国家一流本科专业建设背景下无机化学12345 + N + N + 1教学模式的研究与实践

张帅华，唐然肖，陈晓翠，蒙涛，魏秋红，吴秋华，王春

河北农业大学理学院，河北 保定 071001

“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”，这是习近平总书记对高等农林教育发展提出的殷切期望[1]。这就要求高等农业学校必须将学科专业发展的小逻辑自觉地服务于国家经济社会发展的大逻辑，建设成为培养新时代知农爱农新型人才的重要基地[2]。“新农科”是高等农林教育适应全球变化和农业现代化发展的需要，是新时代中国高等教育内涵发展和卓越农林人才培养的重要内容[3]。在高等农林教育的新形势下，“新农科”建设为高等农林院校人才培养指明了方向[4]。因此，结合“新农科”建设的要求及高等农林院校特色，全面推进一流本科专业建设和一流课程建设，成为培养新时代知农爱农新型人才的重要环节，也是高等农林院校持续探索的时代命题[5]。河北农业大学化学专业自1978年设立以来，围绕“面向未来、适应需求、引领发展、理念先进、保障有力”一流本科专业的建设要求[6]，高度契合农林院校知农爱农新型人才培养方向，历经四十余载披荆斩棘，形成了鲜明的专业特色和优势，为全国、京津冀和雄安新区发展培养了大批人才，于2020年入选教育部“双万计划”国家级一流本科专业建设点，2022年化学学科进入ESI学科全球排名前1%。化学专业逐渐发展成为河北农业大学专业建设特色鲜明、师资力量雄厚、人才培养质量过硬的专业之一，持续为“新农科”的建设和高等农林院校人才培养贡献力量。

一流专业建设是一流课程建设的指引，而一流课程建设则是一流专业建设的重要支撑，二者共同构成建设一流本科教育的一体两翼[7,8]。作为河北农业大学化学专业本科生的第一门专业基础必修课，无机化学课程担负着培养学生对化学专业兴趣和知农爱农培育的重任。然而，在“新农科”背景下，当前高等农林院校的无机化学教学尚存在许多问题：(1) 无机化学课程的知识点缺乏和“新农科”深度融合，如何将“新农科”建设潜移默化融合到无机化学课程的教学中成为课程教学的难点；(2) 无机化学课程章节内容繁多、结构抽象难懂，如何实现对学生要求不降低、教学内容不减少基础上提高教学效果和学生接受程度，成为无机化学课程教学的瓶颈；(3) 教学缺乏实质创新，课堂缺少有效互动，教学中难以将“新农科”有效地传递给学生，导致教学效果和“新农科”结合收效甚微，成为无机化学课程教学的痛点；(4) 传统的学业考评采用结果性、单一性考核方式，缺少严谨的平时成绩考核标准，如何对学生的动态成长变化给予较为科学的评价结果，成为无机化学课程教学改革的重点；(5) 学科前沿融入甚微，与日常生活实际的衔接也不够紧密，导致学生普遍缺乏学习兴趣和动力，成为无机化学课程教学改革的关键点。因此，如何解决“新农科”背景下无机化学课程教学过程中的难点、瓶颈和痛点，突出教学重点和把握关键点，成为无机化学教学改革的核心内容，也是建设无机化学一流课程、支撑化学国家一流本科专业建设的重要引擎。

当前，国内学者也在致力于对无机化学课程进行各种改革尝试。杨艳华等[9]在无机化学教学过程中，以基础理论知识为主线，融入化学发展史、化学家的主要贡献、化学学科和生产生活的紧密联系以及当代科技研究前沿等内容，构建无机化学课程思政教学体系。朱宇萍课程团队[10]通过启发探究式教学模式，让学生进行探究、分析、推导、创新和修正，从而清晰地认识到无机化学课程知识的前后逻辑关系，培养了学生的科学辩证思维能力。武汉大学胡锴团队[11]针对无机化学存在的问题，以结构主线贯穿教学，注重知识网络的建立以及“适用”和本质原则的教学理念下，对无机化学内容进行整合，有效帮助学生，了解化学本质、体会化学魅力，掌握学习化学的思维方式，提高学生的知识应用能力。大连理工大学胡涛教学团队在将信息技术与高等教育深入融合的基础上，实践基于信息技术的数字化教学模式创新，对无机化学一流课程的建设进行了有益探索和尝试，实现了“以学生为中心”培养高素质创新型人才的教学目标，教学团队的教育理念得到切实改变，教学能力得到提升，课程建设成效显著[12]。然而，如何在“新农科”背景下进行无机化学课程的教学改革与实践，目前鲜见文献报道。鉴于此，本文为解决“新农科”背景下无机化学教学中存在的问题，构建了具有鲜明特色的“12345 + N + N + 1”教学模式，使得“新农科”有效地融入了课程教学全过程，课程教学效果得到显著改善，为河北农业大学化学国家一流本科专业建设发挥支撑作用。

1 “12345 + N + N + 1”教学模式的内涵和意义

无机化学课程从目标设计、课程重构、资源重组、教学过程、评价体系和反思迭代等方面进行了多年探索，逐步构建了“12345 + N + N + 1”教学模式(图1)，依据这个模式对课程进行了教学改革和教学实践，形成了无机化学课程的“新面貌”和化学一流本科专业建设的“新亮点”。

图1 无机化学课程的“12345 + N + N + 1”教学模式结构

“1”是一个中心，以河北农业大学化学专业学生的全面发展为中心，结合“新农科”背景下学校新时代知农爱农新型人才的培养需求，实现由“教师主宰课堂”“学生被动参与”向“教师引导课堂”“学生成为教学活动中的主角”的变革。

“2”是两个维度，以“线上资源建设”和“线下活动设计”两个维度，两者齐头并进，相辅相成，实现线上、线下两个维度的有机融合、相互促进。

“3”是三个目标，知识目标：培养学生归纳、总结和记忆无机化学基本知识理论；能力目标：培养学生独立思考、自主学习、发现并解决问题的逻辑思维能力，及不断探索学科前沿的兴趣和能力；素质目标：培育学生创新创业思维，高度社会责任感、民族自豪感和爱国意识等，实现知识传授、能力培养、价值塑造“三位一体”的知农爱农新型人才培养目标。

“4”是四个环节，“线上驱动”“线下强化”“巩固提高”“扩展创新”，四个环节四轮驱动共同向前，打造无机化学一流课程、为化学一流本科专业建设锦上添花。

“5”是五个课堂：改革第一课堂(理论讲堂)，将传统的以教师为中心的教师讲堂转换为以学生为中心的翻转课堂；开辟第二课堂(空中课堂)，通过学习通网络平台，让学生随时随地自主学习；延伸第三课堂(实践课堂)，通过个人作业、分组活动、项目学习等形式，磨练学生的学以致用、创新实践能力；活跃第四课堂(在线答疑)，充分利用学习通、微信、QQ等交流互动平台对疑难问题及时进行交流和反馈；挖掘第五课堂(扩展创新)，依托创新工作室、微信公众号等强化学生解决实际问题的能力，激发学生的创新思维，锻炼学生的创新创业能力(图2)。

第一个“N”是多样化、多层次的混合式教学过程。无机化学课程教学过程采用问题为导向(PBL)教学法、启发式教学法、翻转课堂等教学方法，教师设置环环相扣的问题，以让学生讲学生评、以练代讲、案例点评、研讨辩论等多种方式，唤醒学生自主学习意识，逐步引导学生“独立思考–探讨辩论–主动分享–学以致用”，不仅将授课内容串成易于梳理的“逻辑线”，而且实现了打破沉默的交互课堂，让学生成为教学活动的主角(图2)。在此过程中，引入思政元素、学科前沿、“新农科”建设、农业生产知识和创新创业思维，让枯燥乏味的化学知识与生动形象的科学案例、农业实践相结合，打造真正有温度的课堂。通过“线上驱动、线下强化、巩固提高、扩展创新”四环节紧紧相扣，实现“第一课堂的改革”“第二课堂的开辟”“第三课堂的延伸”“第四课堂的活跃”和“第五课堂的挖掘”，为化学专业综合性创新人才的培养奠定基础。

图2 无机化学课程的五个课堂和混合式教学过程

第二个“N”是多维度的评价体系。课程以教学目标、教学活动与教学评价高度一致为基本原则，废除“一锤定音”式的结果性考试，加强过程性考核评价，建设“三位一体”的评价方式。“三位”是线下成绩、线上成绩和期末成绩，综合得到总评成绩即“一体”。线下成绩包括出勤、作业和课堂表现等；线上成绩包括小组任务、课程视频学习、随堂测验、思维导图等，重视组间评价、组内评价、自评等多维度的评价方式，促进学生全面发展。

最后一个“1”是反思迭代。反思迭代目的是改进创新，不断进行迭代修订，反过来为课程的教学改革提供有力数据支撑，形成一个循序渐进的闭环过程。教师根据学生学习情况和教学反馈进行研讨，总结教改成功之处，并对存在的问题进行反思，通过研讨，对教学资源和教学方法进行迭代更新。

2 课程改革“新面貌”，一流本科专业建设“新亮点”

在“12345 + N + N + 1”教学模式下，无机化学课程改革实现了“新农科”背景下知识体系重构和课程内容重建、案例教学分层设计、资源重组，塑造凝练学习通平台、创建“凯米斯垂的奇妙小屋”、推进课程思政建设和落地创新创业教育等多方面工作的“新面貌”，构筑一流本科专业建设“新亮点”。

2.1 知识体系重构和课程内容重建

无机化学课程打破原来章节的限制，遵循“以结构为主线贯穿教学全过程”“树立知识的整体观”“适用原则”，构建如图3所示的知识模块，多方面、多层次地逐步引导学生建立“结构决定性质，性质决定应用”思维模式；让学生用简单的模块思维学习复杂的知识，培养学生归纳总结及解决问题的能力；为增加课程间的有效衔接、减少知识点和其他学科重复的问题，本课程教学中本着“适用”原则，在明确知识体系本质的原则上，精简部分内容。例如：配位化学基础介绍组成和命名，其余内容就给配位化学课程重点介绍；热力学基础仅重点介绍化学热力学，其余内容留给物理化学课程等。

图3 无机化学课程的知识模块和知识体系重构

课程将知识结构碎片化，录制微视频、编写自学提纲、安排章节小测，选用适合学情的扩展阅读作为延伸学习。注重“基础知识”，夯实学生基础；注重“扩展知识”，扩大学生的知识面；注重“科研反哺教学，引入学科前沿”，拓展学生视野；注重“思政教学”，立德树人，实现教学内容的创新性、高阶性和挑战度，让学生挑战更高阶的内容。

2.2 案例教学“低起点、缓爬坡、高落点”分层设计

无机化学课程注重案例教学，尤其注重选择与实际紧密结合的案例。教学案例采用“低起点、缓爬坡、高落点”的分层设计(图4)，让学生逐步提升，掌握知识的同时，还能由内向外激发情感，强化学生的学习动机。无机化学课程表面看是理论，实际上与农业生产、实际生活、环境保护等联系紧密，所以课程教学不仅强化学生扎实的理论，更注重学生实践应用能力的培养。例如，用“高山上为什么煮不熟鸡蛋”作为低的出发点，设计了一连串教学案例“怎样才能煮熟鸡蛋？”“这个方法现实能不能实现？”“实际生活中为什么能用高压锅解决？”最后以科学前沿“水热合成为什么是研究热点？”“小小反应釜，威力大”作为最终落点，不仅将不同章节知识紧密联系，而且还能让学生科研依据于理论学习，强调化学实验室安全重要性，培养学生良好的安全实验素养。

图4 无机化学案例教学的“低起点、缓爬坡、高落点”分层设计举例

2.3 资源重组，塑造凝练学习通平台

依托“12345 + N + N + 1”教改理念和教学资源，创建、塑造、凝练无机化学课程的学习通平台(图5)。平台教学资源丰富优良，坚持“动态与静态”“基本与扩展”“个性与共享”三结合，教学微视频、章节测试，“无机化学助教”小讲堂，“头脑风暴”小课堂，思维导图，扩展阅读和课程思政等资源齐全；强调教学资源的与时俱进，引入科学前沿，设置主题讨论，让学生讨论“探索三星堆年代中动力学奥秘”“反应熵，一种新的世界观”等，让学生充分认识到生活中处处有化学。

2.4 原创“凯米斯垂的奇妙小屋”公众号，铺设以学生为中心的思政教育建设之路

无机化学课程原创“凯米斯垂的奇妙小屋”公众号(凯米斯垂为英文“Chemistry”谐音)，为学生提供思政教育成效检验的平台，采取特色思政元素和多元途径实现专业教育与思政教育的双向互利：(1) 思政元素并不局限于思想政治方面，还涵盖了学生的创新精神、科学精神、社会责任感等诸多方面；(2) 不仅仅强调专业课程对于深化思政教育的支持，更要探究思政教育对于专业课程的反哺以及“思政”与“课程”的双向互赢；(3) 不仅通过任课教师课堂讲授引入，更要强调以学生为主，让学生参与，学生学、学生查、学生论、学生做、学生演，甚至还让学生把学到的内容内化表达出来，以报告的形式、甚至是让学生编写成公众号推文推送在“凯米斯垂的奇妙小屋”里(图6)。尤其是，结合“新农科”特色，让化学专业学生与我校农林类专业学生学科交叉、共同创作公众号的“新农科”专栏，将无机化学课程巧妙地融入到“新农科”建设中；(4) 创建特色的试题库，将思政元素与专业知识有机融合在一起，科学全面评价学生的学习效果，让学生充分感受到化学的魅力，激发学生学习的兴趣，铺好本课程思政教育的建设之路。

图6 无机化学课程以学生为中心的课程思政全过程

2.5 以创新工作室为平台，以创新创业项目为着力点，将创新创业教育与课程教学深度融合

无机化学课程以“凯米斯垂”“以杆探源”和“纳百川”3个校级创新工作室为平台，以获批的国家级、省级和校级创新创业项目为着力点，采用多项措施将创新创业教育与专业教育相融合：(1) 创建层次递进的专创融合点集，唤醒学生的创新意识；(2) 设计多元化的教学活动，激发学生创新思维；(3) 以创新创业项目、相关赛事为引导，锻炼学生创新创业能力；(4) 搭建微信公众号、创新工作室等多元化的扩展应用平台，增强学生的创新创业能力；(5) 构建多维度的考核体系，给专创融合的探索提供科学依据。通过将专业教育和创新创业教育多维度相融合，让学生掌握专业知识的同时，培养学生的创新创业精神，锻炼创新创业的能力，全面提升学生的综合素质，真正将创新创业教育落地在无机化学课程教学全过程。

3 “12345 + N + N + 1”助推一流本科建设实效

从无机化学课程开展“12345 + N + N + 1”教学改革以来，课堂活跃度大大提高，学生的学习积极性和主动性有了明显提高，师生之间、生生之间的线上和线下互动性大大提高，教学效果得到明显的改善，学生的综合能力得到提高，极好地助推了化学一流本科建设。

3.1 课程取得的建设成果

无机化学课程是学校、学院认定化学专业的第一门线上线下一流课程，不仅满足基本教学使用，还能有效支撑化学专业国家一流专业的建设工作。2020年，课程还获批了河北省教研项目“专业教育与思政教育双向互利的无机化学课程思政案例库建立的初步探索”。在“12345 + N + N + 1”模式下，重构的课程体系、重组的课程内容模块新颖、合理；搭建的课程学习通平台教学资源丰富，可满足教学各环节的需求；多样化教学方法的应用改变了无机化学单一的教学模式，激发了学生的学习积极性，培养了学生的自我掌控能力，同时该模式更注重交流讨论和评价机制，培养了学生的知识表述能力和团队协作精神；多维度的考核体系科学评价学生学习的过程性和结果性，自实施以来学生更加重视无机化学的学习，学习态度端正，学习积极性高，成绩理想，教学效果好，学生反馈很好。如图7所示，与实施前的学生成绩相比，“12345 + N + N + 1”模式的两轮实施有助于学生平均分(图7A)、及格率(图7B)和优秀率(80分以上，图7B)全面提高，也收到学生的积极反馈(图7C)。

图7 “12345 + N + N + 1”模式实施以来学生成绩提高和积极反馈举例

3.2 专业教育与思政教育双向互利的成效非常明显

通过学生参与的主题讨论、编写的微信公众号推文以及完成的分组任务，发现学生都很喜欢无机化学这门课，认同自己选择的化学专业，坚定自己的目标并为之努力奋斗；目前完成“化家讲坛”一系列微信公众号推文，字里行间体现出对老一辈科学家的尊敬和向老前辈学习的决心，并励志新时代，燃烧自己的热情，挥洒自己的热血，谱写年轻人的奋斗篇章(图8)。学生注重理论与农业生产的联系，运用所学的溶液依数性知识解决农业生产中遇到的“过度施肥烧苗”和“土壤反渗透”等实际问题，并发表过2篇依数性的微信公众号推文。通过带领学生学习“杂交水稻之父”袁隆平教授团队历经多年辛苦培育“海水稻”的思政案例，在传递溶液依数性知识点的同时，实现专业教育与思政教育双向互利，鼓励学生争做新时代知农爱农新型人才。

图8 “12345 + N + N + 1”模式助推专业教育与思政教育双向互利

3.3 学生创新创业能力得到提升

创建“凯米斯垂的奇妙小屋”微信公众号，学生进行专创融合的应用平台，设有“菲常化学”“实验安全”“丙哥谈化”和“化家讲坛”4个栏目(图9)，从主题选取、编辑推文以及推送都是以学生为主体进行的，教师只是引导和指导，目前已推送近百篇推文，推文主题涉及化学与生活、化学与农业、化学与社会、化学与经济、化学与环境等，特别是结合学校特色，引入知农爱农的推文，助推知农爱农新型人才培养。

图9 “凯米斯垂的奇妙小屋”微信公众号的栏目举例

经过多年实践，课程组完成“基于化学专业学生创新能力培养的‘多维实践平台’的构建”1项创新创业项目；在《教育》期刊上发表论文“创建公众学习平台 提高大学生创新实践能力”1篇；整理论文“探析构建公众号平台与培养大学生创新实践能力的关系——以‘凯米斯垂的奇妙小屋’公众号为例”荣获校级教研论文三等奖，目前正在投稿；整理的“指尖上的化学”创业企划书荣获2021年校级大学生挑战杯比赛三等奖。

组建的“凯米斯垂”学生团队涵盖化学专业4个年级的学生组成(图10)，近5年来学生主持大创项目国家级3项，省级1项、校级7项；荣获大学生挑战杯、互联网+等比赛国家铜奖1项、省级奖励9项、校级奖励9项；发表论文近20篇，其中本科生发表SCI收录一区1篇，发表微信推文近百篇，面向先锋小学、保定特殊教育中心、春之声幼儿园等举办科学走出去活动6次，反馈非常好。“凯米斯垂”团队荣获2020年校级创新创业优秀团队，被遴选为河北农业大学学生创新创业联盟成员。在学生团队创新能力提高的同时，教师团队的综合素质得到了很大程度的提升，主持省级教研项目1项、参与完成省级教研项目1项、校级教研项目3项，荣获校级教学成果二等奖1项；副主编4部教材、2部参编教材；发表教研论文5篇；荣获校级教研论文比赛一等奖、二等奖、三等奖各2项；荣获2020年校级线上教学大赛、创新教学大赛三等奖各1项。获批“凯米斯垂”“以杆探源”“纳百川”3个校级创新工作室；本课程团队2020年荣获校级优秀创新创业教师团队。

图10 “凯米斯垂”学生团队创新创业数据统计和反馈举例

4 结语

基于化学国家一流本科专业建设和河北农业大学办学特色，在“新农科”背景下，通过知识体系重构和课程内容重建、案例教学分层设计、塑造凝练学习通平台、创建“凯米斯垂的奇妙小屋”、推进课程思政建设和落地创新创业教育等多项举措，构建具有鲜明特色的“12345 + N + N + 1”教学模式。从无机化学课程开展“12345 + N + N + 1”教学改革以来，本科生学习积极性有了显著提高，“新农科”有效地融入了课程教学全过程，课程教学效果得到显著改善，学生的综合能力得到提高，有效地支撑了化学国家一流本科专业建设，系统化、精准化、特质化培养大批知农爱农新型创新人才，为高等农林院校的教育教学改革提供了有力借鉴，具有较强的推广应用价值。