信息化背景下农科基础化学实验课程改革与实践

张丽丽，徐静，朱树华，万福贤，尚鹏鹏

山东农业大学化学与材料科学学院，山东 泰安 271018

基础化学实验是面向高等农林院校各农林类专业开设的化学基础课之一，具有基础性强、受众面广、综合性强的特点[1,2]，不仅要传授化学基本理论和化学操作技能，还要培养学生的综合能力，为学生后续专业课程的学习奠定基础，助力培养创新型、复合型和应用型的农林人才[3]。为此，许多农林高校不断进行基础化学实验的教学改革，并提供了很好的借鉴思路，比如华中农业大学抓住信息化技术快速发展的机遇，利用互联网技术在课程资源建设和课程考核评价方面进行了改革[1]；西北农林科技大学通过完善实验保障体系、优化教学内容等方式着力强化学生的实践创新能力[4]；东北农业大学整合了6门基础化学实验课程，建立了基础化学系列实验课程“一体化、多层次、开放式”的教学新体系[5]。《安吉共识》的发布标志着我国高等农林教育进入了新时代，培养以强农兴农为己任的卓越农林人才已成为农林教育的共同目标。新农科背景下，如何改革化学基础课，使之更好地服务于新农科人才培养，是化学类基础课程面临的共同课题。

信息技术的快速发展给我国农业产业和农业人才培养带来了全新的机遇和挑战，信息技术与教育教学的深度融合也是教育部持续推动的一项工作。实验课的信息化建设大多通过资源建设、管理系统开发及二维码技术应用等方式，围绕课程资源建设、虚拟仿真实验、实验室管理等方面展开研究。如暨南大学融合了公众号、二维码、多媒体等信息技术，构建了化学实验教学信息化平台[6]；海南大学利用二维码技术和云班课平台，构建了物理化学实验教学管理和教学过程的信息化体系[7]；天津大学建立了课堂演示实验、在线开放实验视频、安全教育视频和虚拟仿真实验等多维度无机化学实验电子资源[8]。目前，基础化学实验课的信息化建设中，有的研究内容单一，有的互动性差、管理难度大，有的缺少客观评价，须通过进一步改革来提高实验教学的管理水平，进而提升实验教学质量。

山东农业大学基础化学实验课程团队于2008年开始实验课的信息化建设，搭建了基础化学实验网络教学系统，但在后续使用中同样发现存在互动性差、评价不全、管理不便等问题。近年来，以成果导向教育理念(简称OBE)为指导，围绕以下几方面问题进行改革：一是如何重构课程体系，使之更好地符合农林人才培养要求；二是如何改革教学模式，通过多样化教学活动来培养学生的高阶能力；三是如何改革评价机制，实现对学生的多元化、全过程考核；四是如何更新教师理念，达成德智双育的学生培养目标。经过持续改进，我校基础化学实验课程取得了一定建设成效。

1 基础化学实验的主要改革措施

1.1 紧扣课程培养目标，优化课程内容体系

作为综合性农林院校，山东农业大学始终坚持“学用结合、学以实为贵，育人为本、学术至上”的办学理念，致力于培养厚基础、强能力、重实践、广适应的高素质人才。基础化学实验是面向我校农学、林学、植保、园艺等专业开设的公共基础课，每学期近3000名大一学生选课，该课程的教学是培养新农科人才的重要环节。本着“厚基础、促创新”的课程定位，基础化学实验课程设定的培养目标是让学生掌握化学实验的基本操作和技能，巩固和加深对基础化学理论的理解；培养学生发现、分析和解决问题的能力，以及统筹安排、团队沟通和协作的能力；培养学生严谨的科学态度和实事求是的科学精神，激发学生的创新精神，为新农科高素质人才的培养提供坚实基础。

为达成课程的培养目标，课程内容必须做出相应改变。自1995年基础化学实验独立设课以来，课程团队不断优化课程内容，打破传统的化学实验体系，融合了四大化学实验内容，将实验项目划分为物质的分离和提纯、化合物的制备和性质、物理常数测定实验、化学分析实验、仪器分析实验和综合设计实验。考虑到农林类学生的专业特点以及后续课程学习，授课内容中确保了重结晶、蒸馏与分馏、滴定操作练习等基础操作类实验，减少了无机物制备和有机合成实验，在此基础上适度增加化学分析和仪器分析实验，同时提高综合设计类实验和学科交叉性实验的比例(图1)。

图1 课程内容体系

设置具体实验项目时，充分考虑到基础操作类实验与后续实验的衔接，注重同类型实验间的区别和各类提纯方法的应用，展现同一仪器的不同测定用途以及不同分析方法的比较，拓展化学实验在学生专业中的应用，体现学科交叉的同时还要培养学生的综合素养。比如：将“氢氧化钠溶液的配制标定”和“食醋中总酸度的测定”搭配，将“盐酸的配制标定”和“工业碱总碱度的测定”搭配；通过“分光光度法测磷”和“分光光度法测铁”实验明确比较法和标准曲线法的设计原理，了解分光光度法在植物生理生化指标、果蔬农残检测、环境监测中的应用；通过“醋酸电离常数的测定”实验明确pH法和电导法测电离常数的原理，比较磺基水杨酸法测铁与邻二氮菲法测铁、重铬酸钾法测铁的区别，比较蒸馏、分馏和水蒸气蒸馏的区别；由自来水总硬度的测定实验拓展蛋壳中钙镁含量的测定，由氯离子选择电极测水中的氯含量拓展莫尔法测食盐中的氯含量以及碘离子选择电极测食盐中的碘含量，由水蒸气蒸馏实验拓展到大蒜油、橘皮精油、玫瑰精油的提取。

针对每个实验项目，根据实验情况不断优化试剂用量和实验步骤，并及时修订教材。例如：根据自来水硬度变化来设定EDTA的称量质量，根据不同品牌食醋实际酸度来确定食醋的移取体积；水蒸气蒸馏实验中通常分离的混合物是异戊醇和水杨酸，但异戊醇气味难闻，因此将混合物改为乙酸丁酯和水杨酸混合物；为节约试剂，不断调整废铝制备明矾实验中氢氧化钠和硫酸的用量，而且将原实验中生成硫酸铝后的过滤步骤提前至生成四羟基合铝酸钠后，可除去与碱不反应的杂质，从而避免这部分杂质溶于酸后对产品造成污染。

1.2 明确课程设计思路，建设线上课程资源

线上课程资源建设是实现教育信息化的重要环节。由于国内绝大多数慕课属于理论课，而实验课有别于理论课，建设思路和设计方案存在很大区别。本着既促进教学又能培养学生能力的原则，该课程的设计思路是教学过程中做到线上有资源、线下有活动、过程有评估(图2)，其中线上课程资源是由传统教学模式向混合式教学模式转变的必备条件。

图2 基础化学实验的课程设计

2017年，课程团队根据教学大纲，精选了“蒸馏与分馏”“茶叶中咖啡因的提取”“分光光度法测铁”等24个典型实验，并从各实验项目中提炼出27个操作知识点，包括称量、过滤、滴定等基本操作及分析天平、酸度计、电导率仪、分光光度计等仪器使用[2]。为便于学生学习，培养学生的探究精神，线上课程只呈现实验内容讲解、相关基本操作和仪器演示的视频，不提供实验步骤的演示以及实验结果的展示，且在编排线上课程时将基本操作和仪器演示视频分列在绪论各章实验中。同时，在线课程提供了相关课程资料、视频弹题、章节讨论和测验等，课程所在的智慧树网络平台还设有管理和督促学生在线学习的版块，以及师生、生生之间互动交流的空间。

1.3 改革传统实验教学，推行混合教学模式

传统实验教学中存在教学形式单一、学生学习被动、实验操作可视化程度不高等问题[1,2]，须利用信息技术改革教学方法，进而提升课程的教学质量。混合式教学是一种利用信息技术的现代化教学模式，将学生线上学习和教师线下讲授有机结合起来，充分体现了教师的主导作用和学生的主体地位，在理论课和实验课教学中均取得较好效果[9–11]。

实验课是以学生线下实验为主的课程，因此该课程在实施混合式教学时设置线上和线下学时比例为1 : 4。团队教师在培训和实践中不断更新教育理念，并熟练掌握智慧树课程平台和雨课堂的应用模块，针对不同实验项目采用以学生为中心的线上线下混合式教学方法(图3)。课前布置预习任务，引导和督促学生完成线上学习和测验。课上以学生实验为主，约占整个课堂的三分之二。学生实验前，教师通过提问进一步了解学生的预习效果，引导学生围绕实验内容展开讨论，分析实验设计，研讨实验注意事项，开展翻转讲授或演示等教学活动。学生实验后，教师可通过翻转课堂让学生演示实验中涉及的基本操作，引导学生对实验结果进行分析、归纳和总结。课后要求学生查阅相关资料，鼓励学生利用软件作图，并引导学生撰写论文式实验报告。不管学生采用传统手写报告还是电子式报告，均需要结合实验项目背景和结果分析讨论得出结论。

图3 基础化学实验的教学模式

混合式教学过程中，教师全程起到引导作用，并做好线上答疑和线下指导。线上课程的各章实验中均设置了视频弹题、章节测验和章节讨论题，学生可在智慧树平台讨论区、雨课堂班级讨论区和QQ群中提问，教师及时跟踪学生的讨论结果，评价学生的答案或给予正确解答。线下实验中，教师根据教学设计引导实验进程，在学生实验过程中做好全程指导。以“重结晶”实验为例，线上学习阶段以学生自学为主，教师利用在线课程平台和雨课堂等教学工具推送预习任务，要求学生明确重结晶的原理和步骤，熟悉乙酰苯胺的重结晶方法，学习热过滤和减压过滤操作等，并完成线上测验，鼓励学生写出思维导图式预习报告(图4)。线下教学以学生为主体，设计提问讲授、操作演示、学生实验、翻转课堂、实验总结、整理检查等六个教学环节。提问讲授环节中，教师围绕重结晶的原理、步骤、溶剂选择进行提问，引导学生分析重结晶法提纯乙酰苯胺的实验设计，讨论溶剂用量和温度对实验结果的影响，并拓展重结晶在有机合成及天然产物纯化中的应用；操作演示环节中，在学生课前观看热过滤和减压过滤演示视频的基础上，强调操作注意事项，带领学生折叠菊花型滤纸；学生实验环节中，教师除指导学生实验外，还要引导学生统筹安排实验，加强合作沟通，帮助学生分析解决实验中出现的问题；翻转课堂环节中，主要让学生演示减压过滤操作，并要求学生讲授减压过滤、常压过滤和热过滤的区别；实验总结环节中，要求每组学生针对实验结果进行分析，总结实验过程中遇到的问题及解决方法，讨论提高重结晶回收率的措施；整理检查环节中，教师需要检查学生的预习报告、仪器整理及卫生情况等。

图4 学生绘制的预习思维导图

1.4 强化成果导向理念，完善过程考核机制

OBE理念以学生的学习成果为目标，因此制订科学有效的评价方式显得尤为重要。该课程以学生的学习成果为导向，采用多维评价方式评定学生成绩，通过线上线下相结合的方式进行全过程考核，实现了主观评价和客观评价的有机结合，真正做到管理严起来。

过程考核分两部分，占总成绩的70%，含线上系统客观评价和线下教师主观评价。线上学习占总成绩的20%，课程平台依据学生学习进度、学习习惯、测验考试、互动讨论等方面给予客观评价。线下实验占总成绩的50%，其中学生预习效果占10%，课堂成绩占20%，实验总结报告占20%。教师须通过学生线上学习情况、课堂提问、预习报告来评定学生的预习效果，依据学生的课堂实验操作、课堂纪律、参与翻转课堂等表现评定学生的课堂成绩，根据学生的实验报告情况给出学生的报告成绩。

期末考核占总成绩的30%，采取线上考试和操作考试的方式。线上考试通过线上翻转课程进行，侧重实验原理、实验步骤、注意事项等部分的理论知识，由系统根据设定的考试题型和题数从题库中随机抽题组卷，做到一人一卷。为确保线上考试的客观性，考试时设置在线监考、限制切屏，并在教师监督下答卷，由线上平台判分。操作考试由课程团队统一组织，设置蒸馏、分馏、酸碱滴定、称量过滤等不同实验考核项目，涉及有机装置安装、滴定管、分析天平、移液管、容量瓶、分液漏斗等基本操作。考试时学生随机匹配实验项目，根据安排分批进行操作考试。为确保教师评判结果准确可靠，团队制订了统一的评分标准，并进行研讨论证。教师每次监考8名学生，对学生的操作进行严格评判。比如，针对蒸馏实验，线上考核知识点主要涉及蒸馏的原理、装置和实验注意事项，线下操作考试则要求学生根据题目选择所需仪器，并完成蒸馏装置的安装。教师评分时除判断所选仪器是否合适外，还需对安装过程和安装效果进行评判，根据十字夹使用、铁夹使用、温度计位置、冷凝水方向等评分点来判分。

1.5 加强教学团队建设，构建三全育人模式

教育的首要目标是“立德树人”，德育是高等学校重中之重的工作。实验教学中，学生班级容量小，教师和学生交流多，更有利于开展思政教育。基础化学实验的思政建设思路是构建“三全”育人模式，实现全员参与的线上线下全程全方位育人。

一是加强教学团队建设，明确课程思政目标。坚持团队集体备课、集体预试、以老带新和教学督导制度，通过思政专题研讨、示范教学等方式引导教师贯彻立德树人根本任务，提高教师思政育人意识和育人能力，形成统一的课程建设思路。根据课程的知识目标和能力目标，确定课程思政目标为：结合实验知识传授提升学生的文化自信和民族自豪感，通过实验技能训练培养学生的环保意识、集体观念、认真细致的作风及勇于探索的科学精神，通过拓展化学与农林专业的交叉应用增强学生的强农兴农责任意识，助力培养具有强农兴农责任、德才兼备的新农科人才。

二是实施全员育人模式，挖掘实验思政元素。采用分工协作的方式调动全体教师参与到实验课程思政建设中，充分挖掘化学实验所包含的科学价值、科学态度、社会责任感、传统文化、爱国情怀等方面的思政元素，并将其写入教学大纲和教案中。针对所有实验项目，分别融入与之匹配的思政内容，例如：在“蒸馏与分馏”实验中，通过介绍《本草纲目》中“烧酒非古法也，自元时始创。其法用浓酒和糟，蒸令汽上，用器承取滴露”的内容，以蒸馏酒的历史引出现代蒸馏技术起源于中国，极大增强了学生的文化自信；在“乙酰苯胺的合成”实验中，苯胺属于3类致癌物质，但经过酰化后可成为止痛剂、退热剂和防腐剂等磺胺类药物的原料，借此教给学生要以全面辩证的眼光看待问题，澄清对化学有毒、有害、高污染的偏见，鼓励学生投身于新型农药、兽药的开发研究；在“废旧易拉罐制备明矾”实验中，由废铝的循环利用联系到资源循环和建设节约型社会，进而提到我国的“双碳”战略。此外，熔沸点测定实验中的内因外因关系、酸碱滴定实验中的量变到质变规律、实验过程中使用药品的安全意识和节约意识、实验废液处置中的环保意识和责任意识、小组合作实验中的协作能力和集体观念等思政内容也都深受学生认可。

三是构建全程育人模式，达成全方位育人效果。充分采取线上线下结合的方式，达到线上思政与线下育人的融合效果。线上思政方面，借助雨课堂、QQ群、智慧树平台等现代化教学工具，推送优秀学生的课堂表现和实验报告，引导学生养成良好的实验素养，倡导积极向上的学习风气；依托在线课程，开辟思政专栏，推送“青青蒿草 拳拳报国——从青蒿中提取青蒿素”“从粗食盐提纯看中国盐业发展史”“小疏忽 大损失——史上最重的小数点”等思政素材。线下育人方面，充分利用实验课堂教学，增强学生的节约环保意识、集体主义观念和强农爱农责任感，激发学生追求科学的志趣。比如，在茶叶中提取咖啡因实验中，课前布置预习任务时要求学生阅读思政专栏中的“青青蒿草 拳拳报国——从青蒿中提取青蒿素”；课上讲解实验时从剖析青蒿素提取入手，增强学生民族自豪感的同时，引导学生分析从茶叶中提取咖啡因的原理和步骤。在指导学生实验过程中，因时因事融入思政教育，提醒学生节约溶剂、做好沟通协调、清洗干净仪器，选择提取效果好的结果让大家参观学习。在实验总结时，拓展油料作物中油脂的提取、槐米中芦丁的提取、植物叶绿素的提取和辣椒红色素的提取等实验，提升学生的专业认同感，激发学生的强农爱农意识；课后选取优秀实验报告，通过雨课堂、QQ群推送到班级中，供大家交流学习。此外，课程采取严格的线上线下考核评价机制，有助于端正学生的学习态度，引导学生注重理论与实践的结合，做到知行合一，从而达到全方位育人效果。

2 基础化学实验的改革成效

基础化学实验在线课程于2017年9月投入使用，最初面向校内农林专业的学生开放。截止2019年12月，在线课程运行5学期，完成2个完整周期的教学，累计选课1.42万次，入选首届全国生态文明信息化教学成果。2019年在线课程经整合优化后入选山东省联盟课程，于2020年春在山东省高等学校在线开放课程平台上线，来自云南民族大学、东北师范大学、新疆农业大学等12所高校的4165名学生选课，课程在疫情期间发挥了突出作用。目前，该联盟课程选课数达1.53万人次，通过学分课和公开课两种模式向全国开放，被山东省教育厅高等教育处和山东高等学校课程联盟评为优秀共享课程。2022年3月，课程在国家高等教育智慧教育平台上线。

线上线下混合式教学模式的推行，切实提高了实验课的教学质量。教师在线上做好学习引导，在线下全力打造“高阶课堂”，授课重点由传统的实验内容讲授转变为带领学生深度剖析实验设计、探究影响实验结果的因素以及实验方法的拓展应用。课堂上问题引领法、探究法、翻转课堂法等教学方法的应用，不仅调动了学生的学习热情，还培养了学生的科研素养，有助于学生综合能力的提升。自2017级学生实行混合式教学以来，四届学生的考试及格率和平均分均显著提升(图5)，其中2019级因疫情未统一组织操作考试，学生线上考试成绩较高。此外，基础化学实验课程为学生的专业学习奠定了良好基础，各专业在校生在全国大学生生命科学竞赛、山东省大学生生物化学实验技能大赛等国家级和省级大赛中屡获佳绩，在学校举办的化学实验大赛、科研论文式实验报告写作大赛中，农林类专业学生亦表现突出。

图5 实施混合式教学前后学生成绩

3 结语

通过课程改革和实践，基础化学实验实现了信息技术与实验教学的六大融合，即线上课程与线下课堂融合、线上思政与线下育人融合、线上学习与线下实验融合、线上理论测试与线下操作考核融合、线上资源与纸质教材融合以及线上答疑与线下指导融合。课程入选首批国家级线上线下混合式一流课程和山东省课程思政示范课程，充分发挥了基础化学实验“厚基础、促创新”的作用，有效地提高了学生的自主学习和实践能力，为创新型、复合型和应用型农林人才培养提供了坚实保障。