農林高校無機及分析化學基礎課教學改革探索與實踐

李莎，陳琳，吳純正，郭明

浙江農林大學化學與材料工程學院，杭州 311300

無機及分析化學是農學、林學、環境、生物、藥學等學科專業的重要基礎課程，對后續專業課的學習起著過渡銜接的作用，教學效果的好壞直接影響學生后續課程的學習，甚至影響學科或農林院校的教學成效。如何結合農林院校學生的自身特點，更好地適應非化學專業學生，改革現有的課程體系，對提高農林院校的教育水平和教學質量非常關鍵。目前，已有線上搭建“主題討論互動模塊”的網絡教學平臺及線下“強化教學過程管理”的線上線下混合教學模式的應用[1]；科教融合、專創融入拓展教學資源[2]；創新教學方法、應用任務教學法[3]等農林特色課程建設改革措施。這些兄弟院校對該課程體系進行的改革主要涉及教學手段、資源模式優化、教學團隊素質提高等，一定程度上提高了教學效果，但是存在缺少課程之間的緊密聯系和相互滲透[4]、沒有很好地調動學生的積極性及促進學生找到合適的學習方法等不足，不能完全適應素質培養的要求。

本文結合無機及分析化學課程教學中存在的一些問題，針對專業特色和學生個性化特點，從授課內容、教學設計、課程思政等方面對無機及分析化學教學進行了探索與研究。本次教學改革結合農林院校專業特點、因材施教，緊靠專業特色，有趣融入化學知識；通過抓“精髓”和“關鍵”、利用網絡平臺，縮小個體差異；完善評價體系、全面衡量學生學習效果；靈活運用多種教學模式、提高學生學習效率，引入課程思政，協助學生養成嚴謹的化學與分析思維能力、找到適合自己的學習方法，在教好課程的同時，更進一步地達到育人目的。

1 無機及分析化學課程教學概況

無機及分析化學課程是將無機化學和分析化學知識整合為一體的課程體系，內容“整合”為一體并不是一種簡單的事。該課程是面向我校理工科如生物技術、林學、環境工程、動物科學等10幾個專業的大學新生開設的一門基礎必修課，共48學時。課程安排在第一學期，主要包括分散體系、化學反應速率和化學平衡、物質結構、化學分析、四大平衡和滴定、分光光度法九個章節的內容。相關教學內容及學時數安排等見表1。教學過程中，雖然力求最大限度地培養學生的創新思維和解決問題的能力，但仍存在一些不足之處。

表1 浙江農林大學無機及分析化學教學班級情況一覽

1.1 化學課程與專業非有效銜接

大部分版本的無機及分析化學教材都是通用型的化學基礎課教材——“一本書通專業”，各個專業上課選擇的教材都是一樣的，專業針對性較弱[5]。不同專業，培養模式一致，統一的大綱、同樣的教學內容和教學課時，談不上因材施教，一定程度上限制了學生的專業課程學習。另外，無機及分析化學教材理論內容多，學科前沿與聯系實際的內容較少，也弱化了專業針對性。因此，在日常講課中，專業針對性也是目前無機及分析化學教學中需要解決的問題。此外，化學教師致力于化學知識的傳授、從化學的角度講解基礎內容，專業課教師憑借自身的專業特色講解專業知識，不同的教學方式及課程安排時間差容易造成化學課程與專業課程的非有效銜接。

1.2 知識的整體要求與學生個體差異矛盾突出

無機及分析化學是在高中化學的基礎上，學習有關理論知識和基本計算，課程開設涉及到的一些高中基礎知識見表2。但是，由于高考模式改革加上地域差異，每位學生知識結構差別很大[6]：有的學生在高中已經比較系統地學習過無機及分析化學，本課程涉及的內容很多已經熟知；有的學生中學基本上沒有學習過化學，基礎很弱；甚至個別學生連較簡單的化學方程式都不會書寫。學生基礎不同，但是課程要求相同，知識的整體要求與學生個體差異矛盾突出。另外，無機及分析化學概念性內容多、理論性較強，為了讓學生靈活運用，課堂上常常布置一些練習題。基礎薄弱的學生容易出現理論知識不足的情況：熟背公式但是不會正確使用，碰到題目，腦海只有公式，但是卻不知道選哪個；基礎好的學生卻能提前準確給出答案。學生基礎個體差異明顯，但是課程的基本要求一致，日常講課為了統一性及時效性，只能一視同仁，難免會顧此失彼。

表2 部分章節涉及的中學化學知識

1.3 課程模式與學習方法沖突明顯

大一新生剛剛步入大學生活，從高壓的高中學習狀態中脫離，大部分處于目標缺失的狀態。高中階段，教師以高考為導向進行教學，以課堂講授為主，注重培養學生應試知識和技能[7]。大學的學習方式與初高中階段截然不同，大一新生在學習之余還要學會有效的學習方法。另外，課時有限，內容多而雜，要求課外自己閱讀和理解的時間較多。習慣了高中“監管式”的教學方式，學生往往容易跟不上大學快節奏的教學模式。此外，大一新生開設課程多，我校大一新生的課時量達到每周30多學時，平均每天6、7學時。因此，學生課外用于學習(預習和復習)的時間相對較少，學生課程多、活動多，學習方式單一，都在一定程度上導致無機及分析化學課程學習效果不理想。由于網絡在生活中普遍滲入，很多學生的作業題解答借助網絡幫助，或者靠“抄寫”和“借鑒”同學完成，不求甚解，不利于學生獨立完成學習任務及老師掌握學生學習的真正情況，更重要的是他們沒有找到合適的學習方法。

2 無機及分析化學教學改革實踐

為了在有限的課時內使學生牢固掌握該課程的基礎知識和理論，并能將其運用到后續專業課程學習中，課程組開展了有益的教學改革探索與實踐。具體從三個方面實施，見圖1。

圖1 教學改革路線實施圖

2.1 加強教學內容設計、交叉融合化學課程及專業課

無機及分析化學課程是非化學專業的基礎課程，學生在系統學習專業知識之前，都會先學習化學基礎課。無機及分析化學課程中的四大滴定法在環境工程、中藥、林學等專業測試分析中占據重要地位，反應速率與高分子材料專業中聚合物的生成、糧油儲檢專業防止食物霉變、茶學專業提高茶葉產量關系密切；配位化學是中藥和動物醫學專業研究藥物性能及環境專業檢測水硬度的關鍵點。因此，我們會提前了解不同專業和化學課程相關的專業課，在實際授課過程中，將化學基礎課的內容交叉融合進專業課中。如本課程與環境專業的水污染控制工程、水處理實驗、環境監測等專業課程密不可分[8]。我們在講解沉淀生成及利用章節內容，通過舉例水污染中的鎘離子處理來講解：工業制備硫酸和磷酸時，會產生含鎘量較高的廢水，人們長期食用遭到鎘污染的食品，可能導致“痛痛病”，如何消除鎘對水體的污染？一般選用在堿性條件下使用燒堿或者石灰與其反應生成以碳酸鎘、氫氧化鎘細小顆粒沉淀，再用聚合氯化鋁把這些細小顆粒混凝在一起，形成不溶于水的大顆粒沉淀同時分離出。這個就是沉淀法在水污染治理中的利用，學生可以寫出反應方程式，舉一反三，探討如何利用沉淀法去除水里的其他污染物。

基礎課是為專業課程服務的，由于專業知識與技能與學生今后從事的工作密切相關，在教學內容中融合與專業相關的實際應用實例，凸顯專業特點，將基礎化學知識融合進專業課[9]。比如在講解滲透壓這個知識點時：對于環境工程專業的學生，以市場流行的反滲透凈水器為例，將知識點與水環境保護聯系起來，顯示環境工程專業的特點；對于植物保護專業的學生，則可讓學生討論植物生長的土地鹽堿度及植物生長營養液的配制。這種與專業方向契合的講解方式很受學生歡迎。表3列出了部分知識點在不同專業的不同講解方式[10]。同時，為了更好地銜接專業及突出專業特色，我們化學教師在現有教材基礎上，根據不同專業，分別制訂了教學大綱和布置習題；此外，我們正規劃編寫分別適用于理、工、農專業方向的教材及修改現有教材，此后有希望舍棄“一本書通專業”的模式。

表3 同一知識點在不同專業的講授方式

2.2 縮小個體差異、滿足學生個性化需求

無機及分析化學課程每周安排4節課，共12周，課程內容寬泛、知識點零散、公式較多，章節的獨立性較強，通過48節課讓學生完全掌握教學內容有一定的難度，尤其是對于基礎差的學生而言，很費勁。學時少、內容多，為了減少個性化差異帶來的負面影響，通過抓住“精髓”和“關鍵”能在有限的時間內高效率傳授知識，縮小個體差異[11]。比如在第六章酸堿平衡和滴定中，公式很多，推導需要一定的時間和技巧，但是如果讓學生了解基本原理——解離平衡、物料平衡、電荷守恒和質量守恒，學生私底下也可以自己推算出來，這樣他們對公式不再是害怕和純機械性記憶，而是“知其然知其所以然”。混合堿的分析公式復雜，學生容易出錯，但是抓住關鍵點——“酚酞變色，pH=8–10，牢記酸根離子的存在形式”就能很好地解決這個棘手問題。比如氫氧化鈉-碳酸鈉體系，酚酞變色時溶液中碳酸以HCO3-形式存在，那么學生能馬上判斷出第一部分消耗鹽酸的V1是用來中和碳酸鈉和氫氧化鈉，理所當然地推斷第二部分消耗鹽酸V2就是碳酸鈉生成的碳酸氫鈉反應掉的鹽酸體積；根據反應方程式就可以很好地推導出公式。學生學會總結、舉一反三，從而提高學習效率，減少個體差異帶來的差距。

教學過程中利用網絡平臺，也能在一定程度上縮小個體差異，且滿足學生個性化發展需求。比如每學期我們課題組老師都在學習通建立了專門的班級群，為學生提供一個互動交流的平臺，在里面老師發布教學信息、資源鏈接、作業習題、課件資料等，學生可以在此平臺提前預習、復習、提問等。另一方面，教師可以通過云平臺統計學習進度、跟蹤討論從而了解個性化需求，有利于學生及時查缺補漏。此外，鼓勵學生利用網絡資源例如慕課網、微課網等網絡學習平臺收集和獲取信息[12]，查漏補缺，進而達到提高學生學習質量的目的。依托網絡共享平臺，讓學生能提前預習，隨時復習，減小基礎差異。

不再僅僅通過期末考試卷面成績評價學生的學習效果，完善考核體系也能縮小個體差異帶來的成績區別。課程總成績由兩個部分組成：40%的平時成績和60%的期末考試成績。其中平時成績又細化分為四小塊：10%的課堂表現(抬頭率、積極性、出勤率等)、20%的課堂互動(包括投票、問卷、搶答、討論、隨堂練習、課程講解)、55%的作業(九個章節、共9次作業)以及15%的線下測驗(一次期中考核、2次習題測驗)。這種考核方式有利于縮小個體差異、滿足學生個性化需求，在教學過程中，我們還一直在細微調整。

2.3 改進教學模式，加強課程思政建設

結合使用啟發式、講授式、案例式、互動式、翻轉式等教學方法，引導學生思考、提出問題并解決問題；讓學生全程參與課堂，發揮主體作用，能有效地解決課程模式與學習方法的沖突。比如第六章介紹酸堿定義時，用啟發式講解方式：從生活中出發，創設情境導入新課，引入檸檬酸、咖啡因、胃酸、乳酸等大家熟悉的酸堿，留給學生更多的時間去思考，讓他們提出問題，能較好地激發學生學習興趣與探究的欲望。通過翻轉式教學模式，讓學生課前通過教學視頻自主學習，課堂上教師起指導作用，也能很大程度上提高教學效果[13]。在教學過程中加入一些與專業密切關聯的視頻、圖片、動畫等內容，增加學生學習興趣，減弱畏難情緒。我們之前在講解第四章物質結構章節時，用flash播放雜化方式、成鍵類型、分子間作用力、屏蔽效應；在第一章分散體系授課中，使用動畫演示滲透壓、蒸氣壓等；第六章酸堿滴定中播放同離子效應視頻等。這些視頻和圖片教學，能較多地吸引學生的目光，讓學生更有興趣地去學習，在快樂學習中找到適合自己的學習方法。另外，課堂上讓學生積極參與，做課堂的主人，比如讓學生上臺講解課程和習題。在講解第四章物質結構時，對于規律性較強且學生之前有一定基礎的元素周期性內容，可以讓學生上臺講解，提高他們的語言表達能力，也讓老師更容易發覺自己日常講課時沒有注意到的問題。近幾年上臺的學生講課都比較幽默、跟臺下的同學互動較多、講臺上下的學生沒有距離感。這些都是老師相對欠缺的，也將會是我們努力的一個方向。教學過程中，注重科教協同，培養學生的創新意識；引入介紹無機及分析化學的前沿研究熱點和最新研究成果，適當增加典型的社會應用案列，培養學生建立“發現問題–思考問題–解決問題”的化學思維。

授課對象是大學一年級的新生，他們正處于世界觀、價值觀形成的黃金期，新的環境和不同的教學方式帶來的不適，使得他們急需正確引導。作為教師，在傳授知識的同時，要正確引導學生完成思想、生活、學習方法的轉變。在教學中給學生講解一些相關的思政案例，不僅能提高他們的學習效果，也能幫助他們擁有正確的價值導向及樹立化學情懷，更重要的是幫助他們養成嚴謹的化學與分析思維，尋找到適合的學習方法。

基于課程特點，以促進學生從分子水平、結構層次來看待物質世界，養成嚴謹的化學思考與分析思維為核心，以“能力目標”“問題驅動”“知識框架”等專業素養模塊為支點，構建知識體系[14]。典型案例：為體現“分子水平、結構層次來看待物質世界”，在物質結構章節講解sp3雜化內容時，我們首先提出幾個問題，如日常用到的燃氣成分是什么？它的分子式與分子構型如何？大部分學生都能根據常識和高中化學的內容回答上來，即日常用到的天然氣主要成分是甲烷、甲烷的分子式是CH4、具有正四面體結構。進一步提問為什么它是正四面體結構？首先，提示學生利用本章節上兩次課內容，寫出分子中每個原子的核外電子排布式，幫助學生復習前面所學內容。經考查，很多學生都能正確地寫出碳原子和氫原子的核外電子排布式，并且也能判斷出一個碳原子需要和四個氫原子成鍵，形成甲烷分子。其次，讓他們參照剛剛所講的sp、sp2雜化方式，思考碳氫原子如何成鍵、鍵角應該是多少？此時有部分學生能推斷出甲烷具有正四面體結構，有部分學生還是比較迷茫。最后，老師課堂講解sp3雜化方式，并播放flash查看sp3成鍵過程；再解釋四面體結構的穩定性及根據分子核外電子排布，推斷甲烷的一些化學性質。在此基礎上，引導學生思考在日常生活中如何儲存及正確使用甲烷；舉一反三，附送一道課堂習題：NH4+如何成鍵，空間構型是什么樣？通過以上幾步，學生能很好地理解sp3雜化知識點，并且能從原子和電子水平認識甲烷分子，通過結構組成了解它的一些宏觀性質，并養成化學思考模式。引導學生認識到化學與人類的生命健康息息相關，強化化學學習情懷。在提高學生學習效果的同時達到思想上進步，更重要的是找到適合自己的學習方法。

3 建設成效

我們以食品工程專業的4個班級為例，2個班級正常教學，另2個班級增加無機及分析化學教學改革。對比發現，經過無機及分析化學教學改革的學生在學習成績、學習效率、分析處理問題能力及角色轉變方面有較大的進步。

經過教學改革的班級學生在后續專業課的學習中，化學基礎知識更牢固，表現出更大的熱情和積極性，以及更佳的辯證思維能力。班級同學積極進取，不再抱有“六十分萬歲”的態度，期末考試成績大為改觀，試卷卷面及格率從未改革的70.2%提高到78.9%，卷面成績跨度也從未改革的“33分到94分”縮小至“46分到96分”，總評成績80分以上的比例從30.3%(未實施改革的)提升到49.8%。在浙江省大學生化學競賽、大學生化學實驗創新設計大賽等校內選拔賽中表現更高的卷面分和更佳的實驗操作技能。具體可見圖2。

圖2 改革前后學生成績對比圖

學生通過課前視頻自主學習，在上課過程中更能有的放矢、有針對性地提問，聽課效果事半功倍。在同時段開設的無機及分析化學實驗課中，展示更好的操作技能，能更好地分析實驗現象、解釋實驗原理。科教協同讓學生對科研產生了較大的興趣，部分學生大一下學期開始進入實驗室跟隨專業教師進行課題研究，甚至有個別學生在大二、大三就發表了SCI研究論文。

多樣化的教學模式讓學生“從督學到自學”角色轉變更順利。通過正確引導和督促，學生在較短時間內消除了學習方法上大部分的困難和疑惑，順利完成了“督學到自學”的轉變，在學習中也漸漸摸索出適合自己的學習方法。在學習和聽課過程中，更容易抓住學習的“重點”和“關鍵”，在專業課學習中表現出更高的學習效率。通過課程改革建設中的學生上臺講解課程或習題，學生的表達能力、組織協調能力、解決問題能力得到了很大提升。

學生在課程思政教育的影響下，經過第一學期的學習和生活后，超過一半的學生明確了自己的目標：考研究生(哪個學校、什么專業、研究方向)或者公務員(哪個地域、哪種崗位)，甚至有個別學生表示要考化學專業研究生。他們也逐漸養成嚴謹的化學與分析思維，更能透過現象看本質，建立了從原子或者分子層次來理解宏觀物質的意識。

4 結語

無機及分析化學是一門理論性和基礎性很強的課程，課堂教學效果非常重要，既要傳授知識，更要重視對學生能力的培養。在無機及分析化學的教學實踐中，發現存在的一些問題，給出相應的對策，在實踐教學中實施，從而獲得好的教學效果。這些改革能激發學生的學習興趣，提高學生自主學習能力、獨立思考能力和運用化學知識解決專業中實際問題的能力，為學生將來從事科研或者其他工作奠定基礎，在培養創新型人才方面發揮著重要作用。