新农科背景下“无机及分析化学”基础课程教学与教法改革

汪快兵,吕波

(南京农业大学,江苏 南京 210095)

新农科建设对化学基础课教育的专业教师教学和学生学习提出了新要求。新农科建设主要是指运用现代科学技术在高等学校中设立新的农科专业或改革现有涉农专业,紧密围绕乡村振兴战略,以建设生态文明为依托,改革与创新原有课程体系,推进实践教学,为乡村全面振兴提供更强有力的人才支撑[1］。传统的“大班化”教学模式、单一的教法形式存在如下问题:教学难以覆盖每一位学生,学生参与度低;教师与学生沟通少,学生难以保持学习兴趣;一对多教学,难以提高所有学生的学习效率;难以维持良好的课堂纪律,书面作业批改任务繁重等,已经无法全面地满足跨专业背景新型农业人才培养要求。无机及分析化学是动物医学、农学、食品、植物保护等大农学专业的一门重要基础课,其基本理论和化学分析技术对农林类专业学科的深层次发展起着举足轻重的作用,是解决农业“卡脖子”机制问题的基础科学工具。在教学过程中,为了保持自身课程的系统性、规律性与完整性,忽视了无机化学与分析化学知识点之间的串联与协调性,知识的重复甚至脱节现象严重,内容繁杂课时少,且与大农类学科的交叉融合深度不够,师生缺乏交流沟通,学生学习积极性不高。通过探索新的教学与教法,不断提高教学质量,使学生能够更好地成为新农科背景下的综合型农业科技人才,符合未来社会发展需要,最终对接国家重大战略需求。

随着科学技术的高速发展,农业生产方式的重大转变、农业产业结构的更新换代、新型农业经营主体的变更,社会对高层次农业人才也提出了更高的要求[2］。因此,推进高校涉农专业的交叉融合,是实现新农科教育与综合型农业人才振兴的有效途径。2021年,中央一号文件明确指出,要加大涉农高校、涉农学科专业建设力度[3］。随后,各农林高校围绕培养方案改革、农业专业改革与课程改革开展了系列优化与探索实践,如南京农业大学启动“农科特色”课程改革,优化学科专业布局,聚焦粮食安全、乡村振兴、生态文明等国家重大战略需求,推动涉农学科与理、工、文等学科深度融合,加强涉农新兴交叉学科专业建设,增设植物表型组学交叉学科,新设人工智能、智慧农业等专业;西北农林科技大学积极促进化学与生命科学等学科的交叉融合;华中农业大学的化学分类教学模式以及华南农业大学、山东农业大学等从师资与教材建设、课堂教学、教学与教法等多方面改革基础课程教学。新农科背景下,基础课程与涉农专业核心课程交叉融合已是大势所趋。文章以南京农业大学为例,探讨了“无机及分析化学”课程教学现状、改革和成效,以期为涉农高校人才培养提供借鉴。

一、 “无机及分析化学”课程教学现状

“无机及分析化学”课程是公共基础课,教材选取的是全国高等农林院校“十三五”规划教材《无机及分析化学》(兰叶青主编,第三版),授课对象为涉农理科类大一新生,主要涉及植物保护、生命科学、资源与环境、农学、园艺、中药等专业,每年1500～1800人,教学模式为“大班化”线下授课。教学模式传统单一,教学目标脱离“农业特色”背景,学生能力很难得到提升,教学与教法改革需要进一步推进。

(一) 传统教学理念无法满足新农科建设要求

传统模式的教学与教法,无法体现新农科建设要求中“新”的理念。新农科的培养要求是对接国家重大战略需求,服务农业农村现代化进程中的新产业新业态,面向粮食安全、生态文明、智慧农业、营养与健康、乡村发展等五大领域,着力推动新农科供给侧改革作为重要使命。基于新农科建设要求,构建高等农业教育新内涵、新研究内容、新管理模式模式与组织形式,加快农业学科与新技术、新能源和新材料等方面的深度交叉和融合,培养现代农业领军人才。目前,本课程的传统教学、教法模式与传统的基础化学知识体系还无法满足新农科建设要求。

(二) “教师—学生”缺乏有效沟通,教学目标模糊

“无机及分析化学”课程内容丰富,知识面涵盖点多,囊括了无机化学理论,物理化学中热力学和动力学知识、物质结构基础、四大平衡理论及相应的容量分析方法。课时短,但为了保证化学内容的系统性,教师“赶课式”教学痕迹明显,“教师—学生”主体间缺乏有效沟通,教学目标模糊。模糊的教学目标造成学生学习目标模糊,在教学过程中,发现学生普遍存在以下问题:(1) 信心不足,学业规划模糊 (仅有口号,缺乏系统学习计划);(2) 自主学习能力不足 (过于依赖老师讲解,抓不住重点、难点);(3) 学习理念偏离,应试教育痕迹明显 (学习“为了考试”,作业 “为了完成任务”比较突出);(4) 学习效率不高 (延续了中学学习方法,缺乏归纳知识能力);(5) 把握知识点能力不强 (对新知识的敏感性不强);(6) 知识应用能力弱 (无法将“问题”与“知识点”对应联系)。

(三) “教学过程”与专业核心课程交叉融合不够

在“无机及分析化学”课程教学中,侧重的是基础化学原理、化学分析与化学手段的教学,关注点聚焦于化学知识的系统性和协调性。教师教学过程中忽略了与专业核心课程的有效融合,如四大平衡理论中,侧重于化学本科专业的四大容量分析原理的介绍,缺乏“农业生产与生活”中的实际应用介绍,与食品、中药、动医、环境、植物保护等专业的交叉融合不够充分,如何既不突兀地融合,又能激发学生的学习兴趣,值得进一步探究。

(四) 学情差异明显,针对性、多元化教学方法缺失

以2022年为例,课程覆盖人数1800余人,涉及24个涉农型理科专业。专业分属动物科学学部、植物科学学部、生物与环境科学学部以及食品与工程学部,专业“差异化”明显,教师为了完成课时任务,必然“满堂灌”以保证知识点的传输,忽略了专业差异因素以及教学方法多元化的尝试,针对性教学缺失。根据高考选考情况,又大致可分为三类:(1) 因当地高考政策“7选3”,未选择报考化学。这类学生化学基础知识薄弱、理论知识匮乏,对化学课程全程无感,甚至有心理抵触情绪;(2) 部分少数民族学生,高中时期化学基础差;(3) 正常选考化学的,排除个别特殊情况,相对前两类同学,理论功底较扎实。因此,专业与化学基础差异,在“大班化”教学过程中,很难保证“因材施教”。

(五) 考核方案单一,过程性评价缺失

课程的成绩评价方式体现为两个方面:期末卷面成绩与平时表现。成绩评定为“六四开”:期末成绩占比60%,平时成绩占比40%。考虑到大班人数众多,平时的成绩表现简单地设置为课堂上表现与课下作业评分,而作业评分采用等级评价,包括优、良、中、及格和不及格五级评分制,缺乏过程性评价与创新性评价。评价体系中未考虑学生基础差异性、专业差异性等因素的影响。

二、 “强基固本”融合农业特色下的教学与教法改革

针对上述讨论的无机及分析化学课程的教学现状、学情差异明显、原有教学目的与教学理念的局限性,在新农科建设大背景下,笔者以小班化班级试点,结合“注重学生能力教育”教育理念,尝试多种教学模式灵活运用,有针对性地教学,实时与学生沟通、交流,“强基固本”的同时融合农业特色课程,完成对传统教学与教法的改革探索,助力新农科建设。

(一) “小班化”试点,注重学生能力教育

以金善宝植物实验班为试点对象,该班属植物学拔尖人才培养基地,规模30人,学生经过植物学专业初步选拔,未专门选拔。每周安排两次课(共14周,为教学时间;2学时安排期末考试),每周五个课时(2+3模式),具体情况见表1。

表1 植物学拔尖人才基地班概况

课程教学目标:拥有扎实的化学理论基础,具备主动学习与主动提问的能力。将学生能力教育作为首要教学目标这一教学理念不松懈,围绕“强基础、融农特色”这一中心思想开展教学活动,切实做到将“以渔”贯通于“以鱼”之中,关注每位学生的成长过程。

(二) 架设“学生—教师”心灵桥梁,深入了解、关心学生

1. 学期初调查学情

以学习通APP为调研平台,围绕“摸底”与“学业规划”两个主题开展简单的问卷调研,结果如表2与表3所示。为了评估学习效果,学期末同样以“问卷调查”的方式,调查学生对课程优化改革的接受程度、喜欢程度与他们心中最喜欢的模式(即课程存在的优势与不足)。值得说明的是,笔者在考察植物实验班的教学效果时,已在学校其他农科专业进行过4～5轮的课程优化与试验。

表2 部分问卷调查表

表3 学情问卷调研结果

2. 学期中开展“师生互通一份邮件”活动

邮件具体要求为以word文档撰写,内容主要涉及自己的简历、学习化学过往(化学竞赛、化学辅导班等)、目前学习的困难、对老师提出的建议以及未来的学业、职业规划等,篇幅不低于300字。根据学生们的信件,教师一一做了回复,确保每位同学的“状况”“疑惑”都能得到回应。

3. 开展 “师生面谈”活动,随时做学生的心灵导师

及时发现学生在学习中出现的“状况”(主要涵盖:两次随堂成绩低于60分、自主学习进度滞后、交作业不及时或不认真),及时约学生面对面交流,了解学生的具体情况,帮助他们剖析产生状况的原因,给出解决的办法或建议。

(三) 强基固本促融合

“摸底”与“心理建设”的课下沟通后,课堂上与学生交流,探讨化学基础“根基”的重要性,只有强化方可延伸。随着科学研究的深入,“学好数理化,走遍天下都不怕”依然适用,甚至应用更广,深层次农业“卡脖子”问题仍需要化学手段、化学方法、化学原理去分析解决,扭转基础化学为“副科”的心理,通过引入学生所学农业特色专业主干课程、核心课程与化学学科的理论交叉点,将基础化学知识点深层次融入并应用到涉农专业,进一步激发学生学习兴趣,具体如下:(1) 交叉知识点间潜移默化的关联,如溶液依数性,是基础化学非常重要的知识点,融入植物学专业中的植物耐寒、耐旱与植株高矮问题,和学生讲解脯氨酸、糖类小分子等使凝固点降低、饱和蒸气压下降以及渗透压的知识;谈到反应级数为负数时,融入生物化学反应中的酶化学,讲解底物抑制反应会经常出现负值的情况,即底物浓度升高会降低催化反应酶的活性,从而使反应速率下降,反应级数为负的关联知识。(2) 在实际操作方面,交叉融合得较深入,删除原有基础化学中知识点重复性实验,引入融合后实验。如无机实验层面引入秸秆、稻壳、菌渣等农业废弃物转多孔碳实验;容量分析实验层面,增设“学校池塘污水中COD含量的测定”“铵态氮肥中氮含量的测定”“农药中氮、磷含量的测定”“土壤中Ca、Mg含量的测定”等,将基础化学学科与农业核心专业课程深度交叉与融合,为培养“跨学科”综合型农业领军人才添砖加瓦。

(四) 多种教学与教法并用,“强基础,虽多不杂”

1. 重视“方法论”的教育[4］,激发学生内在驱动力

(1) 帮助学生提升自主学习能力。教学实施过程主要包括以下三个阶段。自主学习阶段:利用学习通教学平台,定时限期发放教学视频、讨论话题、章节测验。课堂教学阶段:以“问题”方式展开师生交流讨论,即以问题为导向的讨论式教学法,再以“小结”形式进行章节内容整理、归纳;再学习阶段:以“随堂练习”形式检查学习效果,及时发现“问题”,通过线下课堂,专门针对重难点进行讲解,解决难点和易错点。

(2) 注重学生学习方法的传授。① “好记性不如烂笔头”,教师要求每位学生必须记笔记,教学生如何记笔记。② 要求学生多读书(教材是指定参考书,学好课程需多读书)。告诉学生要利用好图书馆阅览室,补充好自己读书笔记;应该时刻以教材为主线(但绝不能是唯一的),利用好课堂提供的参考书目录,拓展知识,开拓自己的视野。③ 注重学生求知欲和好奇心的培养(求知欲是学习的原动力)。鼓励学生主动参加学校、学院举办的学术沙龙活动,多听专家讲座、学术报告,了解自身专业(植物学)与化学学科的交叉融合情况,掌握自身专业的前沿事件与科技动态;尽可能多的与专家、学者接触交流,了解本专业体系内的“卡脖子”问题等,激发自身学习的愿望,保持旺盛学习原动力;鼓励学生在学习中多提问题,尽可能弄清遇到的每一个问题,充分拓展自己的知识范围,真正了解何为“学无止境”。④ 制订适合自己的短期、中长期的学习计划和目标。建议学生利用好可控时间,约束好自己,制订切实可行的学习计划,明确学习目标。如短期内的课程学习计划和目标、四六级英语目标成绩,中长期的出国、保研乃至职业规划等。⑤ 扭转中学阶段的“题海战术”和“任务式”完成作业的习惯。建议他们作业的初衷只是用来检查知识点掌握情况,学会理解并认识到“作业中问题”与理论知识点之间的必然联系,同时也必须做到“看书不做题,做题不看书”。

2. 因材施教,实行针对性教学

(1) 化学基础薄弱的学生(高考化学不是独立课程),建议他们增加精力和时间的投入,从学习过程的点滴做起。自主学习阶段:做好学习笔记,找出重点难点;课堂学习阶段:关注老师的讲解,对比重点难点知识的匹配;学习巩固阶段:以习题为范例,关注习题中“问题”与知识点间的联系,解决“问题”的条件,最终找到解决“问题”的方法(要重视此阶段精力和时间的投入)。

(2) 自信心不足的学生(怕被提问、不敢问问题),课堂中一再做好学生们的心理建设,告诉他们自信是成功的重要因素之一,帮助他们分析引起自信不足原因,提出相应的建议;授课讨论时,鼓励他们多提问题,多参与讨论,大胆表达个人的看法,不要怕犯错误;设立阶段性目标,通过阶段性成绩提升个人的自信;课上与课下时刻关注他们学习的过程,或者课间作简短的交流。

(3) 学习效率不高的学生(成绩徘徊不前,压力大),帮助他们改变学习方法,寻找适合新要求的学习方法;建议学生提高学习的专注度,学习时要心无旁骛,增加学习时间和精力,制订课程学习计划,设立学习目标。

(4) 个人发展目标不明确的学生,告诉他们学校设立金善宝实验班的目的和相应的要求;鼓励并告诉他们产生“迷茫和困惑”是个人成长过程中出现正常现象,但不能听之任之,需要重视它,尽快从中解脱出来;在课堂教学、随堂练习过程中,教师关注他们的情况,及时进行“面对面交流”。

3. 按“章”办事,教学方法灵活、多变

按“章”教学,“量”体“裁”衣。依据每章的具体内容、内容的篇幅、难易程度,采取不同的教学模式。教学模式虽多不杂,灵活是主要思路,主要目的是让学生易于接受,真正将知识融会贯通,从而学以致用。有的是利用“互联网+”技术手段,结合MOOC、雨课堂、超星等电子教育平台,采取线上—线下混合模式教学[5］;有的采用案例式教学,以图形化案例直观辐射章节理论与知识点;有的采用“以小窥大”式的归纳式教学与问题讨论式教学模式,学生作为主体“提问题”,然后集体讨论与辩论,最后给出结论。将多种教学模式贯穿于教学之中,真正做到将“以渔”贯通于“以鱼”之中。

(1) “以小窥大”归纳式教学[6］——以“物质结构基础”章节为例。这一章节是摘选于“物质结构”这一门学科,理论内容丰富且抽象、知识点繁杂,需要学生发挥空间想象能力,主要涉及离子键、现代价键理论、杂化轨道理论以及电子排布式、元素周期律、分子间作用力等。为切实推动学生自主预习和复习这一部分的理论知识,如图1所示,以中学阶段学习过的主族电子结构式为引子,谈是否适用过渡元素的电子排布式。以Mn元素为例,教学过程中,大部分同学都会错误地写作图1左下角的模型,将四个量子数、洪特规则、电子排布规则、鲍林轨道能级组的概念归纳、总结串联后,特地强调第三电子层上d轨道的作用,因它第三电子层不再只有8个,可以达18个,Mn的结构式就会迎刃而解,如图1右上部分。通过引入这一简单知识点,让基础薄弱的学生自主归纳21—30号过渡金属元素的结构排布,以课堂作业的方式书写并讨论9—17、18以及18+2电子构型。

图1 以电子排布式归纳相关内容

(2) “小案例,大作为”,图形化案例式教学[7］——以“物质结构基础”知识为例。如图2所示,杂化轨道理论一直困扰学生,尤其是化学基础薄弱学生,原因是很难简单通过书本的语言表达来理解具体的理论模型。因此,尝试以“椅子理论”这个案例来简化杂化轨道理论模型:在以硼为例介绍时,硼因为电子排布的特殊性,其轨道“存异”,即家里的“椅子”数目难以接待地位相同的客人氯,为了“求同”,只好采取“拆了重装”这一杂化手段。试图用最简洁的语言描述模型中的“激发”与“杂化”的概念,让学生掌握到杂化轨道理论的本质内容依然建构在现代价键理论中,仍要以价键理论中的“空间相遇”来解释该理论模型。通过案例教学,提高学生空间想象能力,尤其是增强基础薄弱同学的兴趣,进一步提升其主动学习的能力。

图2 以“椅子理论”为案例解释杂化轨道理论

(3) 以问题为导向的讨论式教学[8］。以个别问题为引,引入书本知识,串联知识点的同时,拓展延伸,将问题研究透彻,深入理解化学知识点间的潜在联系。如图3所示,通过引入“离子键与共价键谁更强”的问题,串联离子键理论、共价键理论、电负性等知识,从而讨论书本中重点知识,如AgCl、AgBr、AgCl溶解性高低与MgO、CH4熔沸点高低问题。

图3 问题为导向的讨论式教学

(4) 线上多资源互补,启发学生自主学习。线上主要采用学习通APP,定时发放笔者所在教研组录制好的“无机及分析化学”课程。每个视频内,安插多个任务点,学生可随时观看,教师端后台可实时监测并掌握学生的学习情况。此外,通过该平台发放课后习题、讨论题、总结等,与学生实施在线互动。其他课外资源,线下课堂提供中国MOOC、雨课堂等资源的链接,学生自主查询、自主学习。

(五) “化简为繁”,细化评分准则,优化考核方案

在此次小班化教学过程中,打破常规,尝试将前述几个改革措施都纳入考核评价中,让学生不是“被动学习”,而是转变为“主动学习”。具体评价方式如下:笔试考试仍保留,但卷面的成绩降至总比重的40%,讨论式分组时每小组占比10%,小组间互评10%,平时表现(笔者打分:20%),课堂测评为10%,线上测评占比10%。细化后评价方式繁琐,但能更好地体现每个人的参与程度与差异性评价,让孩子们了解“卷面成绩”不再是考核的唯一标准,“主动学习”能力的培养才最重要[9］。

三、 教学效果与教学反思

以短期的教学效果来评价,如图4所示,植物实验班的平均成绩为88分,其中最低分83分,最高分98分;相较于笔者同时任课的“无机及分析化学”平行“大班化”班级(110人,平均分:71分,试卷难度较大,不及格人数仍有14人),教学效果显著。中长期来看,经过前期的生命基地、生物基地班的试点,读研率和入读高校的质量也在稳步提升。

图4 同期“大班”与“小班”的期末成绩对比

另外,连续多届学生从课上授课方式、教学方法的灵活性、课下辅导、讲课的认真程度、作业的布置方式、课堂讨论模式、沟通交流及时性、学生自身获得感等多个主观与客观层面,都对课程教学与教法给予高度评价,笔者也因此从2018年开始,连续4次获得教学质量综合评价优秀,团队老师更是获得了南京农业大学颁发的“师德标兵”“优秀教师”等多项荣誉称号。

通过这些教学措施的优化与实践,旨在将小班化教学,融合大农类专业的核心课程,从而与大农类专业课程知识进行更大程度的交叉,对课程的内容进行农业特色化改造,更多地培养学生利用基础化学知识解决自身专业问题的能力,同时让学生充分认识学科交叉的优势,培养“提出问题—解决问题”的能力。通过实施多元化的评价考核方案,让学生感知学习不再是“唯成绩论”,而是能力至上,充分发掘自身的学习潜力、提升自身学习兴趣,从而提高自己的学习质量,充分融入新农科背景下的跨学科人才培养。尽管取得了一定的成效,但这些方案在实施的过程中,笔者仍有一些反思与心得,希望与奋战在一线从事教育教学改革的老师们共勉,具体如下:

1. 教学活动一定要有针对性,要尽可能去了解学生的情况,如化学基础、学习能力、个人发展、专业需求等,及时做好心理建设,弥补中学到大学的心理落差,真正做到因材施教。如果条件允许,未来除了针对性教学模式外,有必要尝试分类教学模式。

2. 厘清“以渔”与“以鱼”的关系,两者融为一体,在“以鱼”中呈现“以渔”;将能力教育作为教学内容,针对不同学生需求,提出个性化建议和方法。

3. 以身作则,用自己的教学态度和热情潜移默化地影响和感染学生。

4. 师生之间应有合适的交流渠道,可以通过微信群、QQ群、学习通平台、邮件等,了解学生的个性化与共性化需求,及时反馈,表扬进步学生,善意提醒问题学生,进一步增加与学生沟通、交流的频次。

5. “小班化”的模式是否可以复制到多民族、多专业融合的大班型班级,值得进一步探究。

6. 评价方式仍略显单薄,趣味性有所缺失。评价方式虽已细化,但仍然过于直接,部分学生的参与度与参与热情仍不高,趣味性以及其他创新性的评价措施有待引入。

四、 结语

新农科建设背景下,高校教学要对接国家重大战略需求,加快不同学科的深度交叉和融合,培养现代农业领军人才。传统的教学与教法已经无法满足跨学科人才培养要求。以小班化教学为范例,强基固本的同时,切实将基础化学融入农业特色主干课程、核心研究中。通过基础化学课程特点,按“章”采取多模式教学与教法改革,本着“以本为本、注重能力教育”的教学理念,优化课程评价措施,激发学生潜在的学习兴趣,扭转“化学副科”观念,培养适合国家与社会发展的新型高素质农业人才。