國家一流本科專業建設背景下無機化學12345 + N + N + 1教學模式的研究與實踐

張帥華，唐然肖，陳曉翠，蒙濤，魏秋紅，吳秋華，王春

河北農業大學理學院，河北 保定 071001

“以立德樹人為根本，以強農興農為己任，拿出更多科技成果，培養更多知農愛農新型人才”，這是習近平總書記對高等農林教育發展提出的殷切期望[1]。這就要求高等農業學校必須將學科專業發展的小邏輯自覺地服務于國家經濟社會發展的大邏輯，建設成為培養新時代知農愛農新型人才的重要基地[2]。“新農科”是高等農林教育適應全球變化和農業現代化發展的需要，是新時代中國高等教育內涵發展和卓越農林人才培養的重要內容[3]。在高等農林教育的新形勢下，“新農科”建設為高等農林院校人才培養指明了方向[4]。因此，結合“新農科”建設的要求及高等農林院校特色，全面推進一流本科專業建設和一流課程建設，成為培養新時代知農愛農新型人才的重要環節，也是高等農林院校持續探索的時代命題[5]。河北農業大學化學專業自1978年設立以來，圍繞“面向未來、適應需求、引領發展、理念先進、保障有力”一流本科專業的建設要求[6]，高度契合農林院校知農愛農新型人才培養方向，歷經四十余載披荊斬棘，形成了鮮明的專業特色和優勢，為全國、京津冀和雄安新區發展培養了大批人才，于2020年入選教育部“雙萬計劃”國家級一流本科專業建設點，2022年化學學科進入ESI學科全球排名前1%。化學專業逐漸發展成為河北農業大學專業建設特色鮮明、師資力量雄厚、人才培養質量過硬的專業之一，持續為“新農科”的建設和高等農林院校人才培養貢獻力量。

一流專業建設是一流課程建設的指引，而一流課程建設則是一流專業建設的重要支撐，二者共同構成建設一流本科教育的一體兩翼[7,8]。作為河北農業大學化學專業本科生的第一門專業基礎必修課，無機化學課程擔負著培養學生對化學專業興趣和知農愛農培育的重任。然而，在“新農科”背景下，當前高等農林院校的無機化學教學尚存在許多問題：(1) 無機化學課程的知識點缺乏和“新農科”深度融合，如何將“新農科”建設潛移默化融合到無機化學課程的教學中成為課程教學的難點；(2) 無機化學課程章節內容繁多、結構抽象難懂，如何實現對學生要求不降低、教學內容不減少基礎上提高教學效果和學生接受程度，成為無機化學課程教學的瓶頸；(3) 教學缺乏實質創新，課堂缺少有效互動，教學中難以將“新農科”有效地傳遞給學生，導致教學效果和“新農科”結合收效甚微，成為無機化學課程教學的痛點；(4) 傳統的學業考評采用結果性、單一性考核方式，缺少嚴謹的平時成績考核標準，如何對學生的動態成長變化給予較為科學的評價結果，成為無機化學課程教學改革的重點；(5) 學科前沿融入甚微，與日常生活實際的銜接也不夠緊密，導致學生普遍缺乏學習興趣和動力，成為無機化學課程教學改革的關鍵點。因此，如何解決“新農科”背景下無機化學課程教學過程中的難點、瓶頸和痛點，突出教學重點和把握關鍵點，成為無機化學教學改革的核心內容，也是建設無機化學一流課程、支撐化學國家一流本科專業建設的重要引擎。

當前，國內學者也在致力于對無機化學課程進行各種改革嘗試。楊艷華等[9]在無機化學教學過程中，以基礎理論知識為主線，融入化學發展史、化學家的主要貢獻、化學學科和生產生活的緊密聯系以及當代科技研究前沿等內容，構建無機化學課程思政教學體系。朱宇萍課程團隊[10]通過啟發探究式教學模式，讓學生進行探究、分析、推導、創新和修正，從而清晰地認識到無機化學課程知識的前后邏輯關系，培養了學生的科學辯證思維能力。武漢大學胡鍇團隊[11]針對無機化學存在的問題，以結構主線貫穿教學，注重知識網絡的建立以及“適用”和本質原則的教學理念下，對無機化學內容進行整合，有效幫助學生，了解化學本質、體會化學魅力，掌握學習化學的思維方式，提高學生的知識應用能力。大連理工大學胡濤教學團隊在將信息技術與高等教育深入融合的基礎上，實踐基于信息技術的數字化教學模式創新，對無機化學一流課程的建設進行了有益探索和嘗試，實現了“以學生為中心”培養高素質創新型人才的教學目標，教學團隊的教育理念得到切實改變，教學能力得到提升，課程建設成效顯著[12]。然而，如何在“新農科”背景下進行無機化學課程的教學改革與實踐，目前鮮見文獻報道。鑒于此，本文為解決“新農科”背景下無機化學教學中存在的問題，構建了具有鮮明特色的“12345 + N + N + 1”教學模式，使得“新農科”有效地融入了課程教學全過程，課程教學效果得到顯著改善，為河北農業大學化學國家一流本科專業建設發揮支撐作用。

1 “12345 + N + N + 1”教學模式的內涵和意義

無機化學課程從目標設計、課程重構、資源重組、教學過程、評價體系和反思迭代等方面進行了多年探索，逐步構建了“12345 + N + N + 1”教學模式(圖1)，依據這個模式對課程進行了教學改革和教學實踐，形成了無機化學課程的“新面貌”和化學一流本科專業建設的“新亮點”。

圖1 無機化學課程的“12345 + N + N + 1”教學模式結構

“1”是一個中心，以河北農業大學化學專業學生的全面發展為中心，結合“新農科”背景下學校新時代知農愛農新型人才的培養需求，實現由“教師主宰課堂”“學生被動參與”向“教師引導課堂”“學生成為教學活動中的主角”的變革。

“2”是兩個維度，以“線上資源建設”和“線下活動設計”兩個維度，兩者齊頭并進，相輔相成，實現線上、線下兩個維度的有機融合、相互促進。

“3”是三個目標，知識目標：培養學生歸納、總結和記憶無機化學基本知識理論；能力目標：培養學生獨立思考、自主學習、發現并解決問題的邏輯思維能力，及不斷探索學科前沿的興趣和能力；素質目標：培育學生創新創業思維，高度社會責任感、民族自豪感和愛國意識等，實現知識傳授、能力培養、價值塑造“三位一體”的知農愛農新型人才培養目標。

“4”是四個環節，“線上驅動”“線下強化”“鞏固提高”“擴展創新”，四個環節四輪驅動共同向前，打造無機化學一流課程、為化學一流本科專業建設錦上添花。

“5”是五個課堂：改革第一課堂(理論講堂)，將傳統的以教師為中心的教師講堂轉換為以學生為中心的翻轉課堂；開辟第二課堂(空中課堂)，通過學習通網絡平臺，讓學生隨時隨地自主學習；延伸第三課堂(實踐課堂)，通過個人作業、分組活動、項目學習等形式，磨練學生的學以致用、創新實踐能力；活躍第四課堂(在線答疑)，充分利用學習通、微信、QQ等交流互動平臺對疑難問題及時進行交流和反饋；挖掘第五課堂(擴展創新)，依托創新工作室、微信公眾號等強化學生解決實際問題的能力，激發學生的創新思維，鍛煉學生的創新創業能力(圖2)。

第一個“N”是多樣化、多層次的混合式教學過程。無機化學課程教學過程采用問題為導向(PBL)教學法、啟發式教學法、翻轉課堂等教學方法，教師設置環環相扣的問題，以讓學生講學生評、以練代講、案例點評、研討辯論等多種方式，喚醒學生自主學習意識，逐步引導學生“獨立思考–探討辯論–主動分享–學以致用”，不僅將授課內容串成易于梳理的“邏輯線”，而且實現了打破沉默的交互課堂，讓學生成為教學活動的主角(圖2)。在此過程中，引入思政元素、學科前沿、“新農科”建設、農業生產知識和創新創業思維，讓枯燥乏味的化學知識與生動形象的科學案例、農業實踐相結合，打造真正有溫度的課堂。通過“線上驅動、線下強化、鞏固提高、擴展創新”四環節緊緊相扣，實現“第一課堂的改革”“第二課堂的開辟”“第三課堂的延伸”“第四課堂的活躍”和“第五課堂的挖掘”，為化學專業綜合性創新人才的培養奠定基礎。

圖2 無機化學課程的五個課堂和混合式教學過程

第二個“N”是多維度的評價體系。課程以教學目標、教學活動與教學評價高度一致為基本原則，廢除“一錘定音”式的結果性考試，加強過程性考核評價，建設“三位一體”的評價方式。“三位”是線下成績、線上成績和期末成績，綜合得到總評成績即“一體”。線下成績包括出勤、作業和課堂表現等；線上成績包括小組任務、課程視頻學習、隨堂測驗、思維導圖等，重視組間評價、組內評價、自評等多維度的評價方式，促進學生全面發展。

最后一個“1”是反思迭代。反思迭代目的是改進創新，不斷進行迭代修訂，反過來為課程的教學改革提供有力數據支撐，形成一個循序漸進的閉環過程。教師根據學生學習情況和教學反饋進行研討，總結教改成功之處，并對存在的問題進行反思，通過研討，對教學資源和教學方法進行迭代更新。

2 課程改革“新面貌”，一流本科專業建設“新亮點”

在“12345 + N + N + 1”教學模式下，無機化學課程改革實現了“新農科”背景下知識體系重構和課程內容重建、案例教學分層設計、資源重組，塑造凝練學習通平臺、創建“凱米斯垂的奇妙小屋”、推進課程思政建設和落地創新創業教育等多方面工作的“新面貌”，構筑一流本科專業建設“新亮點”。

2.1 知識體系重構和課程內容重建

無機化學課程打破原來章節的限制，遵循“以結構為主線貫穿教學全過程”“樹立知識的整體觀”“適用原則”，構建如圖3所示的知識模塊，多方面、多層次地逐步引導學生建立“結構決定性質，性質決定應用”思維模式；讓學生用簡單的模塊思維學習復雜的知識，培養學生歸納總結及解決問題的能力；為增加課程間的有效銜接、減少知識點和其他學科重復的問題，本課程教學中本著“適用”原則，在明確知識體系本質的原則上，精簡部分內容。例如：配位化學基礎介紹組成和命名，其余內容就給配位化學課程重點介紹；熱力學基礎僅重點介紹化學熱力學，其余內容留給物理化學課程等。

圖3 無機化學課程的知識模塊和知識體系重構

課程將知識結構碎片化，錄制微視頻、編寫自學提綱、安排章節小測，選用適合學情的擴展閱讀作為延伸學習。注重“基礎知識”，夯實學生基礎；注重“擴展知識”，擴大學生的知識面；注重“科研反哺教學，引入學科前沿”，拓展學生視野；注重“思政教學”，立德樹人，實現教學內容的創新性、高階性和挑戰度，讓學生挑戰更高階的內容。

2.2 案例教學“低起點、緩爬坡、高落點”分層設計

無機化學課程注重案例教學，尤其注重選擇與實際緊密結合的案例。教學案例采用“低起點、緩爬坡、高落點”的分層設計(圖4)，讓學生逐步提升，掌握知識的同時，還能由內向外激發情感，強化學生的學習動機。無機化學課程表面看是理論，實際上與農業生產、實際生活、環境保護等聯系緊密，所以課程教學不僅強化學生扎實的理論，更注重學生實踐應用能力的培養。例如，用“高山上為什么煮不熟雞蛋”作為低的出發點，設計了一連串教學案例“怎樣才能煮熟雞蛋？”“這個方法現實能不能實現？”“實際生活中為什么能用高壓鍋解決？”最后以科學前沿“水熱合成為什么是研究熱點？”“小小反應釜，威力大”作為最終落點，不僅將不同章節知識緊密聯系，而且還能讓學生科研依據于理論學習，強調化學實驗室安全重要性，培養學生良好的安全實驗素養。

圖4 無機化學案例教學的“低起點、緩爬坡、高落點”分層設計舉例

2.3 資源重組，塑造凝練學習通平臺

依托“12345 + N + N + 1”教改理念和教學資源，創建、塑造、凝練無機化學課程的學習通平臺(圖5)。平臺教學資源豐富優良，堅持“動態與靜態”“基本與擴展”“個性與共享”三結合，教學微視頻、章節測試，“無機化學助教”小講堂，“頭腦風暴”小課堂，思維導圖，擴展閱讀和課程思政等資源齊全；強調教學資源的與時俱進，引入科學前沿，設置主題討論，讓學生討論“探索三星堆年代中動力學奧秘”“反應熵，一種新的世界觀”等，讓學生充分認識到生活中處處有化學。

2.4 原創“凱米斯垂的奇妙小屋”公眾號，鋪設以學生為中心的思政教育建設之路

無機化學課程原創“凱米斯垂的奇妙小屋”公眾號(凱米斯垂為英文“Chemistry”諧音)，為學生提供思政教育成效檢驗的平臺，采取特色思政元素和多元途徑實現專業教育與思政教育的雙向互利：(1) 思政元素并不局限于思想政治方面，還涵蓋了學生的創新精神、科學精神、社會責任感等諸多方面；(2) 不僅僅強調專業課程對于深化思政教育的支持，更要探究思政教育對于專業課程的反哺以及“思政”與“課程”的雙向互贏；(3) 不僅通過任課教師課堂講授引入，更要強調以學生為主，讓學生參與，學生學、學生查、學生論、學生做、學生演，甚至還讓學生把學到的內容內化表達出來，以報告的形式、甚至是讓學生編寫成公眾號推文推送在“凱米斯垂的奇妙小屋”里(圖6)。尤其是，結合“新農科”特色，讓化學專業學生與我校農林類專業學生學科交叉、共同創作公眾號的“新農科”專欄，將無機化學課程巧妙地融入到“新農科”建設中；(4) 創建特色的試題庫，將思政元素與專業知識有機融合在一起，科學全面評價學生的學習效果，讓學生充分感受到化學的魅力，激發學生學習的興趣，鋪好本課程思政教育的建設之路。

圖6 無機化學課程以學生為中心的課程思政全過程

2.5 以創新工作室為平臺，以創新創業項目為著力點，將創新創業教育與課程教學深度融合

無機化學課程以“凱米斯垂”“以桿探源”和“納百川”3個校級創新工作室為平臺，以獲批的國家級、省級和校級創新創業項目為著力點，采用多項措施將創新創業教育與專業教育相融合：(1) 創建層次遞進的專創融合點集，喚醒學生的創新意識；(2) 設計多元化的教學活動，激發學生創新思維；(3) 以創新創業項目、相關賽事為引導，鍛煉學生創新創業能力；(4) 搭建微信公眾號、創新工作室等多元化的擴展應用平臺，增強學生的創新創業能力；(5) 構建多維度的考核體系，給專創融合的探索提供科學依據。通過將專業教育和創新創業教育多維度相融合，讓學生掌握專業知識的同時，培養學生的創新創業精神，鍛煉創新創業的能力，全面提升學生的綜合素質，真正將創新創業教育落地在無機化學課程教學全過程。

3 “12345 + N + N + 1”助推一流本科建設實效

從無機化學課程開展“12345 + N + N + 1”教學改革以來，課堂活躍度大大提高，學生的學習積極性和主動性有了明顯提高，師生之間、生生之間的線上和線下互動性大大提高，教學效果得到明顯的改善，學生的綜合能力得到提高，極好地助推了化學一流本科建設。

3.1 課程取得的建設成果

無機化學課程是學校、學院認定化學專業的第一門線上線下一流課程，不僅滿足基本教學使用，還能有效支撐化學專業國家一流專業的建設工作。2020年，課程還獲批了河北省教研項目“專業教育與思政教育雙向互利的無機化學課程思政案例庫建立的初步探索”。在“12345 + N + N + 1”模式下，重構的課程體系、重組的課程內容模塊新穎、合理；搭建的課程學習通平臺教學資源豐富，可滿足教學各環節的需求；多樣化教學方法的應用改變了無機化學單一的教學模式，激發了學生的學習積極性，培養了學生的自我掌控能力，同時該模式更注重交流討論和評價機制，培養了學生的知識表述能力和團隊協作精神；多維度的考核體系科學評價學生學習的過程性和結果性，自實施以來學生更加重視無機化學的學習，學習態度端正，學習積極性高，成績理想，教學效果好，學生反饋很好。如圖7所示，與實施前的學生成績相比，“12345 + N + N + 1”模式的兩輪實施有助于學生平均分(圖7A)、及格率(圖7B)和優秀率(80分以上，圖7B)全面提高，也收到學生的積極反饋(圖7C)。

圖7 “12345 + N + N + 1”模式實施以來學生成績提高和積極反饋舉例

3.2 專業教育與思政教育雙向互利的成效非常明顯

通過學生參與的主題討論、編寫的微信公眾號推文以及完成的分組任務，發現學生都很喜歡無機化學這門課，認同自己選擇的化學專業，堅定自己的目標并為之努力奮斗；目前完成“化家講壇”一系列微信公眾號推文，字里行間體現出對老一輩科學家的尊敬和向老前輩學習的決心，并勵志新時代，燃燒自己的熱情，揮灑自己的熱血，譜寫年輕人的奮斗篇章(圖8)。學生注重理論與農業生產的聯系，運用所學的溶液依數性知識解決農業生產中遇到的“過度施肥燒苗”和“土壤反滲透”等實際問題，并發表過2篇依數性的微信公眾號推文。通過帶領學生學習“雜交水稻之父”袁隆平教授團隊歷經多年辛苦培育“海水稻”的思政案例，在傳遞溶液依數性知識點的同時，實現專業教育與思政教育雙向互利，鼓勵學生爭做新時代知農愛農新型人才。

圖8 “12345 + N + N + 1”模式助推專業教育與思政教育雙向互利

3.3 學生創新創業能力得到提升

創建“凱米斯垂的奇妙小屋”微信公眾號，學生進行專創融合的應用平臺，設有“菲常化學”“實驗安全”“丙哥談化”和“化家講壇”4個欄目(圖9)，從主題選取、編輯推文以及推送都是以學生為主體進行的，教師只是引導和指導，目前已推送近百篇推文，推文主題涉及化學與生活、化學與農業、化學與社會、化學與經濟、化學與環境等，特別是結合學校特色，引入知農愛農的推文，助推知農愛農新型人才培養。

圖9 “凱米斯垂的奇妙小屋”微信公眾號的欄目舉例

經過多年實踐，課程組完成“基于化學專業學生創新能力培養的‘多維實踐平臺’的構建”1項創新創業項目；在《教育》期刊上發表論文“創建公眾學習平臺 提高大學生創新實踐能力”1篇；整理論文“探析構建公眾號平臺與培養大學生創新實踐能力的關系——以‘凱米斯垂的奇妙小屋’公眾號為例”榮獲校級教研論文三等獎，目前正在投稿；整理的“指尖上的化學”創業企劃書榮獲2021年校級大學生挑戰杯比賽三等獎。

組建的“凱米斯垂”學生團隊涵蓋化學專業4個年級的學生組成(圖10)，近5年來學生主持大創項目國家級3項，省級1項、校級7項；榮獲大學生挑戰杯、互聯網+等比賽國家銅獎1項、省級獎勵9項、校級獎勵9項；發表論文近20篇，其中本科生發表SCI收錄一區1篇，發表微信推文近百篇，面向先鋒小學、保定特殊教育中心、春之聲幼兒園等舉辦科學走出去活動6次，反饋非常好。“凱米斯垂”團隊榮獲2020年校級創新創業優秀團隊，被遴選為河北農業大學學生創新創業聯盟成員。在學生團隊創新能力提高的同時，教師團隊的綜合素質得到了很大程度的提升，主持省級教研項目1項、參與完成省級教研項目1項、校級教研項目3項，榮獲校級教學成果二等獎1項；副主編4部教材、2部參編教材；發表教研論文5篇；榮獲校級教研論文比賽一等獎、二等獎、三等獎各2項；榮獲2020年校級線上教學大賽、創新教學大賽三等獎各1項。獲批“凱米斯垂”“以桿探源”“納百川”3個校級創新工作室；本課程團隊2020年榮獲校級優秀創新創業教師團隊。

圖10 “凱米斯垂”學生團隊創新創業數據統計和反饋舉例

4 結語

基于化學國家一流本科專業建設和河北農業大學辦學特色，在“新農科”背景下，通過知識體系重構和課程內容重建、案例教學分層設計、塑造凝練學習通平臺、創建“凱米斯垂的奇妙小屋”、推進課程思政建設和落地創新創業教育等多項舉措，構建具有鮮明特色的“12345 + N + N + 1”教學模式。從無機化學課程開展“12345 + N + N + 1”教學改革以來，本科生學習積極性有了顯著提高，“新農科”有效地融入了課程教學全過程，課程教學效果得到顯著改善，學生的綜合能力得到提高，有效地支撐了化學國家一流本科專業建設，系統化、精準化、特質化培養大批知農愛農新型創新人才，為高等農林院校的教育教學改革提供了有力借鑒，具有較強的推廣應用價值。