖海水中重金屬的方案等。旨在對學(xué)生進行高階性訓(xùn)練。讓學(xué)生具備自主探究、主動創(chuàng)新的能力。

教學(xué)內(nèi)容進行整合之后，明確了無機及分析化學(xué)與農(nóng)科的融合切入點，凸顯了化學(xué)基礎(chǔ)課對農(nóng)科學(xué)生的重要性，增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)積極主動性，課程教學(xué)效果也得到了顯著改善。

2.2.2 教學(xué)資源建設(shè)

為實現(xiàn)教學(xué)目標，我們進行了線上線下五位一體的教學(xué)資源建設(shè)，建立了三個線上資源和兩個線下資源(圖1)。此五位一體的教學(xué)資源能夠滿足兩性一度的金課要求。

圖1 五位一體的教學(xué)資源

三個線上資源：包括引入的國家級精品在線課程、自建的學(xué)習(xí)通SPOC課程和微信公眾號。其中引入的國家級慕課保證了高階性；自建的學(xué)習(xí)通平臺保證了普適性和互動性；創(chuàng)設(shè)的公眾號保證了時效性和趣味性。自建學(xué)習(xí)通平臺的建設(shè)中，注重化學(xué)基礎(chǔ)知識與農(nóng)科的融入，比如，開發(fā)了系列“學(xué)以致用”主題討論、頭腦風(fēng)暴、學(xué)科前沿、專創(chuàng)融合等獨創(chuàng)性專欄，實現(xiàn)與學(xué)生的全方位互動，引導(dǎo)他們運用所學(xué)理論知識解決實際問題。

兩個線下資源：一個是學(xué)生全面參與的智慧課堂，課堂教學(xué)中，借助學(xué)習(xí)通平臺的強大功能，通過隨機選人、投票、討論、分組任務(wù)等活動，打破了傳統(tǒng)教學(xué)中“滿堂灌”的講授方式，改變了“沉默式”教室現(xiàn)象，實現(xiàn)以學(xué)生為中心的互動式教學(xué)，這種以學(xué)生為主體教學(xué)模式，拉近了師生距離，提高了學(xué)習(xí)力；另一個是創(chuàng)新實驗室，為學(xué)生完成具有一定創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度的實踐項目提供保障。利用課程組教師科研優(yōu)勢，注重科教融合、專創(chuàng)融入式教學(xué)，既有專門的創(chuàng)新工作室，又有面向?qū)W生開放的實驗室、科研室，滿足學(xué)生能參與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐活動的需求。

2.3 課程思政建設(shè)

近年來，教育部相繼出臺了系列文件，要求把課程思政建設(shè)作為落實立德樹人根本任務(wù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，并全面部署了課程思政建設(shè)[9]，深度推進高校課程思政改革。本課程組教師也積極開展了課程思政建設(shè)，通過深耕教材，挖掘課程所蘊含的各種顯性和隱性思政資源，在課堂教學(xué)中結(jié)合學(xué)科和專業(yè)特點自然融入思政元素、充分發(fā)揮課程思政的感染力、價值力和吸引力，以培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)責(zé)任、科學(xué)態(tài)度以及服務(wù)“三農(nóng)”的意識。建立了完備的課程思政資源庫，具有豐富的教學(xué)供給，將思政元素自然融入教學(xué)的各個環(huán)節(jié)。積極打造“互聯(lián)網(wǎng)+思政課”教學(xué)模式，充分利用移動互聯(lián)網(wǎng)帶來的便捷，打通線下教學(xué)與線上交流的壁壘，依托“學(xué)習(xí)通”SPOC平臺，設(shè)立系列主題討論和前沿分享模塊，將社會主義核心價值觀與學(xué)科知識及創(chuàng)新前沿自然融合，培養(yǎng)學(xué)生自律自強、勇于挑戰(zhàn)、敢于擔(dān)當?shù)呢?zé)任意識以及科學(xué)辯證的思維習(xí)慣。在微信公眾號“無機及分析化學(xué)會”中設(shè)置“春風(fēng)化雨”“快樂化劇”和“創(chuàng)享化作”等特色育人專欄，以培養(yǎng)學(xué)生的愛國情懷，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新思維，注重在輕松的環(huán)境中給學(xué)生潛移默化的正向引導(dǎo)，使學(xué)生樹立正確的學(xué)習(xí)觀和價值觀。通過不同的教學(xué)方式，將專業(yè)知識之外的思政素材，如：科技前沿動態(tài)、時事焦點新聞等融入教學(xué)過程，努力建設(shè)廣視角、多層次的課程思政體系，充分發(fā)揮基礎(chǔ)化學(xué)課程的“全方位”育人功能。本課程被認定為省級思政示范課程。

3 凸顯農(nóng)化特色的教學(xué)實施

依托完備的教學(xué)資源庫(學(xué)習(xí)資料庫、拓展知識庫、思政資源庫、專創(chuàng)融合素材庫)，運用多種教學(xué)方式，實現(xiàn)互動式教學(xué)。為了實現(xiàn)以學(xué)生為主體、具有農(nóng)-化特色的課程教學(xué)，我們精心設(shè)計了互動環(huán)節(jié)，并通過三結(jié)合的方式實施教學(xué)，發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性。

3.1 結(jié)合專業(yè)特色，開創(chuàng)學(xué)以致用主題討論和“頭腦風(fēng)暴欄目”，凸顯農(nóng)-化特色

將重要知識點精心設(shè)計成學(xué)生喜聞樂見的討論主題，讓學(xué)生拓展思考討論。比如“能否用海水灌溉海水稻？”“石墨可以轉(zhuǎn)化成金剛石嗎？”“堿性食物會改變血液pH嗎？”“螯合劑如何實現(xiàn)排鉛毒？”“含氟牙膏是如何保護牙齒的？”“如何檢測香腸、火腿等肉制品中的亞硝酸鈉含量是否超標？”“化學(xué)需氧量的測定與氧化還原”等等，這些討論主題集知識性、趣味性和實用性為一體，同時注重自然融入思政元素，協(xié)同推進學(xué)生綜合素質(zhì)與能力的培養(yǎng)。深受學(xué)生歡迎和好評。比如，針對“能否用海水灌溉海水稻？”的主題討論，在解析中我們自然引入以袁隆平院士為代表的農(nóng)業(yè)科學(xué)家們，長期扎根農(nóng)業(yè)一線，致力于讓鹽堿地變高產(chǎn)田，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)農(nóng)愛農(nóng)情懷和社會責(zé)任感。而在“堿性食物會改變血液pH嗎？”主題討論的解析中，對社會上有關(guān)堿性保健食品的錯誤宣傳也不失時機地進行了辟謠。學(xué)生們收到答案解析后紛紛點贊，留言說既體會到了知識應(yīng)用與實踐的樂趣，又深受啟發(fā)和鼓舞。通過線上線下全方位、多維度將價值塑造、知識傳授和能力培養(yǎng)自然融合，力求“如鹽入水、潤物無聲”，真正把“立德樹人”落到實處。

在“頭腦風(fēng)暴欄目”中，通過對每章知識進行趣味大盤點，讓學(xué)生快樂學(xué)習(xí)知識，并將思政元素融入，將化學(xué)知識與農(nóng)林專業(yè)知識相關(guān)聯(lián)，激發(fā)學(xué)生結(jié)合所學(xué)專業(yè)進行創(chuàng)意方案設(shè)計，滿足新時代不同專業(yè)人才培養(yǎng)的重素質(zhì)、強基礎(chǔ)、筑能力要求。比如在分析化學(xué)的頭腦風(fēng)暴欄目中，讓學(xué)生結(jié)合所學(xué)專業(yè)，說說分析化學(xué)可能會解決哪些專業(yè)問題？有哪些靈感突發(fā)和專業(yè)創(chuàng)意？學(xué)生積極反饋，食品專業(yè)的學(xué)生說可以開發(fā)水果甜度測試儀、果蔬農(nóng)藥殘留試劑盒等；農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境科學(xué)的學(xué)生則想設(shè)計一個水質(zhì)分級的簡易裝置，利用配位滴定原理測水的硬度，適不適合直接飲用或農(nóng)用。還可以采用高錳酸鉀法測定水中化學(xué)需氧量，從而監(jiān)測飲用水源、魚塘等的水質(zhì)；園藝專業(yè)的學(xué)生說將來水培花卉或蔬菜，可利用滴定分析隨時監(jiān)測溶液中的營養(yǎng)成分含量，比如溶液中含氮量的測定。

3.2 結(jié)合學(xué)科前沿和生活熱點進行分享討論，提高學(xué)習(xí)興趣，拓展農(nóng)-化融合

設(shè)立“諾貝爾獎大家談”“3.15曝光臺”和生活熱點分享討論，引發(fā)學(xué)生共鳴、提高學(xué)習(xí)興趣，既加深知識的理解，又讓學(xué)生感受化學(xué)的魅力。我們及時在線分享諾貝爾化學(xué)獎，比如，分享2020年諾貝爾化學(xué)獎“號外！號外！2020年諾貝爾化學(xué)獎揭曉！‘基因魔剪’你想怎么用？”。用通俗的語言介紹了“基因魔剪”，并引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)系自己所學(xué)專業(yè)，大開腦洞，說一說“基因魔剪”在所學(xué)的專業(yè)領(lǐng)域都可以如何發(fā)揮魔力。學(xué)生們響應(yīng)積極，給出了天馬行空的想象和精彩發(fā)言，比如農(nóng)學(xué)專業(yè)的學(xué)生留言：通過基因魔剪修改植物DNA，培育出更加耐寒抗旱的作物，保障我們這個人口大國的糧食來源。針對2021年“3.15”曝光的瘦肉精羊肉，我們讓學(xué)生自己查閱資料，了解食品藥品監(jiān)督管理局是如何檢測出健美豬、健美牛、健美羊的？動物產(chǎn)品中“瘦肉精”的檢測方法有哪些？掌握了這些檢測方法就可以讓“瘦肉精”無處藏身！針對2021年4月全國多地菜市出現(xiàn)的掉色香蔥熱點問題，我們及時分享了“慧眼識‘蔥’，讓‘掉色蔥’青白分明”，讓學(xué)生知道問題根源，并拓展思考：利用所學(xué)配位滴定知識，制訂掉色香蔥中銅含量的測定方案。

3.3 結(jié)合課外拓展實踐，提升創(chuàng)新實踐能力，體現(xiàn)農(nóng)-化融合魅力

依托大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實驗室、本科實驗室和科研室，定期組織學(xué)生完成具有一定創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度的創(chuàng)新實踐活動，自主完成實驗方案設(shè)計、實驗實施和過程拍攝任務(wù)，激發(fā)創(chuàng)新思維，提升創(chuàng)新能力。課程組絕大部分教師都具有雄厚的科研實力，利用科研優(yōu)勢，進行科教融合，將學(xué)科研究的前沿和熱點適時引入課堂，豐富教學(xué)內(nèi)容，拓展學(xué)生視野；另外，注重專創(chuàng)融合，授課知識點與專創(chuàng)融合切入點有機融合，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維方法。鼓勵和引導(dǎo)學(xué)生積極參與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目和教師科研項目，提升學(xué)生創(chuàng)新能力。比如結(jié)合酸堿指示劑的知識點，我們組織學(xué)生進行了拓展實驗，學(xué)生就地取材，校園中的櫻花、桃花、二月蘭等，食堂中的紫薯、紫甘藍等都被用來制備迷人的天然酸堿指示劑，進行創(chuàng)新應(yīng)用探究，如通過自制紫甘藍天然酸堿指示劑和pH試紙用于檢測食品、護膚品和洗滌用品的酸堿性，將酸堿指示劑的知識和食品安全問題相結(jié)合，設(shè)計適合家庭操作、趣味性強的互動方案向大眾進行科普；再如，利用自制天然指示劑改進雙指示劑法測定混合堿。指導(dǎo)學(xué)生的創(chuàng)新實驗獲得河北省大學(xué)生化學(xué)實驗設(shè)計大賽特等獎兩項、一等獎兩項。證明了通過科教融合和專創(chuàng)融入式教學(xué)，有效提升了學(xué)生創(chuàng)新思維、科研思維和科技創(chuàng)新能力，充分體現(xiàn)了農(nóng)-化融合的魅力，滿足新農(nóng)科背景下培養(yǎng)新型農(nóng)林人才的要求。

4 課程建設(shè)與改革的成效

教學(xué)過程中，注重加強過程控制，課程成績由平時過程考核成績(占30%)、期中成績(占20%)和期末閉卷考試成績(占50%)構(gòu)成。期末試卷中除考查基礎(chǔ)知識外，還專門增設(shè)了約10%的開放性題目，注重考查學(xué)生創(chuàng)新思維和學(xué)以致用的能力，并反饋課程思政效果。課程建設(shè)與改革取得了令人非常滿意的教學(xué)效果，學(xué)生成績明顯提高。與改革前相比，學(xué)生成績的優(yōu)良率明顯提高，不及格率顯著下降(圖2)；2020–2021學(xué)年問卷調(diào)查結(jié)果表明學(xué)生對課程的滿意度很高(> 95%)，絕大多數(shù)學(xué)生給出了5星好評，94%學(xué)生認為自主學(xué)習(xí)能力提高，88%學(xué)生學(xué)認為辯證思維能力提升，84%學(xué)生認為應(yīng)用能力得到提高，82%學(xué)生認為拓展創(chuàng)新能力有很大提升(圖3)；本課程在2021年獲批河北省課程思政示范課程，校級一流本科課程、課程思政優(yōu)質(zhì)課程和專創(chuàng)融合優(yōu)質(zhì)課程。課程組教師主編教材四部：其中十二五普通高等教育本科國家級規(guī)劃教材和全國高等農(nóng)林院校十二五規(guī)劃教材各一部。后者被評為全國農(nóng)林教育優(yōu)秀教材，被我校和多所農(nóng)林高校使用。師生獲得校級、省級多項獎勵，實現(xiàn)了師生共進、教學(xué)相長。

圖2 改革前后無機及分析化學(xué)期末成績統(tǒng)計對比圖

圖3 學(xué)生能力提升

5 結(jié)語

根據(jù)新農(nóng)科人才培養(yǎng)需求，本課程建立了豐富的線上線下教學(xué)資源，通過多維度、互動式教學(xué)，體現(xiàn)了以學(xué)生為中心的教學(xué)理念，有效提升了學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)能力。本課程注重將化學(xué)知識點與農(nóng)林相關(guān)專業(yè)內(nèi)容有機融合，提高學(xué)生綜合運用知識解決復(fù)雜實際問題的能力。注重科教融合和專創(chuàng)融入，將教師科研與教學(xué)相融合，激發(fā)學(xué)生挑戰(zhàn)高階性課題熱情和勇于創(chuàng)新的精神，受到了學(xué)生普遍歡迎和認可。我們將持續(xù)進行教學(xué)改革，為實現(xiàn)中華民族的偉大復(fù)興培養(yǎng)能肩負使命、勇于擔(dān)當、追求卓越、具有知農(nóng)愛農(nóng)情懷和強農(nóng)興農(nóng)本領(lǐng)的一流新型農(nóng)林人才。