新农科背景下农林院校物理化学课程建设的改革与实践

张晨辉，李向东，赵晓东，路慧哲，马琛，杜凤沛

中国农业大学理学院，北京 100193

在服务于中华民族伟大复兴战略全局的大背景下，党和国家对农业人才培养提出了新方向、新要求和新措施，传统农林教育迎来重大变革。2019年，全国农林院校共同谋划开启了“新农科”建设，从安吉共识、到北大仓行动、再到北京指南，“三部曲”层层递进、环环相扣，共同构成了“新农科”建设体系，持续推动高等农林类专业人才全面发展，从此我国农林高等教育改革步入新时代。“新农科”建设的目标之一是加快培养高层次、高水平和国际化的创新型农林人才[1]。因此，培养“新农科”人才须具备坚实牢固的知识结构和勤于探索的创新精神，具有宽阔的学术视野和敏锐的学术思维，能够引领世界农业未来发展。

课程是知识的重要载体，深化课程建设服务于“新农科”人才培养模式是当前的重要任务。与国外顶尖农林院校(如康奈尔大学、瓦赫宁根大学)相比，我国课程体系中知识生产模式大都遵循“认识论”的哲学基础，以知识本身为目的，追寻知识的“学术价值”，追求知识的真理性、学术性；而较少遵循“政治论”为哲学基础，以知识“应用价值”为目的，突出知识的应用性、技术性和多元性[2,3]。为顺应时代要求，笔者所在中国农业大学物理化学教研团队，多年来一直致力于农林院校物理化学课程改革，并取得了较好实践效果。本文将从农林院校物理化学课程现状出发，通过课程建设理论研究得出课程建设思路，并用于理论与实验课程的具体实践。

1 物理化学课程的现状

1.1 课程定位不明确

物理化学是化学学科中的哲学，是研究化学变化和物理变化过程的普遍规律[4]。在农林院校中，物理化学课程是应用化学、制药工程、资源环境、生命科学、食品科学等专业的必修课，不仅有助于学生掌握变化过程的科学规律，构建专业学科学习的理论基础，同时培养学生的科学思维能力。近年来，随着课程体系改革，物理化学课程定位愈发模糊，相较于普通化学、无机与分析化学、有机化学等化学类公共基础课，本课程开课专业、授课时长逐渐缩减。以中国农业大学为例，除化学类专业外，仅生物学院、资源与环境学院、食品科学与营养工程学院开设48课时物理化学理论课和实验课，授课人数在400人左右，占全校本科生10%。由此，物理化学俨然已成为农林院校数理化基础课弱势群体中的弱势群体，面临着巨大挑战。

1.2 课程内容难度高

物理化学课程内容庞杂(如表1所示)，理论性强，逻辑缜密，被公认为是化学学科中最难学的课程之一。其主要原因是，物理化学明显区别于其他化学分支学科，从问题引入到过程分析，再到结论推导，均需较好的数理基础，往往造成学生畏难情绪。同时随着高考不断改革，诸多学生在高中阶段并未选修物理或化学，导致课程难度进一步加剧。在传统课程体系中，化学热力学作为物理化学课程内容中的最大难点往往占据最重要部分，而与农林学科密切相关的胶体与界面化学所占比重较小，甚至在部分院校中作为自学内容。然而，当前农林科学中关键“卡脖子”问题，包括土壤修复、功能食品、纳米农药等均与胶体与界面化学息息相关。因此，近五年来我校在开设的物理化学课程中，弱化化学热力学、化学动力学等传统知识内容比重(从70%降至50%)，强化胶体与界面化学等新兴领域课程内容(从14%升至30%)，以此提升学生学习兴趣。

2 物理化学课程建设研究

2.1 准确把握国家发展战略

2021年，习近平总书记在中央人才工作会议上指出，要大力培养使用战略科学家。其一，具有自我驱动力和战略眼光，能够较好把握世界科技发展趋势和国家战略需求；其二，具有卓越领导才能，善于独立思考，善于组织大规模科技创新活动；其三，具有崇高的道德风尚，具备跨界学习能力。国家教育发展始终服务于人才发展战略，在“新农科”背景下，培养农林类创新人才具有重要意义。中国农业大学作为农林院校的排头兵，始终以强农兴农为立校之本与使命担当，把立德树人成效作为检验教学工作的根本标准，坚持价值引领，突出知行合一，在情怀浸润、培养模式、实践育人等方面不断探索，努力培养更多高素质知农爱农新型人才。因此，以物理化学课程建设为抓手，始终培养适应环境变化的能力，培养终身学习和自主学习的理念，培养勇于实践和脚踏实地的作风，培养团队领导和团队协作的担当，让学生成为具有国际视野和家国情怀，具有独立批判精神的农林科技人才。

2.2 准确把握学生主体作用

学生是课程学习的主体，其通过学习活动养成良好的学习习惯，获得知识与技能，为将来走上社会做准备。因此，教学中应准确把握学生特点，面对他们尚未完全成熟的心理特征，将人文关怀贯穿教育教学全过程，实现全程育人、全方位育人，培养懂农业、爱农村、爱农民，具有强农兴农情怀和使命的农业人才。以人为本，尊重学生切身利益与需求，让学生在课程学习中感受实实在在的获得感和成就感，以高价值和高成功预期共同构成学生课程学习的驱动力，消除畏难情绪，激发学生学习动机，取得学业成功。

2.3 准确把握教师教学作用

物理化学具有较强的逻辑性、系统性、抽象性，对授课教师要求较高。教与学作为一个整体，教师应始终把握教不是目的，更不是任务的理念，让学生学会、会学、会用、爱用。在教学过程中，准确把握物理化学课程的特点，化学热力学、化学动力学作为整个物理化学的经典、核心和基础，在有限课时内，应系统讲解相关概念、公式、应用等，将抽象的内容具体化、通俗化；电化学、计算化学、胶体与界面化学等分支化学均为当今前沿交叉热点研究领域，应及时更新授课内容，将科技发展引入课堂实践。通过教师课程教学，培养学生正确的人生观、世界观和价值观，塑造学生健全人格，在努力和天赋之外，赋予学生思维能力，拓宽学生成长空间(见图1)。

3 物理化学课程建设改革

3.1 课程育人贯穿始终

课程思政是课程教学之魂，在形成良好科学文化素养的同时，培养学生正确的政治方向，高尚的道德情操，端正的家国情怀，宽广的国际视野以及高度的社会责任感。课程思政要避免模式化、套路化，始终把做人做事的基本道理、社会主义核心价值观的要求、实现民族复兴的理想和责任自然而然地融入物理化学的各个教学环节，实现立德树人润物无声[5,6]。在讲授相关理论知识时，通过课堂内容相关的知识举例，或让学生课外进行调查研究，实现教师和学生的良好互动，通过率先垂范和言传身教潜移默化地影响学生，促进专业知识教育和知农爱农为农素养相连通，培养学生引领未来的能力[7]。例如，在讲授卡尔文公式在人工降雨中的应用时，其原理为过饱和的水蒸气在凝结核存在下迅速形成水滴，其与“星星之火，可以燎原”的含义不谋而合。

3.2 “新农科”教材建设

教材作为传播知识的主要载体和人才培养的主要剧本，其质量优劣决定了人才培养的效果。为了在理念、内容和形式上更好地满足新时代人才和国家战略需求，同时融合2020年教育部新农科研究与改革实践项目之“新农科基础化学课程体系与新形态教材建设”成果，笔者所在中国农业大学等13家国内农林院校教师共同修订《简明物理化学》(第3版)，结合《习近平新时代中国特色社会主义思想进课程教材指南》的要求，有机融入思政元素，弘扬国家和民族的基本价值观，体现人类文化知识积累和创新的丰硕成果，把立德树人贯穿教材建设全过程[8]。其中，电化学部分结合能源环境问题和实现“碳中和”目标，在研究拓展中介绍太阳能电池、固态电解质等研究热点；“界面现象”增加了超分子聚集形式、纳米乳液等新的研究成果等。

3.3 提高课程“两性一度”

授课过程中，要始终突出以学生为中心，注重能力培养，结合授课效果，形成持续改进机制。以“金课”为标准，提高课程的高阶性、创新性和挑战度，培养学生解决复杂问题的综合能力。强调理科文讲，针对物理化学课程内容难度高的现状，将逻辑性、科学性与故事性、现实性有机结合，实现“无痛教学”。注重物理化学学科特有的世界观和方法论，明确物质结构、物质组成、化学反应和变化规律的内在联系。准确把握基础知识与交叉前沿的关系，以夯实基础、有限拓展为原则，保证课程内容的完整性。适度科学友好“增负”，让学生用课程中理论知识解析生活中常见现象，比如荷叶形成露珠、晚霞染红天空等，增强学生的成就感和获得感。

3.4 转变教学方式方法

教育不是灌输，而是点燃火焰。除采用新型教学信息化手段，如雨课堂、智慧树、中国大学慕课等线上线下结合的教学方式外，应以激发学生创造力为导向，实现课程从预习到学习再到复习的全方位改革。课程建设的核心是兴趣培养，课程建设的关键是学习能力培养，课程建设的支撑是激发学生的主观能动性。因而，授课教师应由主角向导演转变，通过改革考试方式，用好教学指挥棒，成绩评定方式包含日常表现、汇报讨论、课程论文、期末考试等部分(见表2)，注重理解和思考能力，不提倡死记硬背，加大非标准答案型题目和学生自主命题的题目。

表2 物理化学理论课成绩评定方法(以中国农业大学为例)

4 物理化学课程建设实践

4.1 理论课程建设实践

4.1.1 与现实问题相联系

物理化学知识与实际生活息息相关，在授课时举例现实生活中常见问题背后的物理化学原理，既能调动学生积极性，同时深化课程学习。如鸳鸯锅中红油沸腾快涉及多组分系统热力学、多孔材料吸附环境污染物涉及化学动力学模型、锄地保墒涉及弯曲液面的附加压力、农药雾滴弹跳附着涉及固-液界面相互作用。2022年北京冬奥会的成功举办，其背后诸多黑科技均与物理化学理论知识有关(见图2)[9]。图2A显示滑冰背后的基本原理，与常规利用克拉佩龙方程解释压强增加导致冰层熔点降低不同(相平衡)，通过计算化学可知表面水分子在平移运动中能垒较低而更具有流动性；图2B显示具有特殊涂层的滑雪板，表面微纳结构导致水滴在其表面为超疏水而呈现出低黏附的Cassie-Baxter状态(界面现象)，有利于越野滑行。

图2 滑冰(A)和滑雪(B)中涉及的物理化学基本原理[9]

4.1.2 与前沿科技相联系

物理化学是化学的灵魂，同样是材料科学、纳米技术、环境科学、食品工程的基础。在前沿科技研究热点中，无论是储能材料、超浸润性，还是土壤修复、功能食品、纳米农药等均涉及物理化学相关知识。因此，在课程建设实践中，变考知识为主变考能力为主，鼓励学生针对本专业相关科研问题进行探讨。如下文中的例1设计农药水乳剂制备过程中所涉及的物理化学基本原理，与农林院校应用化学、制药工程等息息相关。同时，在课程考核中要求学生从近五年发表的高水平学术论文中凝练2道与课程内容相关的习题，并附上原始文献、出题思路、题目和标准答案，并给出课程命题评分标准(见表3)，将有机会作为期末考试试题被选用，从而激发学生的学习欲望，不仅提高课内知识的掌握程度，同时提升科研论文阅读水平。例1为结合农药制剂中常见剂型——水乳剂，要求学生利用物理化学中基本原理，阐明水乳剂的制备方法、乳化剂作用原理、主要失稳机理产生原因(见图3)及解决方案。

图3 农药水乳剂中几种主要失稳机理示意图

表3 课程命题/论文评分标准(以中国农业大学为例)

例1：农药水乳剂是指不溶于水的固体原药溶解在有机溶剂中，在乳化剂的作用下以一定分散度的油滴分散在水中形成的多相分散体系，是有发展潜力的环境友好剂型，主要通过乳化法制备。

请回答以下问题：

(1) 乳化方法主要有哪些？乳状液主要有哪些种类？

(2) 目前农药水乳剂的制备一般采用十二烷基苯磺酸钙和聚醚类非离子型表面活性剂作为乳化剂复配使用，请根据乳化剂的作用原理说明使用复配乳化剂的优势？

(3) 目前在长期储存过程中农药水乳剂依然存在奥氏熟化、聚结、分层析水等物理稳定性问题，请提出一些进一步改进物理稳定性的措施。

4.1.3 与国家发展相联系

始终关注国家农林领域科研发展方向，培养学生善于解决国家发展关心的热点、难点、重点问题。以国家重点研发计划为例，“变革性技术关键科学问题”重点专项2021年度项目申报指南中，关于“超铺展液滴调控技术用于高效农药利用的基础研究”课题，其核心与农药高效利用息息相关。借此机会，笔者所在教学团队要求学生遵从申报指南，按照国家自然科学基金申请书模式，包括立项依据、研究内容、研究目标、拟解决的关键科学问题、研究方案、可行性分析等维度对所选项目进行汇报，并依据表4中评分标准组织教师现场评审。两组团队分别以“基于有机硅与阳离子表面活性剂新型复配超铺展体系的应用研究”和“基于修饰聚乙二醇聚合物同时实现农药黏附与润湿”为题进行展示，取得了良好效果。这不仅培养了学生家国情怀，同时锻炼了团队合作及解决实际问题的能力。

表4 汇报讨论评分标准(以中国农业大学为例)

4.2 实验课程建设实践

物理化学实验对于夯实物理化学理论基础知识、培养学生的化学实验技能具有重要意义。通过实验教学，培养学生科学思维能力，在验证和发现实验现象中总结归纳物质变化规律和内在机制；培养学生信息加工能力，在对比实验数据和理论数据中正确地评价数据信息并做出新的预测；培养学生的科学素养能力，在尊重科学和实践基础上培养学术灵敏性、精确性和科学性。因而，在我校实验课程建设改革中，将“动手能力”的培养变为“研究能力”的培养，强调“手脑并用、手脑并重、手脑协调”；同时，采用线上线下混合式教学，课前通过线上资源针对实验原理、实验步骤进行预习，课上授课教师强调实验操作关键点和难点，课后提交研究论文式实验报告，其中中英双语实验占比50%；并针对长课时课程实验，采取分工合作式教学，让学生对比分析实验中存在的问题并进行结果讨论。

在实验课程实践基础上，本校学生在各级化学实验竞赛中不断创造佳绩。如图4所示，参赛作品“相转变组分法制备10%咪鲜胺纳米乳液”(第11届北京市大学生化学实验竞赛一等奖)，其实验内容不仅涉及胶体与界面化学的知识，也涉及多组分系统热力学中相图的绘制，现已转化为本科生课程实验。可喜的是，在2021年举办的第13届北京市大学生化学实验竞赛中，我校参赛的4支物理化学实验队伍全部获奖，其中特等奖1项、一等奖3项，极大鼓舞了师生，也是对我校物理化学实验课程建设改革的肯定。同时，学生在实验课程中科研能力的培养，也进一步促进了自身科研水平的提升，2022届我校化学类专业本科毕业生，在物理化学教研团队的指导下，以第一作者身份在Colloid Surf.B-Biointerfaces和《高等学校化学学报》等学术刊物上发表论文，实现教学相长、教研相长的良性循环[10,11]。

图4 相转变组分法制备10%咪鲜胺纳米乳液的实验操作(A)、相图(B)及乳液稳定性(C)

5 结语

没有农业农村现代化，就没有整个国家现代化，新时代、新使命要求高等农林教育必须创新发展，这既是国家赋予高等学校的重要责任，也是高等学校服务于国家和社会的立校之本。新农科的建设，给予了农林院校物理化学课程内涵式发展的契机，坚持学生主体地位，转变教师教学方式，始终围绕现实问题、前沿科技、国家战略，主动识变、应变、求变，激发学生的学习兴趣，培养适应力、学习力、思辨力、践行力、创新力、领导力俱佳的卓越农林人才，肩负起知农爱农、强农兴农的使命和担当。