新農科背景下農林院校物理化學課程建設的改革與實踐

張晨輝，李向東，趙曉東，路慧哲，馬琛，杜鳳沛

中國農業大學理學院，北京 100193

在服務于中華民族偉大復興戰略全局的大背景下，黨和國家對農業人才培養提出了新方向、新要求和新措施，傳統農林教育迎來重大變革。2019年，全國農林院校共同謀劃開啟了“新農科”建設，從安吉共識、到北大倉行動、再到北京指南，“三部曲”層層遞進、環環相扣，共同構成了“新農科”建設體系，持續推動高等農林類專業人才全面發展，從此我國農林高等教育改革步入新時代。“新農科”建設的目標之一是加快培養高層次、高水平和國際化的創新型農林人才[1]。因此，培養“新農科”人才須具備堅實牢固的知識結構和勤于探索的創新精神，具有寬闊的學術視野和敏銳的學術思維，能夠引領世界農業未來發展。

課程是知識的重要載體，深化課程建設服務于“新農科”人才培養模式是當前的重要任務。與國外頂尖農林院校(如康奈爾大學、瓦赫寧根大學)相比，我國課程體系中知識生產模式大都遵循“認識論”的哲學基礎，以知識本身為目的，追尋知識的“學術價值”，追求知識的真理性、學術性；而較少遵循“政治論”為哲學基礎，以知識“應用價值”為目的，突出知識的應用性、技術性和多元性[2,3]。為順應時代要求，筆者所在中國農業大學物理化學教研團隊，多年來一直致力于農林院校物理化學課程改革，并取得了較好實踐效果。本文將從農林院校物理化學課程現狀出發，通過課程建設理論研究得出課程建設思路，并用于理論與實驗課程的具體實踐。

1 物理化學課程的現狀

1.1 課程定位不明確

物理化學是化學學科中的哲學，是研究化學變化和物理變化過程的普遍規律[4]。在農林院校中，物理化學課程是應用化學、制藥工程、資源環境、生命科學、食品科學等專業的必修課，不僅有助于學生掌握變化過程的科學規律，構建專業學科學習的理論基礎，同時培養學生的科學思維能力。近年來，隨著課程體系改革，物理化學課程定位愈發模糊，相較于普通化學、無機與分析化學、有機化學等化學類公共基礎課，本課程開課專業、授課時長逐漸縮減。以中國農業大學為例，除化學類專業外，僅生物學院、資源與環境學院、食品科學與營養工程學院開設48課時物理化學理論課和實驗課，授課人數在400人左右，占全校本科生10%。由此，物理化學儼然已成為農林院校數理化基礎課弱勢群體中的弱勢群體，面臨著巨大挑戰。

1.2 課程內容難度高

物理化學課程內容龐雜(如表1所示)，理論性強，邏輯縝密，被公認為是化學學科中最難學的課程之一。其主要原因是，物理化學明顯區別于其他化學分支學科，從問題引入到過程分析，再到結論推導，均需較好的數理基礎，往往造成學生畏難情緒。同時隨著高考不斷改革，諸多學生在高中階段并未選修物理或化學，導致課程難度進一步加劇。在傳統課程體系中，化學熱力學作為物理化學課程內容中的最大難點往往占據最重要部分，而與農林學科密切相關的膠體與界面化學所占比重較小，甚至在部分院校中作為自學內容。然而，當前農林科學中關鍵“卡脖子”問題，包括土壤修復、功能食品、納米農藥等均與膠體與界面化學息息相關。因此，近五年來我校在開設的物理化學課程中，弱化化學熱力學、化學動力學等傳統知識內容比重(從70%降至50%)，強化膠體與界面化學等新興領域課程內容(從14%升至30%)，以此提升學生學習興趣。

2 物理化學課程建設研究

2.1 準確把握國家發展戰略

2021年，習近平總書記在中央人才工作會議上指出，要大力培養使用戰略科學家。其一，具有自我驅動力和戰略眼光，能夠較好把握世界科技發展趨勢和國家戰略需求；其二，具有卓越領導才能，善于獨立思考，善于組織大規模科技創新活動；其三，具有崇高的道德風尚，具備跨界學習能力。國家教育發展始終服務于人才發展戰略，在“新農科”背景下，培養農林類創新人才具有重要意義。中國農業大學作為農林院校的排頭兵，始終以強農興農為立校之本與使命擔當，把立德樹人成效作為檢驗教學工作的根本標準，堅持價值引領，突出知行合一，在情懷浸潤、培養模式、實踐育人等方面不斷探索，努力培養更多高素質知農愛農新型人才。因此，以物理化學課程建設為抓手，始終培養適應環境變化的能力，培養終身學習和自主學習的理念，培養勇于實踐和腳踏實地的作風，培養團隊領導和團隊協作的擔當，讓學生成為具有國際視野和家國情懷，具有獨立批判精神的農林科技人才。

2.2 準確把握學生主體作用

學生是課程學習的主體，其通過學習活動養成良好的學習習慣，獲得知識與技能，為將來走上社會做準備。因此，教學中應準確把握學生特點，面對他們尚未完全成熟的心理特征，將人文關懷貫穿教育教學全過程，實現全程育人、全方位育人，培養懂農業、愛農村、愛農民，具有強農興農情懷和使命的農業人才。以人為本，尊重學生切身利益與需求，讓學生在課程學習中感受實實在在的獲得感和成就感，以高價值和高成功預期共同構成學生課程學習的驅動力，消除畏難情緒，激發學生學習動機，取得學業成功。

2.3 準確把握教師教學作用

物理化學具有較強的邏輯性、系統性、抽象性，對授課教師要求較高。教與學作為一個整體，教師應始終把握教不是目的，更不是任務的理念，讓學生學會、會學、會用、愛用。在教學過程中，準確把握物理化學課程的特點，化學熱力學、化學動力學作為整個物理化學的經典、核心和基礎，在有限課時內，應系統講解相關概念、公式、應用等，將抽象的內容具體化、通俗化；電化學、計算化學、膠體與界面化學等分支化學均為當今前沿交叉熱點研究領域，應及時更新授課內容，將科技發展引入課堂實踐。通過教師課程教學，培養學生正確的人生觀、世界觀和價值觀，塑造學生健全人格，在努力和天賦之外，賦予學生思維能力，拓寬學生成長空間(見圖1)。

3 物理化學課程建設改革

3.1 課程育人貫穿始終

課程思政是課程教學之魂，在形成良好科學文化素養的同時，培養學生正確的政治方向，高尚的道德情操，端正的家國情懷，寬廣的國際視野以及高度的社會責任感。課程思政要避免模式化、套路化，始終把做人做事的基本道理、社會主義核心價值觀的要求、實現民族復興的理想和責任自然而然地融入物理化學的各個教學環節，實現立德樹人潤物無聲[5,6]。在講授相關理論知識時，通過課堂內容相關的知識舉例，或讓學生課外進行調查研究，實現教師和學生的良好互動，通過率先垂范和言傳身教潛移默化地影響學生，促進專業知識教育和知農愛農為農素養相連通，培養學生引領未來的能力[7]。例如，在講授卡爾文公式在人工降雨中的應用時，其原理為過飽和的水蒸氣在凝結核存在下迅速形成水滴，其與“星星之火，可以燎原”的含義不謀而合。

3.2 “新農科”教材建設

教材作為傳播知識的主要載體和人才培養的主要劇本，其質量優劣決定了人才培養的效果。為了在理念、內容和形式上更好地滿足新時代人才和國家戰略需求，同時融合2020年教育部新農科研究與改革實踐項目之“新農科基礎化學課程體系與新形態教材建設”成果，筆者所在中國農業大學等13家國內農林院校教師共同修訂《簡明物理化學》(第3版)，結合《習近平新時代中國特色社會主義思想進課程教材指南》的要求，有機融入思政元素，弘揚國家和民族的基本價值觀，體現人類文化知識積累和創新的豐碩成果，把立德樹人貫穿教材建設全過程[8]。其中，電化學部分結合能源環境問題和實現“碳中和”目標，在研究拓展中介紹太陽能電池、固態電解質等研究熱點；“界面現象”增加了超分子聚集形式、納米乳液等新的研究成果等。

3.3 提高課程“兩性一度”

授課過程中，要始終突出以學生為中心，注重能力培養，結合授課效果，形成持續改進機制。以“金課”為標準，提高課程的高階性、創新性和挑戰度，培養學生解決復雜問題的綜合能力。強調理科文講，針對物理化學課程內容難度高的現狀，將邏輯性、科學性與故事性、現實性有機結合，實現“無痛教學”。注重物理化學學科特有的世界觀和方法論，明確物質結構、物質組成、化學反應和變化規律的內在聯系。準確把握基礎知識與交叉前沿的關系，以夯實基礎、有限拓展為原則，保證課程內容的完整性。適度科學友好“增負”，讓學生用課程中理論知識解析生活中常見現象，比如荷葉形成露珠、晚霞染紅天空等，增強學生的成就感和獲得感。

3.4 轉變教學方式方法

教育不是灌輸，而是點燃火焰。除采用新型教學信息化手段，如雨課堂、智慧樹、中國大學慕課等線上線下結合的教學方式外，應以激發學生創造力為導向，實現課程從預習到學習再到復習的全方位改革。課程建設的核心是興趣培養，課程建設的關鍵是學習能力培養，課程建設的支撐是激發學生的主觀能動性。因而，授課教師應由主角向導演轉變，通過改革考試方式，用好教學指揮棒，成績評定方式包含日常表現、匯報討論、課程論文、期末考試等部分(見表2)，注重理解和思考能力，不提倡死記硬背，加大非標準答案型題目和學生自主命題的題目。

表2 物理化學理論課成績評定方法(以中國農業大學為例)

4 物理化學課程建設實踐

4.1 理論課程建設實踐

4.1.1 與現實問題相聯系

物理化學知識與實際生活息息相關，在授課時舉例現實生活中常見問題背后的物理化學原理，既能調動學生積極性，同時深化課程學習。如鴛鴦鍋中紅油沸騰快涉及多組分系統熱力學、多孔材料吸附環境污染物涉及化學動力學模型、鋤地保墑涉及彎曲液面的附加壓力、農藥霧滴彈跳附著涉及固-液界面相互作用。2022年北京冬奧會的成功舉辦，其背后諸多黑科技均與物理化學理論知識有關(見圖2)[9]。圖2A顯示滑冰背后的基本原理，與常規利用克拉佩龍方程解釋壓強增加導致冰層熔點降低不同(相平衡)，通過計算化學可知表面水分子在平移運動中能壘較低而更具有流動性；圖2B顯示具有特殊涂層的滑雪板，表面微納結構導致水滴在其表面為超疏水而呈現出低黏附的Cassie-Baxter狀態(界面現象)，有利于越野滑行。

圖2 滑冰(A)和滑雪(B)中涉及的物理化學基本原理[9]

4.1.2 與前沿科技相聯系

物理化學是化學的靈魂，同樣是材料科學、納米技術、環境科學、食品工程的基礎。在前沿科技研究熱點中，無論是儲能材料、超浸潤性，還是土壤修復、功能食品、納米農藥等均涉及物理化學相關知識。因此，在課程建設實踐中，變考知識為主變考能力為主，鼓勵學生針對本專業相關科研問題進行探討。如下文中的例1設計農藥水乳劑制備過程中所涉及的物理化學基本原理，與農林院校應用化學、制藥工程等息息相關。同時，在課程考核中要求學生從近五年發表的高水平學術論文中凝練2道與課程內容相關的習題，并附上原始文獻、出題思路、題目和標準答案，并給出課程命題評分標準(見表3)，將有機會作為期末考試試題被選用，從而激發學生的學習欲望，不僅提高課內知識的掌握程度，同時提升科研論文閱讀水平。例1為結合農藥制劑中常見劑型——水乳劑，要求學生利用物理化學中基本原理，闡明水乳劑的制備方法、乳化劑作用原理、主要失穩機理產生原因(見圖3)及解決方案。

圖3 農藥水乳劑中幾種主要失穩機理示意圖

表3 課程命題/論文評分標準(以中國農業大學為例)

例1：農藥水乳劑是指不溶于水的固體原藥溶解在有機溶劑中，在乳化劑的作用下以一定分散度的油滴分散在水中形成的多相分散體系，是有發展潛力的環境友好劑型，主要通過乳化法制備。

請回答以下問題：

(1) 乳化方法主要有哪些？乳狀液主要有哪些種類？

(2) 目前農藥水乳劑的制備一般采用十二烷基苯磺酸鈣和聚醚類非離子型表面活性劑作為乳化劑復配使用，請根據乳化劑的作用原理說明使用復配乳化劑的優勢？

(3) 目前在長期儲存過程中農藥水乳劑依然存在奧氏熟化、聚結、分層析水等物理穩定性問題，請提出一些進一步改進物理穩定性的措施。

4.1.3 與國家發展相聯系

始終關注國家農林領域科研發展方向，培養學生善于解決國家發展關心的熱點、難點、重點問題。以國家重點研發計劃為例，“變革性技術關鍵科學問題”重點專項2021年度項目申報指南中，關于“超鋪展液滴調控技術用于高效農藥利用的基礎研究”課題，其核心與農藥高效利用息息相關。借此機會，筆者所在教學團隊要求學生遵從申報指南，按照國家自然科學基金申請書模式，包括立項依據、研究內容、研究目標、擬解決的關鍵科學問題、研究方案、可行性分析等維度對所選項目進行匯報，并依據表4中評分標準組織教師現場評審。兩組團隊分別以“基于有機硅與陽離子表面活性劑新型復配超鋪展體系的應用研究”和“基于修飾聚乙二醇聚合物同時實現農藥黏附與潤濕”為題進行展示，取得了良好效果。這不僅培養了學生家國情懷，同時鍛煉了團隊合作及解決實際問題的能力。

表4 匯報討論評分標準(以中國農業大學為例)

4.2 實驗課程建設實踐

物理化學實驗對于夯實物理化學理論基礎知識、培養學生的化學實驗技能具有重要意義。通過實驗教學，培養學生科學思維能力，在驗證和發現實驗現象中總結歸納物質變化規律和內在機制；培養學生信息加工能力，在對比實驗數據和理論數據中正確地評價數據信息并做出新的預測；培養學生的科學素養能力，在尊重科學和實踐基礎上培養學術靈敏性、精確性和科學性。因而，在我校實驗課程建設改革中，將“動手能力”的培養變為“研究能力”的培養，強調“手腦并用、手腦并重、手腦協調”；同時，采用線上線下混合式教學，課前通過線上資源針對實驗原理、實驗步驟進行預習，課上授課教師強調實驗操作關鍵點和難點，課后提交研究論文式實驗報告，其中中英雙語實驗占比50%；并針對長課時課程實驗，采取分工合作式教學，讓學生對比分析實驗中存在的問題并進行結果討論。

在實驗課程實踐基礎上，本校學生在各級化學實驗競賽中不斷創造佳績。如圖4所示，參賽作品“相轉變組分法制備10%咪鮮胺納米乳液”(第11屆北京市大學生化學實驗競賽一等獎)，其實驗內容不僅涉及膠體與界面化學的知識，也涉及多組分系統熱力學中相圖的繪制，現已轉化為本科生課程實驗。可喜的是，在2021年舉辦的第13屆北京市大學生化學實驗競賽中，我校參賽的4支物理化學實驗隊伍全部獲獎，其中特等獎1項、一等獎3項，極大鼓舞了師生，也是對我校物理化學實驗課程建設改革的肯定。同時，學生在實驗課程中科研能力的培養，也進一步促進了自身科研水平的提升，2022屆我校化學類專業本科畢業生，在物理化學教研團隊的指導下，以第一作者身份在Colloid Surf.B-Biointerfaces和《高等學校化學學報》等學術刊物上發表論文，實現教學相長、教研相長的良性循環[10,11]。

圖4 相轉變組分法制備10%咪鮮胺納米乳液的實驗操作(A)、相圖(B)及乳液穩定性(C)

5 結語

沒有農業農村現代化，就沒有整個國家現代化，新時代、新使命要求高等農林教育必須創新發展，這既是國家賦予高等學校的重要責任，也是高等學校服務于國家和社會的立校之本。新農科的建設，給予了農林院校物理化學課程內涵式發展的契機，堅持學生主體地位，轉變教師教學方式，始終圍繞現實問題、前沿科技、國家戰略，主動識變、應變、求變，激發學生的學習興趣，培養適應力、學習力、思辨力、踐行力、創新力、領導力俱佳的卓越農林人才，肩負起知農愛農、強農興農的使命和擔當。