新农科背景下提升新生化学实验课教学质量的探索研究

饶震红，张莉，杜凤沛

中国农业大学理学院，北京 100083

习近平总书记在2019年寄语农业院校教育工作者“继续以立德树人为根本，以强农兴农为己任，拿出更多科技成果，培养更多知农爱农新型人才”，知农村、懂农业、爱农民的新型人才成为新时期农业院校育人目标[1]。为此农林高校吹起了新农科建设的号角，在《安吉共识》《北大仓行动》《北京指南》的倡导下，坚持以本为本，提高本科教学质量，探索培养农科人才的路径。作为自然科学的化学以其特有的世界观和方法论研究物质世界[2]，始终支撑着现代农业发展进程，动植物营养与人类健康问题、粮食生产与农产品安全问题，以及我们期盼的蓝天、绿水、青山，建设美丽乡村问题都与化学紧密关联[3,4]。化学又是以实验为基础的学科，在面对新农科建设提出的培养具有“知农爱农”情怀和“强农兴农”本领的人才要求时，各农林高校化学实验教学都采取了有效的改革，以提高教学质量。北京林业大学“科教融合，分类施教”将研究成果转化成具有林业特色的分析化学实验内容[5]；华南农业大学建立了公共基础实验课教学资源库[6]；安徽农业大学将“四性”模块实验教学内容贯穿于“四位一体”的应化专业实验教学新体系中[7]。但是目前化学实验教学在新农科建设中的经验总结仍然较少，统计中国知网关于“新农科”为主题的733篇论文中，讨论各类化学实验教学的仅有13篇，少见专注大一新生化学实验课的报道。大学一年级，尤其是大一的第一学期是学生突破持续12年的应试教育，实现从高中到大学，由应试思维向创造性独立思维转变的关键过渡期和分水岭。学生需要在角色适应、认知转变和人生规划等诸多问题上得到教师的帮助。本文介绍了中国农业大学化学实验教学中心深入理解“新农科”对化学实验课程提出的任务要求，对于本科新生最早接触的实践课程——化学实验课，以提升课程教学质量为抓手，实施“三炼三建”教学法，即凝炼内容，融合农耕文化，营建特色学习氛围；训练技能，分析多元需求，创建新生实验课程体系；提炼问题，开拓高阶思维，构建新生多段位课堂，意图将化学核心素养与大一学生素质教育与能力培养有机结合，引导学生快速适应大学学习生活，支撑农业新人成长，经过实践取得良好的成效。

1 新农科背景下大学新生化学实验课的教学任务

对我校2019级本科新生进行实验课课前问卷调查，由回收的1293份有效问卷可知，中学阶段受区域条件与高考政策的影响，新生对化学实验课的认知程度有所不同(图1)，并导致实验技能和基本的科学素养存在显著差异。学习态度上学生热情很高，喜欢化学实验课，新奇充满自信，渴望在有限的时间内多做实验，并对与本专业相关的实验更感兴趣；但主观上认为实验课附属于理论课，对预习实验的意义理解不深入；行动上仍延续应试思维指导，有近1/3的学生实验前渴望教师的讲解与演示，有46%的学生有独立实验的意愿，报告实验结果时，有18%的学生不反对修改实验结果(表1)。而且当前城市生源多，农村生源从事三农活动少，学生对“三农”的认知度、关注度不高；加之社会对农科专业存在的偏见，学生主动报考农业院校的积极性不高，普遍存在知农爱农情怀不足的情况。

表1 本科新生化学实验课课前调查

图1 新生对化学实验课的认知度

针对上述调查结果，结合“新农科”建设对培养知农爱农、强农兴农型高素质人才的要求，可以认识到农业院校的新生化学实验课不仅要用化学的世界观及方法论培养学生思考和解决实际问题[8]，还要担负起培养学生爱农情怀与兴农能力的先导重任；需要确立教学新目标，解决新生化学实验课教学与新农科要求及学生个体发展适应性问题；优化教学内容，解决新生求知欲望与自身行动协调发展问题；创立模式手段，解决新生化学实验课培养学生高阶思维和能力提升问题。

每年中国农业大学的传统农业相关专业如农学、动物医学、动物科学等，由农业衍生出的专业如生物、食品、环境等，以及教育部特色专业化学类和可用于农业的通用型专业如农业工程、水利、国际学院的农业经济管理专业等，约2200余名学生在大一第一学期必修化学实验课，而且80%的专业是从学生入学后第一教学周开始上课，按照各专业教学计划分为64学时、48学时、36学时和32学时，所有的实验课都独立设课，单独计学分，体现出我校新生的化学实验课覆盖面广、专业需求层次多、开课时间早的特点。为此我校化学实验教学中心结合“新农科”背景下化学实验教学担负的任务，积极探索解决问题的方法。

2 提升新生化学实验课教学质量的方法探究

2.1 研究实验课程知识技能、素质能力的辩证关系，确立新生课程教学目标

在大类招生背景下，大学一年级学生普遍面临的适应性问题种类增加了，不仅体现在高中与大学生活、学习习惯、学习方法的衔接，更主要的是对新生的知识探索和人生规划能力提出更高的要求[9]。学生需要在广泛的通识教育环境下，选择自己未来的方向。因而大一新生的化学实验在“宽口径、厚基础”的教学需求下，普遍以学生为中心进行课前、课中和课后的“导学”。我校化学实验教学中心长期关注实验课的育人实践，采用PBL(基于问题的学习)等教学法对不同专业进行了针对性改革[10,11]，当下“新农科”建设的实施增加了新生化学实验课程的任务，因而我们延伸了大类培养下基础课的教学目标，深入研究实验课程“知识、技能、素质、能力”间的辩证关系，知识技能是增长能力的基础，能力决定获取知识和增强素质的效率，素质支配着知识与能力的增长。以知识技能为基石，素质与能力为梁柱，托起时代新人(图2)，在“肩负使命，追求卓越，突出特色，树情炼能”教育理念下，确立了“强基扩知、塑能增质”的新生实验课教学目标，实现“新农科”背景下化学实验课中理学与农学的融合，体现基础实验课程的支撑作用。

图2 知识、技能、素质和能力间的关系

2.2 分析多元需求，建立新生化学实验课层次化教学体系

我校大学新生化学实验课面向农学类、工学类、理学类，以及经管类学生开设，专业需求差异显著。围绕新农科培养具有“知农爱农”情怀和“强农兴农”本领的人才培养要求，化学实验教学中心以“强基扩知、塑能增质”为实验课教学重点，结合学校打破原有专业学科壁垒而设立的五类平台框架，以问题为导向将课程结构、教学手段反向设计构建了具有基础通用功能的X + 4 + Y型层次模块化新生实验教学体系(图3)。其中“X”表示层次化设计的课程结构，随学校招生类别动态增减；目前在一年级第一学期开设有大学化学实验、基础化学实验、普通化学实验、无机及分析化学实验和无机化学实验；“4”表示化学与农畜生产、生命科学、食品加工融合的知识内容；“Y”表示随教学技术发展而不断变化的模块化的教学手段，课程体系成为提高教学质量促进基础实验课与“新农科”契合及解决学生期望与个性协调发展的根基。

图3 层次模块化新生实验教学体系

2.3 融合农耕文化，建立新生化学实验课特色学习氛围

从人类发展历史可知，农耕文化是社会发展史的根基。我国作为农业大国，农耕文化内涵丰富，农业思想、农业科技、农业制度与规则，农事习俗与饮食文化都是人民智慧的结晶。农耕文化的“天、地、人间的和谐共生”思想，以及“诚信为人，诚信守则”在核心价值观的国家层面、社会层面和个人层面上有着显著体现[12]。在我校新生化学实验课上，挖掘经典基础实验中的农耕元素，建立化学与“新农科”建设的感性认识，充盈农业色彩，突破传统“农民”观念，于实验中寻找学生的兴趣点与关注点，培养学生科学精神与素养的同时，嵌入“知农爱农”情怀教育。

惊蛰是中国农历二十四节气之一，春耕开始，气温回升，潜伏之物涌出。越冬病原菌和越冬害虫复苏，干扰植物的生长，KMnO4因其强氧化性，具有杀菌、消毒及防腐作用而成为惊蛰春耕重要的辅助元素，经过KMnO4处理之后的植物种子，比如水稻、蔬菜甚至于药用植物连翘，发芽能力显著增强，而且可以防治常见苗期恶苗病、立枯病、青枯病等病害[13,14]。我们开设了KMnO4在不同介质条件下与Na2SO3反应的实验，使学生了解KMnO4的氧化能力及影响因素，判断还原产物类别，进一步认知因其还原产物对环境友好，KMnO4成为无毒、无害、肥药两用的绿色杀菌剂。同样在沉淀溶解平衡实验中，我们引导学生制备Mg(OH)2沉淀，加入不等量的NH4Cl溶液，观察沉淀的溶解情况，引申出在农田管理中草木灰(K2CO3)不能与氨肥混合使用的化学原理。新生基础实验中的酸碱平衡、沉淀溶解平衡、配位平衡、氧化还原平衡及基本的实验操作训练都可以扩展出农业知识(表2)，也可以探讨农业文化内容。农历五月初五是端午节，包粽子、吃粽子是传统习俗，包粽子的原材料糯米通常需要加入碱粉浸泡，目的是使糯米中的淀粉与蛋白质糊化凝结，易煮熟，而且碱水呈碱性可以抑制真菌的生长，延长保鲜时间。那么所加碱粉的成分是什么？使用过程中成分和含量会变化吗？通过开设混合碱中组分含量测定实验，使学生了解多元弱碱滴定反应过程中溶液pH的变化，并用双指示剂法确定组分含量，在实验与生活交融的氛围里，对碱粉在食品加工中的应用有深层次的理解。

表2 开设的新生化学实验中的农业知识(部分)

2.4 优化实验内容，开放自主选学，建立新生化学实验趣学驿站

新生化学实验课教学目标是“强基扩知、塑能增质”，以化学学科思维体系为主线，在坚持基本操作训练、物质合成与提纯、化学原理分析、物理化学参数测定及物质定量分析、常规分析仪器使用等基本内容的基础上，优化实验内容，按照通识性、基础性和专业性编排不同层次的实验，培养学生诚信、求真的基本科学素养的同时，借贴近生活的实验，增强学生的学习兴趣，引导学生动手动脑。比如在大学化学实验中开设葡萄酒中乙醇含量的测定、牛奶中钙含量的测定，基础化学实验中增加果蔬中维生素C的测定、比较与分析；还在无机及分析化学实验中建立了自主选学的趣学驿站。趣学驿站安排在学生完成规定的课堂实验内容之后，内容完全由学生自主选择，基于此时学生理论知识的储备，趣学驿站的特点是内容趣味性、课堂活跃性、过程研究性、效果多样性，比如“茶水魔法实验”，为了增加魔法实验的表演性，学生根据资料重新设计，取两只洁净的试管，分别用一定浓度的H2C2O4和FeCl3溶液淋洗内壁，然后控干，将煮好的黄色茶水倒入内壁附着FeCl3的空试管中，茶水瞬间变黑，再将黑色的茶水倒入内壁附着H2C2O4的空试管中，黑色立即消失。看似简单，学生实验了多次，寻找使现象变化明显所需的最佳溶液溶度，同时深刻地体会了浓度对酸碱平衡与氧化还原平衡的影响。选做“水中花园”实验的人数最多，学生们自己配制一定浓度的Na2SiO3溶液，加入铜盐、铁盐、钙盐等固体小颗粒，观察溶液中不断向上生长的沉淀，为了获得最美效果，分别改变硅酸钠的浓度，调整溶液pH，探讨了液体高度和固体颗粒大小对沉淀生长速度的影响，在提交的实验报告中详细描述了不同沉淀芽状、枝状生长过程并分析成因(图4)，在快乐中主动学习，提升了思维，增强了分析问题、解决问题的能力。

图4 趣学驿站选学实验——“水中花园”

2.5 创新高阶思维培养，建立新生化学实验多段位课堂

重视对新生化学实验课的学情分析，遵循认知规律，以循循善诱之法借助于信息化云技术，在大一第一学期教学周期内建立能力塑造的五段位课堂教学模式(图5)，提升教学质量，进行高阶思维培养。

图5 五段位课堂教学模式

采用混合式教学，在学习伊始，利用优慕课对新生进行化学实验室安全教育，不拘泥于时间和空间的限制，突出自律能力培育，是迈入化学实验课堂的第一步。编辑立体化数字实验教材，将实验基本操作以视频方式通过网络传递给学生，建立导学设问课堂，从导什么、怎样导两维度入手，引导学生在课前自学规范化的实验基本操作，了解实验流程，思考实验原理，书写设问式预习报告，解决实验课与理论课关联问题及课前预习有效性问题。比如我校无机及分析化学实验教学初期以“简、趣、引”为原则，将“铝锌合金含量的测定”作为先导性实验引入基础课程中，目的在于通过探索实验将学生带入科学研究课堂，领略科研的规范性及诚信意义。为什么要赶走量气管中的气泡？为什么用万分之一的分析天平称量？怎样使用？为什么金属片沾水后不会从倾斜的试管壁滑下来等，都是学生通读教材后的自我提问，同时给出自己分析后的答案，正确与否经过实验来验证，学习能力无形中得到提升。

实操演练课堂是培养新生基本功和科学素养的主要阵地。基本操作展演台和一对一通关训练成为演练课堂常规教学手段。同时拓展课中阵地，建立质疑思辨课堂。学会疑和辨是培养学生高阶思维的必经途径。比如经典实验“粗盐提纯”，通常教材中强调先去除阴离子，然后再去除阳离子，而且以沉淀转化原理强调一定要分两次过滤；“(NH4)2S2O8与KI反应速率常数与活化能测定”的实验中，强调(NH4)2S2O8一定要按照加液顺序最后加入，否则会有副反应发生，果真如此吗？我们采用合作学习法，学生自由分组，正常实验组和反常规组同时实验，结果发现“粗盐提纯”实验分次过滤与合并过滤，最终产品定性检验效果一致，(NH4)2S2O8先加还是后加测定时间几乎未变，似乎与教材相悖的结果出现如何解释？学生课后查找文献资料，运用理论知识正反两组讨论、比较、互辩，形成见解迥异的实验报告，使得学生体会在实践中探索、发现、凝练总结是检验真理的方法，分析判断能力显著增长。

将课堂交给学生，以学生为主体，教师为主导，分步渐进推动科研化教学，建立科研引导教学的设计课堂，培养学生的创造思维能力。例如在实验后期安排学生完成自主设计实验“蛋壳中Ca含量的测定”，学生从查阅资料、方法对比、编写方案、样品的搜集与准备，到实验实施与数据处理分析，体验了研究性实验全过程，增强了分析问题、解决问题的能力，提高了创造性思维。

建立归纳反思课堂同样助力思维提升，在沉淀、配位、氧化还原实验之后，安排了生-生、师-生间的集中讨论环节，借助实验绘制四大平衡间转换的思维导图；对于复杂综合实验安排了“说说”环节，例如未知溶液中Cu2+和Mn2+的分离与鉴定实验，学生们在课堂上获知实验结果之后，反思实验过程，与教师一对一地分析讲述影响自己成果的因素，分享心得，不仅学会了将难点分散，认识事物整体性质的思维方法，也增强了沟通表达能力。

3 新生化学实验课教学改革成效

从“新农科”建设需求出发，多维度探索新生化学实验课教学方式，通过带、引、练、推，在农业特色学习氛围下完成基础科研训练，激发了学生学习的兴趣与积极性，培养了高阶思维与实践能力。上化学实验课很开心是学生在评教系统中对课程的真实感受，在科学精神、实践能力与创新素质培养方面受益匪浅(图6)，91%的学生认为课程对自己专业学习有很大帮助；有76%的学生认为实验课程打开了自己学习思路，在实验中自然建立起农业安全意识，增强了社会责任感。比如含重金属离子的废液长期排放会对水质、土壤造成污染，影响人体健康和植物生长，有的学生在实验结束后主动尝试废液处理，沉淀Pb和Cr，然后再放入废液回收桶，是素养养成和能力提高的自然体现。

图6 教学改革后学生期末对课程的体验调查(部分)

4 结语

跟随“新农科”建设步伐，在调研当前入校新生化学实验认知的基础上，以“强基扩知、塑能增质”为新生化学实验课教学目标，对实验课程进行内涵改革，提高教学质量，引导农业新人成长。面对多重需求，构建层次化的实验课课程体系；设计融合农耕元素、体现化学思维的教学内容，使得学生透过化学实验了解农业；对待大一学生既不拔苗助长，也不放任自流。以“带、引、练、推”为手段，阶梯式推进教学，创建了具有农业特色的学习氛围，创建了引导学生主动学习的趣学驿站，并借助于信息化教育技术，建立了以提升新生科学素养和高阶思维能力为目的的“五段位课堂”，效果显著，完成了新生实验课的先导任务，支撑并推进大一学生踏入“新农科”建设征程。