新農科背景下“無機及分析化學”基礎課程教學與教法改革

汪快兵,呂波

(南京農業大學,江蘇 南京 210095)

新農科建設對化學基礎課教育的專業教師教學和學生學習提出了新要求。新農科建設主要是指運用現代科學技術在高等學校中設立新的農科專業或改革現有涉農專業,緊密圍繞鄉村振興戰略,以建設生態文明為依托,改革與創新原有課程體系,推進實踐教學,為鄉村全面振興提供更強有力的人才支撐[1］。傳統的“大班化”教學模式、單一的教法形式存在如下問題:教學難以覆蓋每一位學生,學生參與度低;教師與學生溝通少,學生難以保持學習興趣;一對多教學,難以提高所有學生的學習效率;難以維持良好的課堂紀律,書面作業批改任務繁重等,已經無法全面地滿足跨專業背景新型農業人才培養要求。無機及分析化學是動物醫學、農學、食品、植物保護等大農學專業的一門重要基礎課,其基本理論和化學分析技術對農林類專業學科的深層次發展起著舉足輕重的作用,是解決農業“卡脖子”機制問題的基礎科學工具。在教學過程中,為了保持自身課程的系統性、規律性與完整性,忽視了無機化學與分析化學知識點之間的串聯與協調性,知識的重復甚至脫節現象嚴重,內容繁雜課時少,且與大農類學科的交叉融合深度不夠,師生缺乏交流溝通,學生學習積極性不高。通過探索新的教學與教法,不斷提高教學質量,使學生能夠更好地成為新農科背景下的綜合型農業科技人才,符合未來社會發展需要,最終對接國家重大戰略需求。

隨著科學技術的高速發展,農業生產方式的重大轉變、農業產業結構的更新換代、新型農業經營主體的變更,社會對高層次農業人才也提出了更高的要求[2］。因此,推進高校涉農專業的交叉融合,是實現新農科教育與綜合型農業人才振興的有效途徑。2021年,中央一號文件明確指出,要加大涉農高校、涉農學科專業建設力度[3］。隨后,各農林高校圍繞培養方案改革、農業專業改革與課程改革開展了系列優化與探索實踐,如南京農業大學啟動“農科特色”課程改革,優化學科專業布局,聚焦糧食安全、鄉村振興、生態文明等國家重大戰略需求,推動涉農學科與理、工、文等學科深度融合,加強涉農新興交叉學科專業建設,增設植物表型組學交叉學科,新設人工智能、智慧農業等專業;西北農林科技大學積極促進化學與生命科學等學科的交叉融合;華中農業大學的化學分類教學模式以及華南農業大學、山東農業大學等從師資與教材建設、課堂教學、教學與教法等多方面改革基礎課程教學。新農科背景下,基礎課程與涉農專業核心課程交叉融合已是大勢所趨。文章以南京農業大學為例,探討了“無機及分析化學”課程教學現狀、改革和成效,以期為涉農高校人才培養提供借鑒。

一、 “無機及分析化學”課程教學現狀

“無機及分析化學”課程是公共基礎課,教材選取的是全國高等農林院校“十三五”規劃教材《無機及分析化學》(蘭葉青主編,第三版),授課對象為涉農理科類大一新生,主要涉及植物保護、生命科學、資源與環境、農學、園藝、中藥等專業,每年1500～1800人,教學模式為“大班化”線下授課。教學模式傳統單一,教學目標脫離“農業特色”背景,學生能力很難得到提升,教學與教法改革需要進一步推進。

(一) 傳統教學理念無法滿足新農科建設要求

傳統模式的教學與教法,無法體現新農科建設要求中“新”的理念。新農科的培養要求是對接國家重大戰略需求,服務農業農村現代化進程中的新產業新業態,面向糧食安全、生態文明、智慧農業、營養與健康、鄉村發展等五大領域,著力推動新農科供給側改革作為重要使命。基于新農科建設要求,構建高等農業教育新內涵、新研究內容、新管理模式模式與組織形式,加快農業學科與新技術、新能源和新材料等方面的深度交叉和融合,培養現代農業領軍人才。目前,本課程的傳統教學、教法模式與傳統的基礎化學知識體系還無法滿足新農科建設要求。

(二) “教師—學生”缺乏有效溝通,教學目標模糊

“無機及分析化學”課程內容豐富,知識面涵蓋點多,囊括了無機化學理論,物理化學中熱力學和動力學知識、物質結構基礎、四大平衡理論及相應的容量分析方法。課時短,但為了保證化學內容的系統性,教師“趕課式”教學痕跡明顯,“教師—學生”主體間缺乏有效溝通,教學目標模糊。模糊的教學目標造成學生學習目標模糊,在教學過程中,發現學生普遍存在以下問題:(1) 信心不足,學業規劃模糊 (僅有口號,缺乏系統學習計劃);(2) 自主學習能力不足 (過于依賴老師講解,抓不住重點、難點);(3) 學習理念偏離,應試教育痕跡明顯 (學習“為了考試”,作業 “為了完成任務”比較突出);(4) 學習效率不高 (延續了中學學習方法,缺乏歸納知識能力);(5) 把握知識點能力不強 (對新知識的敏感性不強);(6) 知識應用能力弱 (無法將“問題”與“知識點”對應聯系)。

(三) “教學過程”與專業核心課程交叉融合不夠

在“無機及分析化學”課程教學中,側重的是基礎化學原理、化學分析與化學手段的教學,關注點聚焦于化學知識的系統性和協調性。教師教學過程中忽略了與專業核心課程的有效融合,如四大平衡理論中,側重于化學本科專業的四大容量分析原理的介紹,缺乏“農業生產與生活”中的實際應用介紹,與食品、中藥、動醫、環境、植物保護等專業的交叉融合不夠充分,如何既不突兀地融合,又能激發學生的學習興趣,值得進一步探究。

(四) 學情差異明顯,針對性、多元化教學方法缺失

以2022年為例,課程覆蓋人數1800余人,涉及24個涉農型理科專業。專業分屬動物科學學部、植物科學學部、生物與環境科學學部以及食品與工程學部,專業“差異化”明顯,教師為了完成課時任務,必然“滿堂灌”以保證知識點的傳輸,忽略了專業差異因素以及教學方法多元化的嘗試,針對性教學缺失。根據高考選考情況,又大致可分為三類:(1) 因當地高考政策“7選3”,未選擇報考化學。這類學生化學基礎知識薄弱、理論知識匱乏,對化學課程全程無感,甚至有心理抵觸情緒;(2) 部分少數民族學生,高中時期化學基礎差;(3) 正常選考化學的,排除個別特殊情況,相對前兩類同學,理論功底較扎實。因此,專業與化學基礎差異,在“大班化”教學過程中,很難保證“因材施教”。

(五) 考核方案單一,過程性評價缺失

課程的成績評價方式體現為兩個方面:期末卷面成績與平時表現。成績評定為“六四開”:期末成績占比60%,平時成績占比40%。考慮到大班人數眾多,平時的成績表現簡單地設置為課堂上表現與課下作業評分,而作業評分采用等級評價,包括優、良、中、及格和不及格五級評分制,缺乏過程性評價與創新性評價。評價體系中未考慮學生基礎差異性、專業差異性等因素的影響。

二、 “強基固本”融合農業特色下的教學與教法改革

針對上述討論的無機及分析化學課程的教學現狀、學情差異明顯、原有教學目的與教學理念的局限性,在新農科建設大背景下,筆者以小班化班級試點,結合“注重學生能力教育”教育理念,嘗試多種教學模式靈活運用,有針對性地教學,實時與學生溝通、交流,“強基固本”的同時融合農業特色課程,完成對傳統教學與教法的改革探索,助力新農科建設。

(一) “小班化”試點,注重學生能力教育

以金善寶植物實驗班為試點對象,該班屬植物學拔尖人才培養基地,規模30人,學生經過植物學專業初步選拔,未專門選拔。每周安排兩次課(共14周,為教學時間;2學時安排期末考試),每周五個課時(2+3模式),具體情況見表1。

表1 植物學拔尖人才基地班概況

課程教學目標:擁有扎實的化學理論基礎,具備主動學習與主動提問的能力。將學生能力教育作為首要教學目標這一教學理念不松懈,圍繞“強基礎、融農特色”這一中心思想開展教學活動,切實做到將“以漁”貫通于“以魚”之中,關注每位學生的成長過程。

(二) 架設“學生—教師”心靈橋梁,深入了解、關心學生

1. 學期初調查學情

以學習通APP為調研平臺,圍繞“摸底”與“學業規劃”兩個主題開展簡單的問卷調研,結果如表2與表3所示。為了評估學習效果,學期末同樣以“問卷調查”的方式,調查學生對課程優化改革的接受程度、喜歡程度與他們心中最喜歡的模式(即課程存在的優勢與不足)。值得說明的是,筆者在考察植物實驗班的教學效果時,已在學校其他農科專業進行過4～5輪的課程優化與試驗。

表2 部分問卷調查表

表3 學情問卷調研結果

2. 學期中開展“師生互通一份郵件”活動

郵件具體要求為以word文檔撰寫,內容主要涉及自己的簡歷、學習化學過往(化學競賽、化學輔導班等)、目前學習的困難、對老師提出的建議以及未來的學業、職業規劃等,篇幅不低于300字。根據學生們的信件,教師一一做了回復,確保每位同學的“狀況”“疑惑”都能得到回應。

3. 開展 “師生面談”活動,隨時做學生的心靈導師

及時發現學生在學習中出現的“狀況”(主要涵蓋:兩次隨堂成績低于60分、自主學習進度滯后、交作業不及時或不認真),及時約學生面對面交流,了解學生的具體情況,幫助他們剖析產生狀況的原因,給出解決的辦法或建議。

(三) 強基固本促融合

“摸底”與“心理建設”的課下溝通后,課堂上與學生交流,探討化學基礎“根基”的重要性,只有強化方可延伸。隨著科學研究的深入,“學好數理化,走遍天下都不怕”依然適用,甚至應用更廣,深層次農業“卡脖子”問題仍需要化學手段、化學方法、化學原理去分析解決,扭轉基礎化學為“副科”的心理,通過引入學生所學農業特色專業主干課程、核心課程與化學學科的理論交叉點,將基礎化學知識點深層次融入并應用到涉農專業,進一步激發學生學習興趣,具體如下:(1) 交叉知識點間潛移默化的關聯,如溶液依數性,是基礎化學非常重要的知識點,融入植物學專業中的植物耐寒、耐旱與植株高矮問題,和學生講解脯氨酸、糖類小分子等使凝固點降低、飽和蒸氣壓下降以及滲透壓的知識;談到反應級數為負數時,融入生物化學反應中的酶化學,講解底物抑制反應會經常出現負值的情況,即底物濃度升高會降低催化反應酶的活性,從而使反應速率下降,反應級數為負的關聯知識。(2) 在實際操作方面,交叉融合得較深入,刪除原有基礎化學中知識點重復性實驗,引入融合后實驗。如無機實驗層面引入秸稈、稻殼、菌渣等農業廢棄物轉多孔碳實驗;容量分析實驗層面,增設“學校池塘污水中COD含量的測定”“銨態氮肥中氮含量的測定”“農藥中氮、磷含量的測定”“土壤中Ca、Mg含量的測定”等,將基礎化學學科與農業核心專業課程深度交叉與融合,為培養“跨學科”綜合型農業領軍人才添磚加瓦。

(四) 多種教學與教法并用,“強基礎,雖多不雜”

1. 重視“方法論”的教育[4］,激發學生內在驅動力

(1) 幫助學生提升自主學習能力。教學實施過程主要包括以下三個階段。自主學習階段:利用學習通教學平臺,定時限期發放教學視頻、討論話題、章節測驗。課堂教學階段:以“問題”方式展開師生交流討論,即以問題為導向的討論式教學法,再以“小結”形式進行章節內容整理、歸納;再學習階段:以“隨堂練習”形式檢查學習效果,及時發現“問題”,通過線下課堂,專門針對重難點進行講解,解決難點和易錯點。

(2) 注重學生學習方法的傳授。① “好記性不如爛筆頭”,教師要求每位學生必須記筆記,教學生如何記筆記。② 要求學生多讀書(教材是指定參考書,學好課程需多讀書)。告訴學生要利用好圖書館閱覽室,補充好自己讀書筆記;應該時刻以教材為主線(但絕不能是唯一的),利用好課堂提供的參考書目錄,拓展知識,開拓自己的視野。③ 注重學生求知欲和好奇心的培養(求知欲是學習的原動力)。鼓勵學生主動參加學校、學院舉辦的學術沙龍活動,多聽專家講座、學術報告,了解自身專業(植物學)與化學學科的交叉融合情況,掌握自身專業的前沿事件與科技動態;盡可能多的與專家、學者接觸交流,了解本專業體系內的“卡脖子”問題等,激發自身學習的愿望,保持旺盛學習原動力;鼓勵學生在學習中多提問題,盡可能弄清遇到的每一個問題,充分拓展自己的知識范圍,真正了解何為“學無止境”。④ 制訂適合自己的短期、中長期的學習計劃和目標。建議學生利用好可控時間,約束好自己,制訂切實可行的學習計劃,明確學習目標。如短期內的課程學習計劃和目標、四六級英語目標成績,中長期的出國、保研乃至職業規劃等。⑤ 扭轉中學階段的“題海戰術”和“任務式”完成作業的習慣。建議他們作業的初衷只是用來檢查知識點掌握情況,學會理解并認識到“作業中問題”與理論知識點之間的必然聯系,同時也必須做到“看書不做題,做題不看書”。

2. 因材施教,實行針對性教學

(1) 化學基礎薄弱的學生(高考化學不是獨立課程),建議他們增加精力和時間的投入,從學習過程的點滴做起。自主學習階段:做好學習筆記,找出重點難點;課堂學習階段:關注老師的講解,對比重點難點知識的匹配;學習鞏固階段:以習題為范例,關注習題中“問題”與知識點間的聯系,解決“問題”的條件,最終找到解決“問題”的方法(要重視此階段精力和時間的投入)。

(2) 自信心不足的學生(怕被提問、不敢問問題),課堂中一再做好學生們的心理建設,告訴他們自信是成功的重要因素之一,幫助他們分析引起自信不足原因,提出相應的建議;授課討論時,鼓勵他們多提問題,多參與討論,大膽表達個人的看法,不要怕犯錯誤;設立階段性目標,通過階段性成績提升個人的自信;課上與課下時刻關注他們學習的過程,或者課間作簡短的交流。

(3) 學習效率不高的學生(成績徘徊不前,壓力大),幫助他們改變學習方法,尋找適合新要求的學習方法;建議學生提高學習的專注度,學習時要心無旁騖,增加學習時間和精力,制訂課程學習計劃,設立學習目標。

(4) 個人發展目標不明確的學生,告訴他們學校設立金善寶實驗班的目的和相應的要求;鼓勵并告訴他們產生“迷茫和困惑”是個人成長過程中出現正常現象,但不能聽之任之,需要重視它,盡快從中解脫出來;在課堂教學、隨堂練習過程中,教師關注他們的情況,及時進行“面對面交流”。

3. 按“章”辦事,教學方法靈活、多變

按“章”教學,“量”體“裁”衣。依據每章的具體內容、內容的篇幅、難易程度,采取不同的教學模式。教學模式雖多不雜,靈活是主要思路,主要目的是讓學生易于接受,真正將知識融會貫通,從而學以致用。有的是利用“互聯網+”技術手段,結合MOOC、雨課堂、超星等電子教育平臺,采取線上—線下混合模式教學[5］;有的采用案例式教學,以圖形化案例直觀輻射章節理論與知識點;有的采用“以小窺大”式的歸納式教學與問題討論式教學模式,學生作為主體“提問題”,然后集體討論與辯論,最后給出結論。將多種教學模式貫穿于教學之中,真正做到將“以漁”貫通于“以魚”之中。

(1) “以小窺大”歸納式教學[6］——以“物質結構基礎”章節為例。這一章節是摘選于“物質結構”這一門學科,理論內容豐富且抽象、知識點繁雜,需要學生發揮空間想象能力,主要涉及離子鍵、現代價鍵理論、雜化軌道理論以及電子排布式、元素周期律、分子間作用力等。為切實推動學生自主預習和復習這一部分的理論知識,如圖1所示,以中學階段學習過的主族電子結構式為引子,談是否適用過渡元素的電子排布式。以Mn元素為例,教學過程中,大部分同學都會錯誤地寫作圖1左下角的模型,將四個量子數、洪特規則、電子排布規則、鮑林軌道能級組的概念歸納、總結串聯后,特地強調第三電子層上d軌道的作用,因它第三電子層不再只有8個,可以達18個,Mn的結構式就會迎刃而解,如圖1右上部分。通過引入這一簡單知識點,讓基礎薄弱的學生自主歸納21—30號過渡金屬元素的結構排布,以課堂作業的方式書寫并討論9—17、18以及18+2電子構型。

圖1 以電子排布式歸納相關內容

(2) “小案例,大作為”,圖形化案例式教學[7］——以“物質結構基礎”知識為例。如圖2所示,雜化軌道理論一直困擾學生,尤其是化學基礎薄弱學生,原因是很難簡單通過書本的語言表達來理解具體的理論模型。因此,嘗試以“椅子理論”這個案例來簡化雜化軌道理論模型:在以硼為例介紹時,硼因為電子排布的特殊性,其軌道“存異”,即家里的“椅子”數目難以接待地位相同的客人氯,為了“求同”,只好采取“拆了重裝”這一雜化手段。試圖用最簡潔的語言描述模型中的“激發”與“雜化”的概念,讓學生掌握到雜化軌道理論的本質內容依然建構在現代價鍵理論中,仍要以價鍵理論中的“空間相遇”來解釋該理論模型。通過案例教學,提高學生空間想象能力,尤其是增強基礎薄弱同學的興趣,進一步提升其主動學習的能力。

圖2 以“椅子理論”為案例解釋雜化軌道理論

(3) 以問題為導向的討論式教學[8］。以個別問題為引,引入書本知識,串聯知識點的同時,拓展延伸,將問題研究透徹,深入理解化學知識點間的潛在聯系。如圖3所示,通過引入“離子鍵與共價鍵誰更強”的問題,串聯離子鍵理論、共價鍵理論、電負性等知識,從而討論書本中重點知識,如AgCl、AgBr、AgCl溶解性高低與MgO、CH4熔沸點高低問題。

圖3 問題為導向的討論式教學

(4) 線上多資源互補,啟發學生自主學習。線上主要采用學習通APP,定時發放筆者所在教研組錄制好的“無機及分析化學”課程。每個視頻內,安插多個任務點,學生可隨時觀看,教師端后臺可實時監測并掌握學生的學習情況。此外,通過該平臺發放課后習題、討論題、總結等,與學生實施在線互動。其他課外資源,線下課堂提供中國MOOC、雨課堂等資源的鏈接,學生自主查詢、自主學習。

(五) “化簡為繁”,細化評分準則,優化考核方案

在此次小班化教學過程中,打破常規,嘗試將前述幾個改革措施都納入考核評價中,讓學生不是“被動學習”,而是轉變為“主動學習”。具體評價方式如下:筆試考試仍保留,但卷面的成績降至總比重的40%,討論式分組時每小組占比10%,小組間互評10%,平時表現(筆者打分:20%),課堂測評為10%,線上測評占比10%。細化后評價方式繁瑣,但能更好地體現每個人的參與程度與差異性評價,讓孩子們了解“卷面成績”不再是考核的唯一標準,“主動學習”能力的培養才最重要[9］。

三、 教學效果與教學反思

以短期的教學效果來評價,如圖4所示,植物實驗班的平均成績為88分,其中最低分83分,最高分98分;相較于筆者同時任課的“無機及分析化學”平行“大班化”班級(110人,平均分:71分,試卷難度較大,不及格人數仍有14人),教學效果顯著。中長期來看,經過前期的生命基地、生物基地班的試點,讀研率和入讀高校的質量也在穩步提升。

圖4 同期“大班”與“小班”的期末成績對比

另外,連續多屆學生從課上授課方式、教學方法的靈活性、課下輔導、講課的認真程度、作業的布置方式、課堂討論模式、溝通交流及時性、學生自身獲得感等多個主觀與客觀層面,都對課程教學與教法給予高度評價,筆者也因此從2018年開始,連續4次獲得教學質量綜合評價優秀,團隊老師更是獲得了南京農業大學頒發的“師德標兵”“優秀教師”等多項榮譽稱號。

通過這些教學措施的優化與實踐,旨在將小班化教學,融合大農類專業的核心課程,從而與大農類專業課程知識進行更大程度的交叉,對課程的內容進行農業特色化改造,更多地培養學生利用基礎化學知識解決自身專業問題的能力,同時讓學生充分認識學科交叉的優勢,培養“提出問題—解決問題”的能力。通過實施多元化的評價考核方案,讓學生感知學習不再是“唯成績論”,而是能力至上,充分發掘自身的學習潛力、提升自身學習興趣,從而提高自己的學習質量,充分融入新農科背景下的跨學科人才培養。盡管取得了一定的成效,但這些方案在實施的過程中,筆者仍有一些反思與心得,希望與奮戰在一線從事教育教學改革的老師們共勉,具體如下:

1. 教學活動一定要有針對性,要盡可能去了解學生的情況,如化學基礎、學習能力、個人發展、專業需求等,及時做好心理建設,彌補中學到大學的心理落差,真正做到因材施教。如果條件允許,未來除了針對性教學模式外,有必要嘗試分類教學模式。

2. 厘清“以漁”與“以魚”的關系,兩者融為一體,在“以魚”中呈現“以漁”;將能力教育作為教學內容,針對不同學生需求,提出個性化建議和方法。

3. 以身作則,用自己的教學態度和熱情潛移默化地影響和感染學生。

4. 師生之間應有合適的交流渠道,可以通過微信群、QQ群、學習通平臺、郵件等,了解學生的個性化與共性化需求,及時反饋,表揚進步學生,善意提醒問題學生,進一步增加與學生溝通、交流的頻次。

5. “小班化”的模式是否可以復制到多民族、多專業融合的大班型班級,值得進一步探究。

6. 評價方式仍略顯單薄,趣味性有所缺失。評價方式雖已細化,但仍然過于直接,部分學生的參與度與參與熱情仍不高,趣味性以及其他創新性的評價措施有待引入。

四、 結語

新農科建設背景下,高校教學要對接國家重大戰略需求,加快不同學科的深度交叉和融合,培養現代農業領軍人才。傳統的教學與教法已經無法滿足跨學科人才培養要求。以小班化教學為范例,強基固本的同時,切實將基礎化學融入農業特色主干課程、核心研究中。通過基礎化學課程特點,按“章”采取多模式教學與教法改革,本著“以本為本、注重能力教育”的教學理念,優化課程評價措施,激發學生潛在的學習興趣,扭轉“化學副科”觀念,培養適合國家與社會發展的新型高素質農業人才。