“新農(nóng)科”建設背景下分析化學創(chuàng)新教學模式的改革與實踐

張元紅，姜林，張麗麗，時偉杰，王艷芳，侯芹，侯菊英，李怡靖，萬福賢

山東農(nóng)業(yè)大學化學與材料科學學院 山東 泰安 271018

2019年6月28日，教育部發(fā)布了《安吉共識——中國新農(nóng)科建設宣言》，從此拉開了中國“新農(nóng)科”建設的序幕，中國高等農(nóng)林教育發(fā)展進入了新時代。在“新農(nóng)科”建設背景下，高等農(nóng)林教育面向“脫貧攻堅、鄉(xiāng)村振興、生態(tài)文明和美麗幸福中國建設”等戰(zhàn)略需求，主動對接正在全球興起的第四次產(chǎn)業(yè)革命，主動培養(yǎng)能夠適應和引領未來農(nóng)林發(fā)展需要的新型人才[1]。推進農(nóng)科與理、工、文學科的深度交叉融合，建設融會貫通的“新農(nóng)科”知識體系，是“新農(nóng)科”建設順利進行的重要支撐。

分析化學是高等農(nóng)林院校涉農(nóng)專業(yè)的一門公共基礎主干課程。通過本課程學習，可以培養(yǎng)學生利用分析化學的理論知識分析、解決農(nóng)林等學科相關問題的能力，為后續(xù)專業(yè)課程如環(huán)境化學、食品化學、生物化學、農(nóng)業(yè)化學等的學習提供扎實的分析化學基礎；可以培養(yǎng)學生新思維和能力、嚴謹求實的科學態(tài)度和精益求精的科研作風，為未來在新農(nóng)科及相關領域創(chuàng)業(yè)和深造打下堅實的分析化學理論基礎。

在“新農(nóng)科”建設背景下，我校積極探索多學科促進交叉融合的人才培養(yǎng)體系，著力由單一學科的人才培養(yǎng)模式向多學科交叉的復合型人才培養(yǎng)模式轉(zhuǎn)型，復合型人才需要具備多學科知識相互轉(zhuǎn)化和應用的綜合能力。分析化學課程團隊秉持“學用結(jié)合、學以實為貴”的教學理念，實現(xiàn)與農(nóng)科各專業(yè)的深度融合，積極探索和構(gòu)建了具有農(nóng)林特色的分析化學教學新模式——“三融入三結(jié)合”體系(圖1)，旨在培養(yǎng)具有分析化學學科素養(yǎng)、科學探究精神、創(chuàng)新思維和實際應用能力及三農(nóng)情懷的新型農(nóng)林復合型人才，充分發(fā)揮分析化學在新農(nóng)科建設中的重要作用。

圖1 農(nóng)科分析化學的教學新模式——“三融入三結(jié)合”課程體系

1 思政引領，鑄魂育人

在分析化學課程教學中，注重學生關注的社會熱點問題，尤其是分析化學在農(nóng)林學科領域新應用、新進展的案例，融入思政教育[2]。如圖2所示，在緒論部分甄選出合適的案例，解讀分析化學“眼睛”的作用，從而加強學生將所學知識與社會實際問題相結(jié)合，形成自己的科學觀，同時培養(yǎng)學生的社會責任感。

圖2 思政引領，認知分析化學“眼睛”的作用

切入：以“瘦肉精中毒事件”為切入點，豬從喂養(yǎng)到成為餐桌上的美食，中間經(jīng)歷了層層檢驗。豬飼養(yǎng)場是重點監(jiān)測的地方，從源頭杜絕在飼料過程中添加瘦肉精；宰前尿檢，最大限度地防止添加過瘦肉精的生豬流入屠宰環(huán)節(jié)；宰后肉檢，保證肉品質(zhì)量。從各個環(huán)節(jié)的瘦肉精檢測來看，分析化學扮演著“眼睛”的作用，有了分析化學的保駕護航，我們的食品安全才有保障。

拓展：分析化學滲透到我們生活、生產(chǎn)的方方面面，與我們的日常生活息息相關。比如：(1) 分析化學在利用質(zhì)譜技術(shù)判斷給定的分子來源方面發(fā)揮了巨大作用，使之成為了2006年的頭條新聞——贏得環(huán)法自行車賽冠軍的美國自行車運動員佛洛伊德·蘭迪斯尿檢顯陽性，證明其服用了睪酮類禁藥以提高成績。(2) 2012年，廣西龍江發(fā)生鎘污染事件，其中拉浪鄉(xiāng)碼頭前200米水中鎘含量超標高達80倍，鎘含量的實時數(shù)據(jù)為鎘污染處理方案提供了理論支撐。(3) 2020年，我國的新冠疫情得到了及時有效的控制，實時熒光定量PCR技術(shù)對新型冠狀病毒的核酸進行快速、準確的檢測，成為扭轉(zhuǎn)疫情防控的關鍵措施之一[3]。(4) 2020年全年，博瑞科技檢測中心共采集黑龍江、遼寧、內(nèi)蒙古等地區(qū)的玉米青貯樣本，采用酶聯(lián)免疫吸附法測定樣品中霉菌毒素的含量，分析了總體污染情況以及不同月份、不同采集區(qū)域的污染情況，為牧場或飼料企業(yè)工作人員保證奶源健康提供了理論參考。

升華：分析化學學科的發(fā)展在疾病醫(yī)療、食品安全、生態(tài)環(huán)境污染等影響人民健康的熱點領域發(fā)揮了重要的“眼睛”作用。中國共產(chǎn)黨歷來堅持以人民健康為中心的發(fā)展理念。2016年10月，中共中央、國務院印發(fā)《健康中國“2030”規(guī)劃綱要》，黨的十九大報告更是將實施健康中國戰(zhàn)略納入國家發(fā)展的基本方略，這充分體現(xiàn)了我們黨“人民至上、生命至上”的崇高理念。

分析化學各章節(jié)都蘊含著豐富的思政內(nèi)容，如表1所示。

表1 分析化學各章節(jié)思政元素設計

2 與農(nóng)科交叉融合，創(chuàng)新人才培養(yǎng)新模式

新農(nóng)科建設需要復合型、應用型等新型農(nóng)林人才，農(nóng)林高校應該更加注重學科融合和實際應用能力的培養(yǎng)。分析化學既是一門基礎課，又與農(nóng)林各專業(yè)學科有著緊密的聯(lián)系。利用這一優(yōu)勢，在實際教學中我們把專業(yè)知識與農(nóng)科元素有機結(jié)合起來，培育創(chuàng)造性解決農(nóng)林學科相關問題的新型人才。

農(nóng)業(yè)是立國之本，強國之基。習近平總書記指出，只要糧食不出大問題，中國的事就穩(wěn)得住。農(nóng)業(yè)研究離不開分析化學，我們從農(nóng)藥使用的視角，引導學生正確地認知農(nóng)業(yè)，將學生分四組進行調(diào)研。一組調(diào)研農(nóng)藥使用的利與弊，農(nóng)藥不僅是保護作物生長和糧食安全的重要幫手，也是影響農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全的主要風險因素。因此，如何趨利避害，科學、安全、合理地使用農(nóng)藥已成為關鍵。二組調(diào)研減少農(nóng)藥使用的方法——精準噴藥，它與精準播種、精準施肥等技術(shù)構(gòu)成了未來農(nóng)業(yè)的發(fā)展要素。三組調(diào)研提高農(nóng)藥劑量傳遞效率的方法。四組調(diào)研綠色農(nóng)藥的開發(fā)和使用情況。各組調(diào)研內(nèi)容通過撰寫小論文的形式在微信群討論、交流，讓學生了解農(nóng)業(yè)發(fā)展是糧食安全和食品安全的保障，是關系到治國安邦的頭等大事(圖3)。

圖3 農(nóng)藥使用情況調(diào)研

當前，土壤仍然是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不可或缺的重要生產(chǎn)資料。其中，氮對作物來說是最重要的營養(yǎng)元素，土壤氮含量的測定離不開分析化學的手段。在講解電位分析法一章前，給學生布置土壤中氮含量測定的實驗設計作業(yè)。本章內(nèi)容結(jié)束后，學生根據(jù)調(diào)研結(jié)果提供了不同的實驗設計方案——硝酸根離子選擇電極法測定土壤硝態(tài)氮含量、凱氏定氮法測定土壤全氮含量和分光光度法及儀器分析法測定土壤硝態(tài)氮含量(圖4)。學生以ppt講解的方式在課堂上匯報，交流實驗設計的原理、可行性、在實際檢測中的應用及土壤中各種形態(tài)氮含量測定的重要意義。

圖4 土壤氮元素含量測定調(diào)研

2014年發(fā)布的《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》顯示，全國耕地環(huán)境質(zhì)量不容樂觀，其點位超標率近20%[4]。2021年11月中共中央國務院印發(fā)了關于深入打好污染防治攻堅戰(zhàn)的意見，意見中指出打好凈土保衛(wèi)戰(zhàn)，深入推進農(nóng)用地土壤污染防治和安全利用，特別指出實施農(nóng)用地土壤鎘等重金屬污染源頭防治行動[5]。因此，工業(yè)廢水中鎘離子的檢測將為土壤重金屬鎘污染治理保駕護航。在講解配位滴定法一章前，給學生們設定目標——解決如何用配位滴定法測定含鎘、汞工業(yè)廢水中鎘離子含量的問題。隨著本章內(nèi)容的推進，同學們的思考也在不斷深入：(1) 學生分析了配位劑EDTA與絕大多數(shù)金屬離子配位的特點，結(jié)合混合離子選擇性滴定的方法，確定利用掩蔽解蔽的方法測定鎘離子含量；(2) 教師引導學生查閱鎘、汞配合物的穩(wěn)定性順序，選擇合適的配位劑進行掩蔽或解蔽；(3) 學生設計實驗方案，討論實驗的可行性，選擇最優(yōu)方案。經(jīng)過反復探討修正，得出鎘汞廢水中鎘的測定方法：用硫脲掩蔽汞離子，然后用EDTA標準溶液、XO為指示劑滴定分析含鎘、汞廢水中鎘含量。根據(jù)分析結(jié)果可確定降低廢水中鎘含量的方法，從而減少其對土壤的污染。

甜菜是保障我國食糖安全不可或缺的重要作物，通過監(jiān)測甜菜中還原糖含量，可確定甜菜的品質(zhì)[6]。在氧化還原滴定法一章講到碘量法測定葡萄糖時，學生調(diào)研糖甜菜中還原糖的測定方法。結(jié)合課程內(nèi)容，通過查閱、篩選、總結(jié)相關資料，學生們梳理出三種方法——高錳酸鉀法、間接碘量法和分光光度法(圖5)。教師總結(jié)、評價調(diào)研內(nèi)容，引導學生得出結(jié)論：檢測方法是不斷發(fā)展和完善的，穩(wěn)定性高、成本低、靈敏度高、檢測快速、重復性強的檢測方法是最有效的，從而培養(yǎng)學生思維的活躍性，提升學生綜合能力。課后學生調(diào)研提升甜菜品質(zhì)在鄉(xiāng)村振興、保障國家食糖安全方面發(fā)揮的重要作用。

圖5 甜菜中還原糖含量測定調(diào)研

蘋果是我國落葉果樹的第一水果，其中高類黃酮蘋果新品種營養(yǎng)保健價值高、品質(zhì)優(yōu)良，市場前景廣闊。我校陳學森教授創(chuàng)制出的高類黃酮蘋果優(yōu)異種質(zhì)CSR6R6，如今被保藏進中國科學院微生物研究所。在講到分光光度法一章時，引導學生查閱資料，分享蘋果果實中類黃酮的測定方法：在堿性亞硝酸鹽溶液中，類黃酮可以與鋁離子形成紅色絡合物，通過測定該物質(zhì)在510 nm處吸光度從而定量檢測類黃酮的含量。課后學生調(diào)研高類黃酮蘋果優(yōu)異種質(zhì)CSR6R6與其他蘋果雜交產(chǎn)生的新品種在助力產(chǎn)業(yè)振興和健康中國建設發(fā)揮的重要作用。

3 線上線下混合式教學，提升教學質(zhì)量

在線課程為實現(xiàn)教學創(chuàng)新和教育變革提供了新的途徑和方式[7]，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，各種線上課程正在崛起。線上課程在時間和空間上有了更大的自由性，并且課程內(nèi)容更具有靈活性和多樣性[8]；線下課程則更有利于學生能力的培養(yǎng)和良好師生關系的建立。因此，高校課程的教學逐漸向線上線下結(jié)合的方式發(fā)展。智慧樹教學平臺可實現(xiàn)在線教程、問答與討論、課程資料、作業(yè)考試等功能，學生可以更加方便地進行自主學習、互動討論、章節(jié)期末測驗和情懷涵養(yǎng)。基于智慧樹平臺優(yōu)勢，以學生知識需求為中心、以學生獲得創(chuàng)新思維和能力為導向、以涵養(yǎng)三農(nóng)情懷和家國情懷為目標，課程團隊經(jīng)過反復討論，確定了線上線下相結(jié)合的教學模式(圖6)。

圖6 農(nóng)科分析化學線上線下混合式教學模式

“新農(nóng)科”背景下，課程團隊進行了分析化學的特色在線課程建設。除了知識點的講解以夯實基礎知識外，所建在線課程突出了學科史實、“三農(nóng)”榜樣和原創(chuàng)性題目三大特色(圖7)。

圖7 農(nóng)科分析化學的特色在線課程建設

分析化學史是學科的產(chǎn)生、形成和發(fā)展及其演變規(guī)律的反映，它可以讓學生體驗科學知識和儀器研發(fā)的過程性[9]。課程團隊將分析化學知識產(chǎn)生和發(fā)展的過程作為線上課程特色內(nèi)容之一，以拓展學生知識視野、激發(fā)學生科學探究精神。例如，酸堿指示劑的發(fā)展過程可以看出，分析化學是以實驗為基礎的學科，很多重大的發(fā)現(xiàn)源于科學家善于觀察、勤于思考和勇于探索的品質(zhì)。再如，由貝克曼紫外可見分光光度計的誕生過程可以看出，分析化學是與工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學研究、日常生活聯(lián)系密切的學科，很多問題的解決與當時科學知識的積累、科技水平的發(fā)展和科學家們孜孜不倦的探究緊密相關。

我國“三農(nóng)”領域榜樣資源豐富，比如用一粒種子改變世界的“雜交水稻之父”袁隆平，把論文寫在大地上的“農(nóng)民院士”朱有勇，扎根大山、把生命定格在扶貧路上的“時代楷模”黃文秀和扎根“三農(nóng)”一線的科技尖兵苗保河等。將這些先進典型的事跡作為在線課程特色內(nèi)容之一，使學生獲得啟迪和鼓舞，進而模仿榜樣行為、形成與榜樣一致品質(zhì)的教育資源，最終培養(yǎng)更多“懂農(nóng)業(yè)、愛農(nóng)村、愛農(nóng)民”的具有家國情懷的新型人才。

課程團隊設計了符合農(nóng)科特點的原創(chuàng)性考試題目，實現(xiàn)學生知識的遷移和能力提升，從而培養(yǎng)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的領跑者、鄉(xiāng)村振興的引領者、美麗中國的建設者。如，2008年，綠色藻類滸苔開始席卷青島海岸，這一現(xiàn)象已成為過去十幾年中一個普遍現(xiàn)象。每到夏天，滸苔覆蓋沿著海岸線數(shù)千平方米范圍。滸苔綠潮極大地改變了海洋生態(tài)系統(tǒng)，嚴重威脅沿海水產(chǎn)養(yǎng)殖、漁業(yè)和旅游業(yè)的發(fā)展。海水富營養(yǎng)化是綠潮爆發(fā)的最主要的外在因素。因此，監(jiān)測海水中的氮、磷、鉀含量將為海水治理提供數(shù)據(jù)支撐，請學生們提供氮磷鉀的測定方法，他們通過查閱資料，提供了海水中氮磷鉀的測定方法——流動注射分光光度法在線檢測總氮、總磷含量，原子吸收分光光度法檢測鉀含量。

4 結(jié)語

在上述“三融入三結(jié)合”的教學模式下，學生不僅對分析化學有了新的認識，同時也對新教學模式的探索進行了反饋。利用網(wǎng)絡平臺，對我校齊魯學堂農(nóng)業(yè)、園藝、生技和植保專業(yè)的學生發(fā)布了問卷調(diào)查。問卷結(jié)果顯示，82.14%的學生認為在分析化學課程中融入與農(nóng)科專業(yè)融合的應用案例，對所學農(nóng)科專業(yè)知識學習有幫助(圖8a)，架起了分析化學與農(nóng)科專業(yè)的橋梁，充分發(fā)揮了分析化學在新農(nóng)科建設中的重要支撐作用；77.68%的學生認為引入思政案例，特別是與農(nóng)業(yè)學科有關的案例，對“知農(nóng)、愛農(nóng)、學農(nóng)”三農(nóng)情懷的培育有幫助(圖8b)，提升了分析化學課程的育人質(zhì)量；70.54%的學生更喜歡線上線下兩個維度的教學模式(圖8c)，這種教材與智慧樹平臺互補的立體課程體系，拓展了學生的學習渠道；85.72%的學生認為“三融入三結(jié)合”的教學模式對提高分析化學的學習興趣有幫助(圖8d)，促進了分析化學教學質(zhì)量的穩(wěn)步提升。

圖8 學生對“三融入三結(jié)合”教學模式的反饋

“新農(nóng)科”建設背景下，培養(yǎng)農(nóng)科學生扎實的分析化學理論基礎和技術(shù)應用能力，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和能力，涵養(yǎng)學生“知農(nóng)、學農(nóng)、愛農(nóng)”的三農(nóng)情懷，鍛造學生濃濃的愛國主義情懷，是農(nóng)科分析化學課程肩負的重要使命。課程團隊勇于擔當和作為，緊緊圍繞“新農(nóng)科”建設提出的學科交叉融合理念，對分析化學課程新教學模式進行了探索與實踐，實現(xiàn)了由注重理論知識講授逐步向?qū)W科知識遷移、轉(zhuǎn)化、吸收、應用為主的新教學模式，豐富和發(fā)展了“學用結(jié)合，學以實為貴”的辦學理念，夯實了學生扎實的理論基礎，提升了學生的創(chuàng)新意識和能力，培養(yǎng)了學生的科學素養(yǎng)，成為新時代農(nóng)科卓越人才培養(yǎng)體系中的重要環(huán)節(jié)。