新農科背景下“無機及分析化學”創新教學與實踐

吳秋華，趙影，王俊敏，常青云，李芝，董彥莉，唐然肖，王春

河北農業大學理學院，河北 保定 071001

為促進新時代中國高等農林教育高質量發展，2019年，“安吉共識”吹響了新農科建設的“集結號”；“北大倉行動”明確了新農科建設實施方案，為涉農高校基礎課程改革指明了方向[1,2]；“北京指南”標志著新農科建設的全面展開。從“安吉共識”到“北大倉行動”，再到“北京指南”，共同構成了新農科建設體系[3]。涉農高校是強農興農的“國之重器”，建設新農科是振興高等農林教育的重大戰略。為加強新農科建設，培養新型農林人才，必須深化教育教學改革，把教學改革成果落實到課程建設上[2]。

無機及分析化學是高等農林院校非化學專業學生的一門公共基礎課程，該課程的學習為后續的有機化學、生物化學、食品化學等課程提供必要的基礎知識，且將會對今后專業課的學習發揮深遠的影響。新農科建設對高等農林院校教育教學提出新的要求，需要培養品德優良、基礎扎實、能力過硬的“創新型、復合型、應用型”等新型農林人才[4]，無機及分析化學課程改革勢在必行[5–8]。

1 新農科背景下無機及分析化學教學改革要解決的重點問題

目前，無機及分析化學課程教學主要存在以下問題：

(1) 近年來，高校教學改革導致化學類通識課程的學時數一再被壓縮，教師不得不利用有限的課堂時間進行填鴨式滿堂灌，不能給學生更多的獨立思考空間，學生參與度差，學習興趣低。

(2) 化學知識與農林專業內容的關聯性差。目前無機及分析化學課程的教學側重于化學知識的系統傳授，很少把相應知識點與農林專業課程的教學內容進行關聯，二者間存在嚴重脫節，導致學生不能很好地利用化學知識創造性解決本專業的一些實際問題。

為解決上述問題，我們充分利用網絡優勢，將教學資源進行了再建設，創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模式，通過課程內容重構，改革教學方法，突出適用于新農科人才培養的知識體系和典型案例教學，通過農林專業知識與化學知識相融合，提升農業科學與化學的關聯性。

2 融合農科的無機及分析化學教學內容與資源建設

2.1 教材設計

教材建設是人才培養的關鍵環節，為適應新時代農林學科的發展，根據農林類專業對無機及分析化學知識的需求，我們整合和精選教學內容，自編具有農林特色的教材，注重化學知識在農業科學中的應用，讓學生掌握專業發展所需的化學知識。

(1) 在每章的引言部分提出與實際生產生活及農林相關的問題，以激發學生的學習興趣，并在教學中適時給出或引導學生得出相應的答案。例如在第九章分析化學概論引入的“健美豬”的真相(因違法使用了瘦肉精)，除了激發學生學習興趣、體現分析化學的重要性外，還警示學生在農業養殖中要心懷社會責任，避免投機取巧。

(2) 體現信息時代特征，在有關章節中，提供一些化學及相關學科的網站，讓學生通過網站查閱與智慧農業相關信息，土壤重金屬、農藥殘留等最新檢測方法及國家標準等。每章習題中也增設凸顯農林特色的習題，例如根據溶液依數性，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，計算飼料中蛋白質的含量；根據分光光度法測定土壤中P2O5的質量分數、植物中全磷的含量等；拓展學生獲取、更新知識的新渠道和方法，培養多方位解決問題的能力。

(3) 在每章最后設有前沿視窗欄目，主要介紹章節內容與農林相關的研究進展，例如溶液和膠體章節加入電泳技術在生物科學領域的研究；配合物章節中加入土壤和飼料中螯合物的研究，滴定分析章節中加入顏色傳感器在水質硬度自動滴定分析中的應用；吸光光度法章節中加入植物中黃酮類物質含量的研究進展。以此拓展學生視野，提高學習興趣，引導學生關注未來的發展。同時介紹重要的化學家，比如蓋斯、阿倫尼烏斯、鮑林等，以化學史實鑒古知今，啟發學生認識化學的發展規律。

2.2 教學內容體系設計和教學資源建設

2.2.1 教學內容體系設計

為實現無機及分析化學與農科的有效融合，對教學內容重新進行分類，分為基礎知識、應用知識、拓展知識。基礎知識包括化學動力學、熱力學基本原理和物質結構的基本理論，四大化學平衡規律及定量分析等知識。應用知識是引導學生用無機及分析化學知識解決農業科學問題。例如，我們以植物、化肥、農藥為切入點，與學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；將農藥殘留、食品安全、環境污染與化學教學緊密結合，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，從而培養學生解決復雜問題的能力。拓展知識為具有一定挑戰度的知識，例如，從植物中提取色素制備天然酸堿指示劑，并進行實際應用；利用配位平衡和沉淀溶解平衡，設計處理牡蠣養殖海水中重金屬的方案等。旨在對學生進行高階性訓練。讓學生具備自主探究、主動創新的能力。

教學內容進行整合之后，明確了無機及分析化學與農科的融合切入點，凸顯了化學基礎課對農科學生的重要性，增加了學生的學習興趣和學習積極主動性，課程教學效果也得到了顯著改善。

2.2.2 教學資源建設

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

圖1 五位一體的教學資源

三個線上資源：包括引入的國家級精品在線課程、自建的學習通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；自建的學習通平臺保證了普適性和互動性；創設的公眾號保證了時效性和趣味性。自建學習通平臺的建設中，注重化學基礎知識與農科的融入，比如，開發了系列“學以致用”主題討論、頭腦風暴、學科前沿、專創融合等獨創性專欄，實現與學生的全方位互動，引導他們運用所學理論知識解決實際問題。

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

2.3 課程思政建設

近年來，教育部相繼出臺了系列文件，要求把課程思政建設作為落實立德樹人根本任務的關鍵環節，并全面部署了課程思政建設[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，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，在課堂教學中結合學科和專業特點自然融入思政元素、充分發揮課程思政的感染力、價值力和吸引力，以培養學生專業責任、科學態度以及服務“三農”的意識。建立了完備的課程思政資源庫，具有豐富的教學供給，將思政元素自然融入教學的各個環節。積極打造“互聯網+思政課”教學模式，充分利用移動互聯網帶來的便捷，打通線下教學與線上交流的壁壘，依托“學習通”SPOC平臺，設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科知識及創新前沿自然融合，培養學生自律自強、勇于挑戰、敢于擔當的責任意識以及科學辯證的思維習慣。在微信公眾號“無機及分析化學會”中設置“春風化雨”“快樂化劇”和“創享化作”等特色育人專欄，以培養學生的愛國情懷，激發學習興趣和創新思維，注重在輕松的環境中給學生潛移默化的正向引導，使學生樹立正確的學習觀和價值觀。通過不同的教學方式，將專業知識之外的思政素材，如：科技前沿動態、時事焦點新聞等融入教學過程，努力建設廣視角、多層次的課程思政體系，充分發揮基礎化學課程的“全方位”育人功能。本課程被認定為省級思政示范課程。

3 凸顯農化特色的教學實施

依托完備的教學資源庫(學習資料庫、拓展知識庫、思政資源庫、專創融合素材庫)，運用多種教學方式，實現互動式教學。為了實現以學生為主體、具有農-化特色的課程教學，我們精心設計了互動環節，并通過三結合的方式實施教學，發揮學生的主觀能動性。

3.1 結合專業特色，開創學以致用主題討論和“頭腦風暴欄目”，凸顯農-化特色

將重要知識點精心設計成學生喜聞樂見的討論主題，讓學生拓展思考討論。比如“能否用海水灌溉海水稻？”“石墨可以轉化成金剛石嗎？”“堿性食物會改變血液pH嗎？”“螯合劑如何實現排鉛毒？”“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，協同推進學生綜合素質與能力的培養。深受學生歡迎和好評。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業科學家們，長期扎根農業一線，致力于讓鹽堿地變高產田，培養學生學農愛農情懷和社會責任感。而在“堿性食物會改變血液pH嗎？”主題討論的解析中，對社會上有關堿性保健食品的錯誤宣傳也不失時機地進行了辟謠。學生們收到答案解析后紛紛點贊，留言說既體會到了知識應用與實踐的樂趣，又深受啟發和鼓舞。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“頭腦風暴欄目”中，通過對每章知識進行趣味大盤點，讓學生快樂學習知識，并將思政元素融入，將化學知識與農林專業知識相關聯，激發學生結合所學專業進行創意方案設計，滿足新時代不同專業人才培養的重素質、強基礎、筑能力要求。比如在分析化學的頭腦風暴欄目中，讓學生結合所學專業，說說分析化學可能會解決哪些專業問題？有哪些靈感突發和專業創意？學生積極反饋，食品專業的學生說可以開發水果甜度測試儀、果蔬農藥殘留試劑盒等；農業資源與環境科學的學生則想設計一個水質分級的簡易裝置，利用配位滴定原理測水的硬度，適不適合直接飲用或農用。還可以采用高錳酸鉀法測定水中化學需氧量，從而監測飲用水源、魚塘等的水質；園藝專業的學生說將來水培花卉或蔬菜，可利用滴定分析隨時監測溶液中的營養成分含量，比如溶液中含氮量的測定。

3.2 結合學科前沿和生活熱點進行分享討論，提高學習興趣，拓展農-化融合

設立“諾貝爾獎大家談”“3.15曝光臺”和生活熱點分享討論，引發學生共鳴、提高學習興趣，既加深知識的理解，又讓學生感受化學的魅力。我們及時在線分享諾貝爾化學獎，比如，分享2020年諾貝爾化學獎“號外！號外！2020年諾貝爾化學獎揭曉！‘基因魔剪’你想怎么用？”。用通俗的語言介紹了“基因魔剪”，并引導學生聯系自己所學專業，大開腦洞，說一說“基因魔剪”在所學的專業領域都可以如何發揮魔力。學生們響應積極，給出了天馬行空的想象和精彩發言，比如農學專業的學生留言：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，我們讓學生自己查閱資料，了解食品藥品監督管理局是如何檢測出健美豬、健美牛、健美羊的？動物產品中“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”，讓學生知道問題根源，并拓展思考：利用所學配位滴定知識，制訂掉色香蔥中銅含量的測定方案。

3.3 結合課外拓展實踐，提升創新實踐能力，體現農-化融合魅力

依托大學生創新創業實驗室、本科實驗室和科研室，定期組織學生完成具有一定創新性和挑戰度的創新實踐活動，自主完成實驗方案設計、實驗實施和過程拍攝任務，激發創新思維，提升創新能力。課程組絕大部分教師都具有雄厚的科研實力，利用科研優勢，進行科教融合，將學科研究的前沿和熱點適時引入課堂，豐富教學內容，拓展學生視野；另外，注重專創融合，授課知識點與專創融合切入點有機融合，培養學生創新思維方法。鼓勵和引導學生積極參與創新創業項目和教師科研項目，提升學生創新能力。比如結合酸堿指示劑的知識點，我們組織學生進行了拓展實驗，學生就地取材，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，進行創新應用探究，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合，設計適合家庭操作、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。指導學生的創新實驗獲得河北省大學生化學實驗設計大賽特等獎兩項、一等獎兩項。證明了通過科教融合和專創融入式教學，有效提升了學生創新思維、科研思維和科技創新能力，充分體現了農-化融合的魅力，滿足新農科背景下培養新型農林人才的要求。

4 課程建設與改革的成效

教學過程中，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%)構成。期末試卷中除考查基礎知識外，還專門增設了約10%的開放性題目，注重考查學生創新思維和學以致用的能力，并反饋課程思政效果。課程建設與改革取得了令人非常滿意的教學效果，學生成績明顯提高。與改革前相比，學生成績的優良率明顯提高，不及格率顯著下降(圖2)；2020–2021學年問卷調查結果表明學生對課程的滿意度很高(> 95%)，絕大多數學生給出了5星好評，94%學生認為自主學習能力提高，88%學生學認為辯證思維能力提升，84%學生認為應用能力得到提高，82%學生認為拓展創新能力有很大提升(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、課程思政優質課程和專創融合優質課程。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劃教材和全國高等農林院校十二五規劃教材各一部。后者被評為全國農林教育優秀教材，被我校和多所農林高校使用。師生獲得校級、省級多項獎勵，實現了師生共進、教學相長。

圖2 改革前后無機及分析化學期末成績統計對比圖

圖3 學生能力提升

5 結語

根據新農科人才培養需求，本課程建立了豐富的線上線下教學資源，通過多維度、互動式教學，體現了以學生為中心的教學理念，有效提升了學習興趣和學習能力。本課程注重將化學知識點與農林相關專業內容有機融合，提高學生綜合運用知識解決復雜實際問題的能力。注重科教融合和專創融入，將教師科研與教學相融合，激發學生挑戰高階性課題熱情和勇于創新的精神，受到了學生普遍歡迎和認可。我們將持續進行教學改革，為實現中華民族的偉大復興培養能肩負使命、勇于擔當、追求卓越、具有知農愛農情懷和強農興農本領的一流新型農林人才。