新農(nóng)科背景下競賽成果深度融入化學實驗教學的探索與實踐

聶海瑜，張晨輝，高玉霞，杜鳳沛

中國農(nóng)業(yè)大學理學院，北京 100193

2019年教育部發(fā)布了《安吉共識——中國新農(nóng)科建設宣言》，中國“新農(nóng)科”建設的序幕拉開，中國高等農(nóng)林教育發(fā)展開始進入新時代[1,2]。農(nóng)林院校面向新農(nóng)科背景下的“脫貧攻堅、鄉(xiāng)村振興、生態(tài)文明”等戰(zhàn)略需求，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。人才培養(yǎng)模式開始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。復合型人才需要具有多學科知識的相互轉(zhuǎn)化和應用的能力。

目前化學實驗教學中存在一些問題：(1) 教學內(nèi)容陳舊，與科研前沿脫節(jié)，難以激發(fā)學生興趣和引領學生與時俱進；(2) 教學內(nèi)容與農(nóng)業(yè)特色結(jié)合不緊密，沒有形成化學與農(nóng)學等其他學科的交叉融合；(3) 缺乏思政元素，缺乏樹立學生愛農(nóng)情懷的引領，沒有達到課程思政與專業(yè)教育協(xié)同育人的效果[3,4]。以上問題嚴重阻礙了復合型人才的培養(yǎng)。

創(chuàng)新類實驗競賽是大學生創(chuàng)新實踐的重要組成部分[5]，是學生將理論知識應用于科研并緊隨科研前沿的活動，也是鍛煉學生創(chuàng)新能力和綜合實踐能力的有效途徑。創(chuàng)新類實驗競賽產(chǎn)生了很多與科研成果緊密相連的優(yōu)秀作品。

本研究針對化學實驗教學中的以上問題，將競賽成果深度融入實驗課程，反哺實驗教學，并挖掘思政元素，在實驗內(nèi)容設計和教學模式方面進行探索與實踐，樹立學生愛農(nóng)情懷，培養(yǎng)有良好科學素養(yǎng)的化學復合型人才。

1 競賽成果深度融入化學實驗教學的探索

北京市大學生化學實驗競賽是化學學科每年舉辦的一個重要的省部級競賽[6]，競賽分為實驗技能競賽和創(chuàng)新實驗設計競賽兩種形式，隔年交替進行。在校化學專業(yè)本科生均可參加該創(chuàng)新實驗設計競賽，年級不限，自由組隊，學生參與熱情高。學生自愿選擇教師作為指導教師，在教師的指導下，選擇科研課題，經(jīng)過4–5個月，設計具有基礎性、科學性、前沿性、創(chuàng)新性、環(huán)保性的實驗項目，經(jīng)過反復實驗和驗證，完成實驗項目，最終以提交實驗指導書、實驗論文和實驗視頻的方式參賽。參賽項目經(jīng)過學校評選后進入北京市大學生化學實驗競賽。我校連續(xù)十年參加該競賽并獲獎，產(chǎn)生了很多優(yōu)秀的獲獎作品。

競賽成果都與科研前沿和熱點問題緊密相連，將成果與實驗教學有效結(jié)合，不僅使教學與時俱進，也可以激發(fā)學生的好奇心和興趣，提高對課程的積極性[7,8]。而且在競賽結(jié)束后將競賽成果繼續(xù)延續(xù)到課程中，這也將極大增強參賽學生的專業(yè)認同感和自豪感。未參加競賽的學生也能從課程中學有所思、學有所用、學有所得，參加競賽的熱情會得到激發(fā)，從而更多學生愿意去參加更多的競賽挑戰(zhàn)自己和鍛煉自己，競賽得到更多的成果產(chǎn)出，學生通過競賽又進一步提升了自己的創(chuàng)新能力和科學素養(yǎng)，從而能形成“競賽成果饋贈教學-教學激勵競賽”的良性循環(huán)鏈條。

表面及膠體化學實驗是中國農(nóng)業(yè)大學化學專業(yè)三年級本科生的一門重要的專業(yè)必修實驗課程，共48學時，可以鞏固學生的表面及膠體化學理論知識，提高學生利用化學知識分析和解決農(nóng)林、環(huán)境等學科相關問題的實驗能力，對培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和科學素養(yǎng)、嚴謹?shù)目茖W態(tài)度具有重要的作用。課程實驗項目主要為膠體化學中傳統(tǒng)的驗證型實驗項目，落伍于當今時代，無法達到新農(nóng)科要求的人才培養(yǎng)的要求。

本文以表面及膠體化學實驗課程為例，堅持理農(nóng)結(jié)合的理念，探討并實踐將競賽成果深度融入實驗教學的改革，緊密結(jié)合農(nóng)業(yè)特色，挖掘思政元素，在實驗內(nèi)容和教學模式上進行改革和實踐，推進農(nóng)科與理科的交叉滲透，促進復合型人才的培養(yǎng)。

2 競賽成果深度融入化學實驗教學的實踐

2.1 競賽成果融入實驗內(nèi)容

2.1.1 實驗內(nèi)容充分融合競賽成果

從2014年第四屆北京市大學生化學實驗競賽開始，本校連續(xù)多屆在以創(chuàng)新實驗形式為主題的北京市大學生化學實驗競賽中獲得特等獎、一等獎和二等獎。獲獎作品均為學生每年在科研實驗室自行設計新課題并進行4–5個月研究所得到的科研成果。

從本校在北京市大學生化學實驗競賽多個獲獎作品中挑選部分具有農(nóng)業(yè)特色的作品以及關注納米材料、綠色材料離子液體等科研熱點、緊密聯(lián)系時代的作品，根據(jù)課程要求，陸續(xù)將其有效轉(zhuǎn)化為新的研究探討型實驗項目(表1)，逐漸融入到表面及膠體化學實驗內(nèi)容中，這不僅能激發(fā)學生積極性，開拓學生視野，而且在培養(yǎng)學生具有農(nóng)業(yè)和化學知識的同時緊隨時代的科研前沿，使學生能力培養(yǎng)適應新農(nóng)科背景下的復合型人才需求。

表1 競賽獲獎作品轉(zhuǎn)化為課程實驗項目的實例

例如“相轉(zhuǎn)變組分法制備10%咪鮮胺納米乳液”這個作品中涉及到的納米乳液在藥物制劑與高效傳遞、石油開采、化妝品、食品乳品營養(yǎng)與加工、農(nóng)藥等領域有著廣泛應用，將這個作品轉(zhuǎn)化為具有農(nóng)業(yè)特色的“納米乳液的制備表征及粒徑調(diào)控”實驗，使學生掌握納米乳液的制備方法并研究制備因素對性質(zhì)的影響，在納米物質(zhì)和農(nóng)學領域進行結(jié)合，培養(yǎng)學生跨學科思維。

表面及膠體化學實驗為48學時。在保持總學時不變的情況下，融合競賽成果，更替陳舊內(nèi)容，減少每個實驗項目時長，將項目數(shù)量由原有4個逐漸增加到6個。原有實驗項目中75%為驗證型實驗，25%為研究型實驗。大部分實驗內(nèi)容落后于時代發(fā)展，學生學習積極性不高。為了使實驗內(nèi)容與時俱進，增加由競賽成果轉(zhuǎn)化的新實驗項目，并替換50%驗證型實驗(表2)，改革后課程70%實驗項目均為競賽成果轉(zhuǎn)化的新實驗項目，達到實驗內(nèi)容與科研成果緊密結(jié)合，與時代發(fā)展相適應的目的。

科研和時代熱點總是在不停變化，但經(jīng)典的實驗方法并不隨時間而陳舊過時。培養(yǎng)學生具有應用經(jīng)典的實驗方法來研究新科研熱點的能力，這也是培養(yǎng)新時代學生創(chuàng)新能力的重要部分。因此課程除了引進競賽成果之外，保留了具有農(nóng)業(yè)特色的研究型實驗和經(jīng)典實驗，在其基礎上進行改進，結(jié)合科研熱點，增加研究性和探討型實驗內(nèi)容(表2)，使全部實驗項目都改革成為研究探討型項目，加強學生研究能力的培養(yǎng)。

表2 課程實驗項目的改革

例如“固體顆粒的沉降分析”是傳統(tǒng)的經(jīng)典實驗，通過測定碳酸鈣粉末在溶液中的沉降行為來得到其粒徑分布，在原有內(nèi)容基礎上融入納米材料新內(nèi)容，采用經(jīng)典的沉降分析法測定不同尺寸的納米二氧化硅顆粒在溶液中的沉降行為，研究納米二氧化硅和非納米材料碳酸鈣微粒的不同粒徑分布，并探討結(jié)構(gòu)、尺寸等對顆粒沉降行為的影響，將實驗改進成為“沉降分析法研究固體顆粒在溶液中的沉降行為”研究探討型實驗，不僅加深學生對納米材料的了解，而且使學生掌握經(jīng)典方法來研究新材料性質(zhì)，培養(yǎng)學生的知識遷移和創(chuàng)新能力。

2.1.2 有機融入思政元素

針對課程育人環(huán)節(jié)不足的問題，秉持習近平總書記提出的“所有課堂都有育人功能”的教育新理念，深入挖掘?qū)嶒炛械牡掠睾蛢?nèi)涵，將思政教育中的“樹立愛農(nóng)情懷、建立綠色化學理念、加強環(huán)保意識、激發(fā)創(chuàng)造美好生活的責任感”等價值觀以潤物細無聲的方式融入專業(yè)教育中，推動“思專教育”協(xié)同育人效果。具體內(nèi)容見表3。

表3 實驗內(nèi)容中的思政元素融合點

例如，在具有農(nóng)業(yè)特色的“殺菌劑硫懸浮劑的制備表征及性質(zhì)研究”實驗中，使學生認識到：殺菌劑硫懸浮劑具有對各種蔬菜、水果、糧食作物等殺菌、殺蟲、補充營養(yǎng)的重要作用，從而能提高作物產(chǎn)量，同時不污染作物；硫懸浮劑是市場上水基化農(nóng)藥制劑中發(fā)展最快、加工工藝最為成熟、可加工農(nóng)藥活性成分最多的制劑種類。學生不僅能掌握該制劑制備的成熟工藝，而且緊跟農(nóng)藥制劑市場動態(tài)，了解農(nóng)藥制劑的發(fā)展及其對農(nóng)業(yè)領域的重要影響，在知農(nóng)的基礎上樹立愛農(nóng)情懷。

在實驗內(nèi)容中引導學生關注時代熱點，激發(fā)學生勇于承擔責任、為創(chuàng)造未來美好生活而奮斗的意識。近些年我國科技發(fā)展取得明顯進步，科技進步最終是為了服務于人民的生活，使人民的生活日益美好。高新技術(shù)的發(fā)展都是以新材料為基礎和先導的。目前我國新材料發(fā)展和國外還有差距，存在不少“卡脖子”問題有待解決。納米材料是近二十年來頗受關注的熱點材料，已應用在電子、醫(yī)藥等諸多行業(yè)。在“銀納米顆粒的制備及性質(zhì)研究”和“沉降分析法研究固體顆粒的沉降行為”實驗中，引入兩種重要納米材料——納米銀和納米二氧化硅，講述納米銀和納米二氧化硅發(fā)展史及其在日用化工、軍事、醫(yī)藥等領域中的具體應用和難題，使學生感受到國家科技發(fā)展、人們的生活與新材料的發(fā)展息息相關，了解到材料的應用發(fā)展還有很多限制有待突破，激發(fā)學生關注時代熱點的意識和創(chuàng)造美好生活的責任感。

習總書記提出“金山銀山不如綠水青山”的觀點，這就要求人們養(yǎng)成保護環(huán)境的意識。對于化學發(fā)展而言，安全的綠色化學成為必然趨勢，才能保證環(huán)境可持續(xù)性發(fā)展。例如在“兩種咪唑類離子液體的表面活性及膠束化性質(zhì)研究”實驗中，給學生介紹綠色新型物質(zhì)離子液體的用途：離子液體可替代傳統(tǒng)有害溶劑，作為萃取溶劑用于提純分離或是作為反應溶劑已經(jīng)應用于很多類型反應中，不僅不會污染環(huán)境，而且降低成本，實現(xiàn)經(jīng)濟和環(huán)保雙效益。通過引導學生關注了解綠色材料，建立學生發(fā)展綠色化學的理念，樹立環(huán)保意識。

2.1.3 豐富研究探討型實驗內(nèi)容

2.1.3.1 設置不同反應條件

傳統(tǒng)的實驗課程中，所有學生所做的同一個實驗內(nèi)容都是相同的。由于實驗學時所限，很多實驗只能完成一個或者兩個反應條件下的實驗內(nèi)容，從而影響了學生對整個實驗的理解和探討的深入程度。

在每個實驗項目里設置不同反應條件，細化條件參數(shù)，引導學生分組分別完成不同反應條件下的實驗。每個學生根據(jù)所有組得到的數(shù)據(jù)來分析和討論不同反應條件對實驗的影響，從而完成實驗報告的撰寫。在有限的學時內(nèi)學生分組完成不同條件下的同一實驗，有效深化了學生對實驗的研究和探討，培養(yǎng)學生的科研思維，提升學生科研素養(yǎng)。

例如“殺菌劑硫懸浮劑的制備表征及性質(zhì)研究”實驗中，由于殺菌劑硫懸浮劑的制備時間較長，以前的實驗中所有學生制備硫懸浮劑的配方都是一樣的。配方中分散劑對硫懸浮劑的制備影響較大。現(xiàn)在，學生分組采用三種不同的分散劑以及不同的研磨時間來制備硫懸浮劑，根據(jù)三組的實驗結(jié)果研究不同的分散劑、研磨時間等因素對硫懸浮劑的穩(wěn)定性、分散性、潤濕性、粒徑等性質(zhì)的影響規(guī)律和原因，有效加強學生對殺菌劑硫懸浮劑制備的理解。

例如“銀納米顆粒的制備及粒徑調(diào)控”實驗中，pH對銀納米顆粒的合成影響較大。因此在實驗中設置三個反應條件pH 6.10、8.30、11.10，分別對產(chǎn)物進行粒徑、紫外光譜等表征。學生分組進行三個不同pH條件下的反應，根據(jù)所有實驗結(jié)果詳細討論銀納米顆粒性質(zhì)如何受pH的影響和原因，加強了學生對科研熱點納米材料合成知識的掌握。

例如“納米乳液的制備表征及粒徑調(diào)控”實驗中，納米乳液是熱力學不穩(wěn)定體系，反應溫度、水相的滴加速率、外加電解質(zhì)等對制備的納米乳液性質(zhì)有較大的影響。在實驗中細化實驗條件，分別設置兩個反應溫度：50 °C和70 °C，水相的兩個滴加速率：1滴/秒和1滴/2秒，兩個外加電解質(zhì)：NaCl、Na2SO4。學生根據(jù)合成和表征結(jié)果，研究各個因素對納米乳液制備的影響規(guī)律，并探討其機理。

2.1.3.2 設計基礎和拓展實驗

傳統(tǒng)實驗中步驟都很詳細，每個學生跟著步驟做同樣的實驗，學生的發(fā)揮空間受限。而且不同學生的實驗能力也不同，這也限制了學生的個性化學習。

本研究在所有的實驗項目中都設計了必做的基礎實驗和可供選做的拓展實驗部分。拓展實驗部分是在基礎實驗上的進一步深化研究。在學時內(nèi)，如果學生完成基礎實驗部分后還有時間剩余，可以選擇拓展實驗部分，加深對實驗的理解，充分實現(xiàn)學生個性化學習。

例如“銀納米顆粒的制備及粒徑調(diào)控”實驗中，基礎實驗部分中學生完成不同pH條件下的合成以及表征。拓展實驗部分設計了納米銀的抗菌實驗，研究其抗菌性能，學有余力的學生可以選擇繼續(xù)做進一步的研究。

“納米乳液的制備表征及粒徑調(diào)控”的基礎實驗研究了不同溫度、水相的滴加速率、外加電解質(zhì)對制備納米乳液的影響，拓展實驗進一步探討攪拌速率對制備納米乳液的影響，繼續(xù)深化學生對實驗的理解。

2.2 教學模式改革

2.2.1 樹立學生團隊合作意識

新農(nóng)科背景下很多難點問題的解決都需要團隊分工合作才能完成。適應新農(nóng)科需求的人才需要具有良好的分工合作精神。

將競賽成果轉(zhuǎn)化為研究和探討型實驗項目的實踐中，對所有的實驗項目都設計了多個反應條件，由于學時有限，需要學生分工合作，才能在同一時間完成整個實驗。針對95后和00后學生具有鮮明的個性特點、獨立性較強、合作精神相對差的特點，引導學生實驗前進行分組預習實驗，實驗中小組內(nèi)部之間、組與組之間一起分析問題和解決問題，分工配合完成一個完整的實驗，實驗結(jié)束后，小組共同探討所有的實驗結(jié)果，完成實驗報告。整個實驗過程樹立學生團隊合作意識，加強學生團隊精神。

2.2.2 線上線下協(xié)同教學

在“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下，依托網(wǎng)絡教學平臺，將翻轉(zhuǎn)課堂等教學模式引入到課程實驗教學中，構(gòu)建了合作學習、生生互動、師生互動的交互式、混合式教學模式，改變了傳統(tǒng)“教師講授、示范，學生跟做”授課形式，將教師講授、示范的內(nèi)容轉(zhuǎn)移至課堂外和線上，加強課堂討論環(huán)節(jié)，實現(xiàn)線上線下教學內(nèi)容充分結(jié)合，激發(fā)學生為自己學習和對自己負責的意識，充分促進學生個性化學習，提高了學生自主學習能力。

課前，學生在線上網(wǎng)絡教學平臺通過文字和立體化資源完成預習，撰寫預習報告。學生進入實驗課后，教師不再講解實驗的整個過程，采取翻轉(zhuǎn)課堂和啟發(fā)式教學，激發(fā)學生對課程討論的參與度，按組隨機抽取學生來講解實驗內(nèi)容，對于學生的疑問先由課堂學生小組之間討論，教師再答疑；此外，教師對實驗內(nèi)容進行啟發(fā)式提問，將內(nèi)容進行相關拓展，加深學生對知識的關聯(lián)和掌握。比如“兩種咪唑類離子液體的表面活性及膠束化性質(zhì)研究”實驗中采用電導率方法來測定表面活性劑的臨界膠束濃度，對學生進行啟發(fā)式提問：“除了電導率方法外，還有什么方法可以測定表面活性劑的臨界膠束濃度？”促使學生將以前所學的知識進行關聯(lián)，促進科研思維的培養(yǎng)。

實驗課后，學生完成報告，老師除了線下答疑外，增加微信群、郵件等線上方式進行答疑。整個實驗過程改變傳統(tǒng)的學生被動學習的方式，轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W生為主體、充分促進學生的思考和自主學習。

3 實踐成果

3.1 建立了實驗教學內(nèi)容更新的長效機制

科研成果是寶貴的教學資源，具有前沿性，能有效激發(fā)學生興趣和培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神。以建立在科研成果上的學科競賽為牽引，有效融合具有農(nóng)業(yè)特色的科研成果于實驗教學中，使實驗教學內(nèi)容與時俱進，建立了實驗教學內(nèi)容更新的長效機制。

3.2 形成“競賽成果饋贈教學-教學激勵競賽”的良性鏈條

競賽成果反哺實驗教學后，不僅學生實驗能力得到提高，而且更多學生積極主動參加到校級、省部級和全國學科競賽中，通過競賽從而得到更多成果，更多的成果繼續(xù)融合到實驗教學中，形成“競賽成果饋贈教學-教學激勵競賽”的良性循環(huán)鏈條。

3.3 思政與專業(yè)教育協(xié)同育人

思政元素在實驗教學中的有機融合，在學生知農(nóng)的基礎上樹立學生愛農(nóng)情懷，學生的團隊合作精神明顯增強，加強了學生的綠色環(huán)保意識，激發(fā)學生創(chuàng)造美好生活的責任感，達到“思專教育”的協(xié)同育人效果。

3.4 培養(yǎng)學生良好的科學素養(yǎng)

學生的創(chuàng)新能力和科學素養(yǎng)得到提升。本科生在近五年的學科競賽中連續(xù)獲得佳績。

全國大學生化學實驗邀請賽中，物理化學實驗方向的參賽學生連續(xù)三屆取得優(yōu)異成績：2016年獲得全國二等獎，2018年獲得全國一等獎，2021年獲得全國二等獎。

2019年和2021年創(chuàng)新類北京市大學生化學實驗競賽中，物理化學方向參賽的所有學生隊伍均獲獎，獲獎率為100%，而且2021年參賽4支隊伍榮獲1個特等獎和3個一等獎，獲得物理化學方向參賽以來的最佳成績。

4 結(jié)語

新農(nóng)科背景下，農(nóng)業(yè)院校化學實驗課程承擔的重要使命是引導學生樹立愛農(nóng)情懷，培養(yǎng)農(nóng)業(yè)院校具有農(nóng)業(yè)知識的化學復合型人才。堅持科教融合、理農(nóng)結(jié)合的理念，在表面及膠體化學實驗中探索并實踐將競賽成果深度融入教學的改革，提升思政育人意識，結(jié)合農(nóng)業(yè)特色，緊隨科研前沿，夯實了學生扎實的知識基礎，培養(yǎng)學生團隊合作精神，激發(fā)學生創(chuàng)造美好生活的意識，提升了學生的創(chuàng)新能力和科學素養(yǎng)，對與新農(nóng)科人才培養(yǎng)相符的農(nóng)林院校的實驗教學改革進行了有益的嘗試。