“土壤学实验”课程教学改革——以北京林业大学为例

(北京林业大学林学院，北京 100083)

2014年12月5日是联合国确定的首个“世界土壤日”，同时将2015年定为“国际土壤年”，口号是“健康土壤带来健康生活”。国际土壤科学联合会宣布2015—2024年为“国际土壤的十年”。2015年9月，世界各国领导人在纽约联合国峰会上通过了《2030年可持续发展议程》，该议程涵盖17项全球可持续发展的宏伟目标，其中13项目标直接或间接与土壤有关，土壤生态系统为实现全球可持续发展的目标提供着关键保障[1]。

土壤作为陆地表层系统的核心，孕育世间万物，没有土壤的生态健康就没有植物的生态平衡。在我国，由于经济的快速发展以及对土壤资源缺乏科学的使用和管理，造成土壤质量下降、土壤污染问题日益严重，因此，被称为“土十条”的《土壤环境保护和污染治理行动计划》应运而生，社会对掌握相关土壤测试及治理技术的专业人员的需求也日益增加。

实验教学是高等学校人才培养体系的重要组成部分，在引导学生理论联系实际，培养学生创新思维和实践能力方面有着不可替代的作用。“土壤学实验”是“土壤学”课程重要的组成部分，是高等院校农学、林学、园林、园艺、草业、资源与环境等专业的重要的专业基础课程。“土壤学实验”课程具有应用性强、涉及面广、综合性强的特点，其目的是让学生在完成系列实验的过程中，巩固和扩充土壤学的理论知识，学习实验方法和实验技术，培养学生具备从事土壤学及相关科学研究的基本技能。“土壤学实验”课程知识可以广泛应用和服务于农林业的可持续发展、环境生态建设、土壤区域治理、资源利用与环境保护等领域[2-4]。但是，传统的“土壤学实验”课程教学存在着一定的问题，影响了人才培养的质量。以北京林业大学为例，针对当前本科“土壤学实验”课程中存在的问题，从实验教学内容、实验教学模式、实验教学手段等方面探讨了改革措施，旨在提高实验教学的质量，提升实验教学效果，从而满足新时代背景下社会可持续发展和生态环境建设对专业人才的需求。

一、“土壤学实验”课程教学存在的问题

(一)教学内容陈旧

北京林业大学“土壤学实验”课程根据不同专业设置了固定性的教学安排，如学期固定、学时固定、教学大纲固定。多年来，学生要完全按照学校安排的时间及教学大纲内容做实验，缺少创新和变化。例如，“土壤学实验”是园林专业的必修课程，是风景园林专业的选修课程，均在大一上半学期进行，共有24个学时；而在水土保持专业，“土壤学实验”属于必修课程，在大二上半学期进行，共有12学时；在草业、生物、园艺专业，“土壤学实验”属于选修课程，在大二下半学期进行，共有24个学时；在林学类专业，“土壤学实验”属于必修课程，大二上半学期进行，共有32个学时。虽然各专业的学时数、课程性质、授课时间及授课教师有所不同，但是“土壤学实验”教学大纲均是围绕以下几个方面进行教学安排的：一是矿物与岩石的鉴别；二是土壤分析样品的采集、处理和保存；三是土壤容重的测定、土壤自然含水量的测定、土壤孔隙度的测定；四是土壤质地的测定；五是土壤pH值的测定；六是土壤有机质含量的测定；七是土壤全氮量的测定；八是土壤速效磷及速效钾的测定等。在实际实验过程中，教师只能根据各专业情况进行微调，总体实验内容不能改变。

近年来，在“厚基础，宽专业”本科教学思想指导下，各专业对“土壤学实验”课程的学时数进行了压缩，在有限的学时里，“土壤学实验”课程只能做一些土壤学中较为经典的基础型或应用型实验，侧重于学生对单个实验方法或单台仪器设备操作方法的掌握，能利用实验结果分析土壤性质优劣[5]即可，而这些仅仅是土壤学实验最基本的技能，已不能适应社会的需求。

(二)教学方法单一

目前“土壤学实验”课程教学主要采取的是传统教学法，即以教师为主导，由教师统一讲解实验的目的、方法、步骤和结果等，学生根据统一的实验步骤进行操作，然后得出实验结果，撰写实验报告，教师按照报告质量进行成绩评定。由于实验前期的准备和预处理都是教师或实验员做好，学生只要机械地照搬实验指导书上或教师讲解的步骤就可以完成实验，导致多数学生只注重实验的结果，而忽视实验过程，大多数学生做完实验后仍然一知半解，缺少对实验过程和结果的反思，影响了学生动手能力和创新能力的培养，也制约了学生个性的发展。实验不仅是对理论的验证，更是要培养学生的动手能力以及在实验中发现问题、分析问题和解决问题的能力，而传统教学模式在这方面是有所欠缺的[6]。

(三)课程考核不全面

目前，“土壤学实验”课程考核主要以学生提交的实验报告为主，笔者在批改实验报告时发现，同一小组内的实验报告具有雷同现象，这导致有的学生虽然实验报告写得认真，但可能并没有认真参与实验，也得到了一个不错的成绩。究其原因是因为学生人数众多，教师不可能记住每一个学生在实验中的表现，所以只能依据学生提交的实验报告进行评分，这样的考核具有片面性，无法对学生的整体实验情况进行评价，这也是多年困扰实验课教师的一个重要问题。

二、“土壤学实验”课程教学改革的措施

(一)更新实验项目，充实教学内容

国外许多大学在实验内容上始终与学科技术发展同步，实验教学内容包含了学科前沿技术，这样可以使学生尽快熟悉本学科新的发展领域和科技生长点。例如，美国高校十分重视把最新的实验方法和研究成果融入到实验教学中，让学生及时了解当前科技前沿知识，体会科技的进步。同时国外高校还会实时更新实验教材，吸纳新的实验教学内容，教师也会主动将科研成果转化为教学内容[7]。

因此，我国各高校也应随着科学技术的发展及时代需求而不断更新、拓展实验课教学内容，增加创新性实验类型，将学科的新知识、新技术、新发展及社会热点需求[8]融入其中。例如重金属污染是土壤污染的主要类型，而土壤污染问题又与人们日常生活息息相关，所以，可以增加土壤污染中重金属含量测定的实验[9]，不仅可以让学生了解先进的测定方法，而且可以激发学生的学习兴趣。学生只有对实验产生兴趣，才会有与之相伴的学习动力。

所以教师应针对专业特点，设置创新性实验项目，例如生物专业可以增加土壤微生物培养及土壤微生物各组分含量测定等相关实验。

同时，针对学时有限的现状，教师可以把一些常规性、安全系数高的实验，如土壤基本物理性质的测定等作为课下实验让学生独立完成。因为这些实验不涉及危险的化学药品，仪器操作相对简单，学生按照实验指导书的步骤即可自行完成。

(二)改革教学方法，提升教学效果

为提升教学效果，笔者探索了多种教学方法。Problem-Based Learning(以下简称PBL)是以问题为基础的教学模式，强调以学生自主探究学习为主。PBL最早起源于20世纪50年代的医学教育，现已广泛应用于众多学科领域。PBL将学习与实际的任务或问题挂钩，以问题为学习的起点；学生的一切学习内容是以问题为主轴进行架构的，学生通过自主探究和合作来解决问题，从而了解和掌握隐藏在问题背后的科学知识，培养学生具备解决问题的技能和自主学习的能力。与传统的教学模式相比，PBL教学法更注重对学生自学能力、创新能力及发现问题、分析问题、解决问题能力的培养[10]。

Team-Based Learning(以下简称TBL)是以团队为基础的教学模式。TBL是一种全新的以学生自主学习为基础的教学方式，它是由美国教育学家Michaelsen L K在2002年正式提出的。TBL采取小组团队讨论合作的形式开展教学，以提高学生自主探究、合作学习、语言表达和沟通能力的一种学习模式，注重学生在教学中的参与度。课程教学不仅要教授学生基础知识，更要注重引导其如何运用基础知识[11]。TBL教学方式具有课堂气氛活跃，师生互动性好的优点，可以提高学生的学习效率，培养学生的综合素质。

在教学实践中，笔者根据讲授内容，对这两种教学方法进行了综合运用。例如，将土壤样品的采集、处理和保存设置为一个综合性实验，就可以综合运用这两种教学方法。笔者将学生分成4～6人的小组，将研究任务和问题布置给学生，学生通过自主学习、查阅资料，设计切实可行的实验方案，方案内容包括采样时间、地点、人员、准备的工具、采样步骤等，整个实验由研究小组共同讨论合作完成，教师只对实验方案进行审核指正。学生在资料查找、小组讨论、方案设计以及实验过程中，锻炼了自己的综合能力。

(三)要求学生参与实验准备工作，提交实验预习报告，激发学生学习积极性

传统的“土壤学实验”课程教学的实验准备工作都是由教师和实验员完成的。而改革后的“土壤学实验”课程教学在土壤分析样品的采集、处理和保存的实验中，打破了以往由实验员准备好工具包发给每组学生的模式，变为让学生通过课前预习，罗列出取样所需的工具，再由学生自行去实验室准备工具包。同时，每个学生在实验之前，还要提交实验预习报告，教师对预习报告进行审核评分，实验预习报告的分值占最终考核成绩的20%。

学生参与实验准备工作可以对实验的整个过程有一个完整的了解，提交实验预习报告可以促使学生对实验进行深入研究和思考，培养学生发现问题、分析问题和解决问题的能力。

(四)要求学生参与实验教学，做课堂的主导者

为了提高学生对实验预习的重视度，巩固预习成果，教师可以让学生参与课堂教学，对实验预习报告内容进行讲解，如实验的目的、实验方法和原理、仪器的使用方法、药品的配置、实验步骤、实验数据的处理、实验结果的计算及注意事项等。教师可以指定学生当临时教师，当学生讲解完成后，大家再一起讨论实验预习报告是否存有纰漏，持有不同意见的学生可以进行补充讲解，教师做最后的点评、总结及注意事项的提醒[2]。课堂讲解也可以作为课程考核评价的一部分，因为过程性评价对学生知识和能力的评价更科学、更全面，考核成绩更能客观反映学生学习的真实情况。

(五)设置开放式实验室，增强学生的动手操作能力

随着各高校的扩招，学生数量急剧增加，大部分高校都面临着实验资源不足的问题。扩招前，“土壤学实验”课程由2～3名学生组成一组进行实验，每个人都有动手的机会。而现在5～6名学生组成一组，而实验资源有限，部分学生只能在一旁观看，无法参与其中。为了解决这一问题，北京林业大学积极扩大本科教学实验室面积，设置了开放式实验室，增加实验时间，让每个学生都有机会参与到实验中，以增强学生的动手操作能力。

(六)完善课程考核体系

科学、公正、合理的实验课程考核评价体系可以增强学生实验的主观能动性。实验课程的考核评价要结合学生在实验全过程的表现，包括实验态度、实验操作能力和实验效果等。笔者以培养学生自主学习能力和科学素养为主线，在考核评价体系中增加了实验预习报告成绩及参与课堂讲解的成绩，并要求学生针对每一次实验报告撰写实验总结，对实验过程中遇到的问题进行分析，笔者也将此项作为考核部分，以考察学生的独立思考能力[12]。

(七)充分利用研究生资源

在国外一些著名高校中，研究生承担着开放实验室的大量工作。研究生不仅是培养对象，也是主要的科研力量，可以说是高校实验室的支柱[13]。因此，在本科实验教学中，也可以选择1～2名具有较高责任心的研究生担任实验助教，协助教师开展实验教学，以解决学生过多，教师无法关注到每一位学生的问题。

三、“土壤学实验”课程教学改革成效

(一)培养了学生学习的自主性

笔者在“土壤学实验”课程中引入PBL和TBL教学方法，改变了以往“教师讲学生听，教师讲学生做”的实验教学模式，突出了“以学生为主体，以教师为主导，以能力培养为目标”的教学理念。改革后的实验教学更注重对学生自学能力、创新能力及发现问题、分析和解决问题能力的培养。对于部分实验内容，笔者提倡让学生通过自学、研究、讨论和合作的方式来完成，以培养学生的自主学习精神及团队协作精神。

(二)培养了学生开展科学实验的兴趣

在教学实践中，笔者发现，在“矿物与岩石的鉴别”实验中加入对日常生活中常见的矿物或岩石的鉴别内容可以明显激起学生的兴趣。因此，笔者以此为契机，在实验课上举出很多生活中的实例，以激发学生开展实验的兴趣，如学校路面铺设的花岗岩及主楼右侧路面用的板岩、学校里的硅化木、日常佩戴的水晶和钻石等，将其融入到“矿物与岩石的鉴别”实验中，让枯燥的鉴别知识变得生动、实用起来，激发了学生内在的求知欲望，甚至课下学生也会与笔者探讨如何鉴别他们见过的矿物或岩石。

(三)促进了学生学习方式的转变

笔者在每次实验课上都会给学生提供小组讨论和当“教师”的机会。学生为了在课堂上讲解得更加精彩，他们会在实验课前主动查阅大量相关资料，充实自己的专业知识。有的学生在某些实验知识点上的讲解非常精彩，甚至不亚于教师。小组讨论和当“教师”的机会改变了学生传统的学习方式，他们不再是知识的被动接受者，而是实验的主导者。学习方式的改变，使学生从追求实验结果转向更注重实验的过程。学生的实验报告体现了学生在实验过程中对问题的分析和思考。

(四)实现了对学生课程学习的全面考核

在实验教学中，笔者积极尝试多维度的考核评价，不再单纯依据实验报告对学生进行评价，而是将实验预习报告、学生在课堂上对实验问题的讲解以及实验报告中对问题的分析和思考也纳入考核内容，分别占最终考核成绩的20%、10%、10%，这样可以对学生进行更加全面合理的评价。

资助项目：北京林业大学2016年教学改革项目“林业综合认知实习——土壤学部分指导书建设”，项目编号BJFU2016JG003。