“新农科”建设背景下分析化学创新教学模式的改革与实践

张元红，姜林，张丽丽，时伟杰，王艳芳，侯芹，侯菊英，李怡靖，万福贤

山东农业大学化学与材料科学学院 山东 泰安 271018

2019年6月28日，教育部发布了《安吉共识——中国新农科建设宣言》，从此拉开了中国“新农科”建设的序幕，中国高等农林教育发展进入了新时代。在“新农科”建设背景下，高等农林教育面向“脱贫攻坚、乡村振兴、生态文明和美丽幸福中国建设”等战略需求，主动对接正在全球兴起的第四次产业革命，主动培养能够适应和引领未来农林发展需要的新型人才[1]。推进农科与理、工、文学科的深度交叉融合，建设融会贯通的“新农科”知识体系，是“新农科”建设顺利进行的重要支撑。

分析化学是高等农林院校涉农专业的一门公共基础主干课程。通过本课程学习，可以培养学生利用分析化学的理论知识分析、解决农林等学科相关问题的能力，为后续专业课程如环境化学、食品化学、生物化学、农业化学等的学习提供扎实的分析化学基础；可以培养学生新思维和能力、严谨求实的科学态度和精益求精的科研作风，为未来在新农科及相关领域创业和深造打下坚实的分析化学理论基础。

在“新农科”建设背景下，我校积极探索多学科促进交叉融合的人才培养体系，着力由单一学科的人才培养模式向多学科交叉的复合型人才培养模式转型，复合型人才需要具备多学科知识相互转化和应用的综合能力。分析化学课程团队秉持“学用结合、学以实为贵”的教学理念，实现与农科各专业的深度融合，积极探索和构建了具有农林特色的分析化学教学新模式——“三融入三结合”体系(图1)，旨在培养具有分析化学学科素养、科学探究精神、创新思维和实际应用能力及三农情怀的新型农林复合型人才，充分发挥分析化学在新农科建设中的重要作用。

图1 农科分析化学的教学新模式——“三融入三结合”课程体系

1 思政引领，铸魂育人

在分析化学课程教学中，注重学生关注的社会热点问题，尤其是分析化学在农林学科领域新应用、新进展的案例，融入思政教育[2]。如图2所示，在绪论部分甄选出合适的案例，解读分析化学“眼睛”的作用，从而加强学生将所学知识与社会实际问题相结合，形成自己的科学观，同时培养学生的社会责任感。

图2 思政引领，认知分析化学“眼睛”的作用

切入：以“瘦肉精中毒事件”为切入点，猪从喂养到成为餐桌上的美食，中间经历了层层检验。猪饲养场是重点监测的地方，从源头杜绝在饲料过程中添加瘦肉精；宰前尿检，最大限度地防止添加过瘦肉精的生猪流入屠宰环节；宰后肉检，保证肉品质量。从各个环节的瘦肉精检测来看，分析化学扮演着“眼睛”的作用，有了分析化学的保驾护航，我们的食品安全才有保障。

拓展：分析化学渗透到我们生活、生产的方方面面，与我们的日常生活息息相关。比如：(1) 分析化学在利用质谱技术判断给定的分子来源方面发挥了巨大作用，使之成为了2006年的头条新闻——赢得环法自行车赛冠军的美国自行车运动员佛洛伊德·兰迪斯尿检显阳性，证明其服用了睾酮类禁药以提高成绩。(2) 2012年，广西龙江发生镉污染事件，其中拉浪乡码头前200米水中镉含量超标高达80倍，镉含量的实时数据为镉污染处理方案提供了理论支撑。(3) 2020年，我国的新冠疫情得到了及时有效的控制，实时荧光定量PCR技术对新型冠状病毒的核酸进行快速、准确的检测，成为扭转疫情防控的关键措施之一[3]。(4) 2020年全年，博瑞科技检测中心共采集黑龙江、辽宁、内蒙古等地区的玉米青贮样本，采用酶联免疫吸附法测定样品中霉菌毒素的含量，分析了总体污染情况以及不同月份、不同采集区域的污染情况，为牧场或饲料企业工作人员保证奶源健康提供了理论参考。

升华：分析化学学科的发展在疾病医疗、食品安全、生态环境污染等影响人民健康的热点领域发挥了重要的“眼睛”作用。中国共产党历来坚持以人民健康为中心的发展理念。2016年10月，中共中央、国务院印发《健康中国“2030”规划纲要》，党的十九大报告更是将实施健康中国战略纳入国家发展的基本方略，这充分体现了我们党“人民至上、生命至上”的崇高理念。

分析化学各章节都蕴含着丰富的思政内容，如表1所示。

表1 分析化学各章节思政元素设计

2 与农科交叉融合，创新人才培养新模式

新农科建设需要复合型、应用型等新型农林人才，农林高校应该更加注重学科融合和实际应用能力的培养。分析化学既是一门基础课，又与农林各专业学科有着紧密的联系。利用这一优势，在实际教学中我们把专业知识与农科元素有机结合起来，培育创造性解决农林学科相关问题的新型人才。

农业是立国之本，强国之基。习近平总书记指出，只要粮食不出大问题，中国的事就稳得住。农业研究离不开分析化学，我们从农药使用的视角，引导学生正确地认知农业，将学生分四组进行调研。一组调研农药使用的利与弊，农药不仅是保护作物生长和粮食安全的重要帮手，也是影响农产品质量安全的主要风险因素。因此，如何趋利避害，科学、安全、合理地使用农药已成为关键。二组调研减少农药使用的方法——精准喷药，它与精准播种、精准施肥等技术构成了未来农业的发展要素。三组调研提高农药剂量传递效率的方法。四组调研绿色农药的开发和使用情况。各组调研内容通过撰写小论文的形式在微信群讨论、交流，让学生了解农业发展是粮食安全和食品安全的保障，是关系到治国安邦的头等大事(图3)。

图3 农药使用情况调研

当前，土壤仍然是农业生产不可或缺的重要生产资料。其中，氮对作物来说是最重要的营养元素，土壤氮含量的测定离不开分析化学的手段。在讲解电位分析法一章前，给学生布置土壤中氮含量测定的实验设计作业。本章内容结束后，学生根据调研结果提供了不同的实验设计方案——硝酸根离子选择电极法测定土壤硝态氮含量、凯氏定氮法测定土壤全氮含量和分光光度法及仪器分析法测定土壤硝态氮含量(图4)。学生以ppt讲解的方式在课堂上汇报，交流实验设计的原理、可行性、在实际检测中的应用及土壤中各种形态氮含量测定的重要意义。

图4 土壤氮元素含量测定调研

2014年发布的《全国土壤污染状况调查公报》显示，全国耕地环境质量不容乐观，其点位超标率近20%[4]。2021年11月中共中央国务院印发了关于深入打好污染防治攻坚战的意见，意见中指出打好净土保卫战，深入推进农用地土壤污染防治和安全利用，特别指出实施农用地土壤镉等重金属污染源头防治行动[5]。因此，工业废水中镉离子的检测将为土壤重金属镉污染治理保驾护航。在讲解配位滴定法一章前，给学生们设定目标——解决如何用配位滴定法测定含镉、汞工业废水中镉离子含量的问题。随着本章内容的推进，同学们的思考也在不断深入：(1) 学生分析了配位剂EDTA与绝大多数金属离子配位的特点，结合混合离子选择性滴定的方法，确定利用掩蔽解蔽的方法测定镉离子含量；(2) 教师引导学生查阅镉、汞配合物的稳定性顺序，选择合适的配位剂进行掩蔽或解蔽；(3) 学生设计实验方案，讨论实验的可行性，选择最优方案。经过反复探讨修正，得出镉汞废水中镉的测定方法：用硫脲掩蔽汞离子，然后用EDTA标准溶液、XO为指示剂滴定分析含镉、汞废水中镉含量。根据分析结果可确定降低废水中镉含量的方法，从而减少其对土壤的污染。

甜菜是保障我国食糖安全不可或缺的重要作物，通过监测甜菜中还原糖含量，可确定甜菜的品质[6]。在氧化还原滴定法一章讲到碘量法测定葡萄糖时，学生调研糖甜菜中还原糖的测定方法。结合课程内容，通过查阅、筛选、总结相关资料，学生们梳理出三种方法——高锰酸钾法、间接碘量法和分光光度法(图5)。教师总结、评价调研内容，引导学生得出结论：检测方法是不断发展和完善的，稳定性高、成本低、灵敏度高、检测快速、重复性强的检测方法是最有效的，从而培养学生思维的活跃性，提升学生综合能力。课后学生调研提升甜菜品质在乡村振兴、保障国家食糖安全方面发挥的重要作用。

图5 甜菜中还原糖含量测定调研

苹果是我国落叶果树的第一水果，其中高类黄酮苹果新品种营养保健价值高、品质优良，市场前景广阔。我校陈学森教授创制出的高类黄酮苹果优异种质CSR6R6，如今被保藏进中国科学院微生物研究所。在讲到分光光度法一章时，引导学生查阅资料，分享苹果果实中类黄酮的测定方法：在碱性亚硝酸盐溶液中，类黄酮可以与铝离子形成红色络合物，通过测定该物质在510 nm处吸光度从而定量检测类黄酮的含量。课后学生调研高类黄酮苹果优异种质CSR6R6与其他苹果杂交产生的新品种在助力产业振兴和健康中国建设发挥的重要作用。

3 线上线下混合式教学，提升教学质量

在线课程为实现教学创新和教育变革提供了新的途径和方式[7]，随着互联网技术的快速发展，各种线上课程正在崛起。线上课程在时间和空间上有了更大的自由性，并且课程内容更具有灵活性和多样性[8]；线下课程则更有利于学生能力的培养和良好师生关系的建立。因此，高校课程的教学逐渐向线上线下结合的方式发展。智慧树教学平台可实现在线教程、问答与讨论、课程资料、作业考试等功能，学生可以更加方便地进行自主学习、互动讨论、章节期末测验和情怀涵养。基于智慧树平台优势，以学生知识需求为中心、以学生获得创新思维和能力为导向、以涵养三农情怀和家国情怀为目标，课程团队经过反复讨论，确定了线上线下相结合的教学模式(图6)。

图6 农科分析化学线上线下混合式教学模式

“新农科”背景下，课程团队进行了分析化学的特色在线课程建设。除了知识点的讲解以夯实基础知识外，所建在线课程突出了学科史实、“三农”榜样和原创性题目三大特色(图7)。

图7 农科分析化学的特色在线课程建设

分析化学史是学科的产生、形成和发展及其演变规律的反映，它可以让学生体验科学知识和仪器研发的过程性[9]。课程团队将分析化学知识产生和发展的过程作为线上课程特色内容之一，以拓展学生知识视野、激发学生科学探究精神。例如，酸碱指示剂的发展过程可以看出，分析化学是以实验为基础的学科，很多重大的发现源于科学家善于观察、勤于思考和勇于探索的品质。再如，由贝克曼紫外可见分光光度计的诞生过程可以看出，分析化学是与工农业生产、科学研究、日常生活联系密切的学科，很多问题的解决与当时科学知识的积累、科技水平的发展和科学家们孜孜不倦的探究紧密相关。

我国“三农”领域榜样资源丰富，比如用一粒种子改变世界的“杂交水稻之父”袁隆平，把论文写在大地上的“农民院士”朱有勇，扎根大山、把生命定格在扶贫路上的“时代楷模”黄文秀和扎根“三农”一线的科技尖兵苗保河等。将这些先进典型的事迹作为在线课程特色内容之一，使学生获得启迪和鼓舞，进而模仿榜样行为、形成与榜样一致品质的教育资源，最终培养更多“懂农业、爱农村、爱农民”的具有家国情怀的新型人才。

课程团队设计了符合农科特点的原创性考试题目，实现学生知识的迁移和能力提升，从而培养农业现代化的领跑者、乡村振兴的引领者、美丽中国的建设者。如，2008年，绿色藻类浒苔开始席卷青岛海岸，这一现象已成为过去十几年中一个普遍现象。每到夏天，浒苔覆盖沿着海岸线数千平方米范围。浒苔绿潮极大地改变了海洋生态系统，严重威胁沿海水产养殖、渔业和旅游业的发展。海水富营养化是绿潮爆发的最主要的外在因素。因此，监测海水中的氮、磷、钾含量将为海水治理提供数据支撑，请学生们提供氮磷钾的测定方法，他们通过查阅资料，提供了海水中氮磷钾的测定方法——流动注射分光光度法在线检测总氮、总磷含量，原子吸收分光光度法检测钾含量。

4 结语

在上述“三融入三结合”的教学模式下，学生不仅对分析化学有了新的认识，同时也对新教学模式的探索进行了反馈。利用网络平台，对我校齐鲁学堂农业、园艺、生技和植保专业的学生发布了问卷调查。问卷结果显示，82.14%的学生认为在分析化学课程中融入与农科专业融合的应用案例，对所学农科专业知识学习有帮助(图8a)，架起了分析化学与农科专业的桥梁，充分发挥了分析化学在新农科建设中的重要支撑作用；77.68%的学生认为引入思政案例，特别是与农业学科有关的案例，对“知农、爱农、学农”三农情怀的培育有帮助(图8b)，提升了分析化学课程的育人质量；70.54%的学生更喜欢线上线下两个维度的教学模式(图8c)，这种教材与智慧树平台互补的立体课程体系，拓展了学生的学习渠道；85.72%的学生认为“三融入三结合”的教学模式对提高分析化学的学习兴趣有帮助(图8d)，促进了分析化学教学质量的稳步提升。

图8 学生对“三融入三结合”教学模式的反馈

“新农科”建设背景下，培养农科学生扎实的分析化学理论基础和技术应用能力，培养学生的创新思维和能力，涵养学生“知农、学农、爱农”的三农情怀，锻造学生浓浓的爱国主义情怀，是农科分析化学课程肩负的重要使命。课程团队勇于担当和作为，紧紧围绕“新农科”建设提出的学科交叉融合理念，对分析化学课程新教学模式进行了探索与实践，实现了由注重理论知识讲授逐步向学科知识迁移、转化、吸收、应用为主的新教学模式，丰富和发展了“学用结合，学以实为贵”的办学理念，夯实了学生扎实的理论基础，提升了学生的创新意识和能力，培养了学生的科学素养，成为新时代农科卓越人才培养体系中的重要环节。