新农科背景下竞赛成果深度融入化学实验教学的探索与实践

聂海瑜，张晨辉，高玉霞，杜凤沛

中国农业大学理学院，北京 100193

2019年教育部发布了《安吉共识——中国新农科建设宣言》，中国“新农科”建设的序幕拉开，中国高等农林教育发展开始进入新时代[1,2]。农林院校面向新农科背景下的“脱贫攻坚、乡村振兴、生态文明”等战略需求，主动培养能够适应和引领未来农林发展需要的新型人才。人才培养模式开始由单一学科的人才培养模式向多学科交叉的复合型人才培养模式转型。复合型人才需要具有多学科知识的相互转化和应用的能力。

目前化学实验教学中存在一些问题：(1) 教学内容陈旧，与科研前沿脱节，难以激发学生兴趣和引领学生与时俱进；(2) 教学内容与农业特色结合不紧密，没有形成化学与农学等其他学科的交叉融合；(3) 缺乏思政元素，缺乏树立学生爱农情怀的引领，没有达到课程思政与专业教育协同育人的效果[3,4]。以上问题严重阻碍了复合型人才的培养。

创新类实验竞赛是大学生创新实践的重要组成部分[5]，是学生将理论知识应用于科研并紧随科研前沿的活动，也是锻炼学生创新能力和综合实践能力的有效途径。创新类实验竞赛产生了很多与科研成果紧密相连的优秀作品。

本研究针对化学实验教学中的以上问题，将竞赛成果深度融入实验课程，反哺实验教学，并挖掘思政元素，在实验内容设计和教学模式方面进行探索与实践，树立学生爱农情怀，培养有良好科学素养的化学复合型人才。

1 竞赛成果深度融入化学实验教学的探索

北京市大学生化学实验竞赛是化学学科每年举办的一个重要的省部级竞赛[6]，竞赛分为实验技能竞赛和创新实验设计竞赛两种形式，隔年交替进行。在校化学专业本科生均可参加该创新实验设计竞赛，年级不限，自由组队，学生参与热情高。学生自愿选择教师作为指导教师，在教师的指导下，选择科研课题，经过4–5个月，设计具有基础性、科学性、前沿性、创新性、环保性的实验项目，经过反复实验和验证，完成实验项目，最终以提交实验指导书、实验论文和实验视频的方式参赛。参赛项目经过学校评选后进入北京市大学生化学实验竞赛。我校连续十年参加该竞赛并获奖，产生了很多优秀的获奖作品。

竞赛成果都与科研前沿和热点问题紧密相连，将成果与实验教学有效结合，不仅使教学与时俱进，也可以激发学生的好奇心和兴趣，提高对课程的积极性[7,8]。而且在竞赛结束后将竞赛成果继续延续到课程中，这也将极大增强参赛学生的专业认同感和自豪感。未参加竞赛的学生也能从课程中学有所思、学有所用、学有所得，参加竞赛的热情会得到激发，从而更多学生愿意去参加更多的竞赛挑战自己和锻炼自己，竞赛得到更多的成果产出，学生通过竞赛又进一步提升了自己的创新能力和科学素养，从而能形成“竞赛成果馈赠教学-教学激励竞赛”的良性循环链条。

表面及胶体化学实验是中国农业大学化学专业三年级本科生的一门重要的专业必修实验课程，共48学时，可以巩固学生的表面及胶体化学理论知识，提高学生利用化学知识分析和解决农林、环境等学科相关问题的实验能力，对培养学生的创新能力和科学素养、严谨的科学态度具有重要的作用。课程实验项目主要为胶体化学中传统的验证型实验项目，落伍于当今时代，无法达到新农科要求的人才培养的要求。

本文以表面及胶体化学实验课程为例，坚持理农结合的理念，探讨并实践将竞赛成果深度融入实验教学的改革，紧密结合农业特色，挖掘思政元素，在实验内容和教学模式上进行改革和实践，推进农科与理科的交叉渗透，促进复合型人才的培养。

2 竞赛成果深度融入化学实验教学的实践

2.1 竞赛成果融入实验内容

2.1.1 实验内容充分融合竞赛成果

从2014年第四届北京市大学生化学实验竞赛开始，本校连续多届在以创新实验形式为主题的北京市大学生化学实验竞赛中获得特等奖、一等奖和二等奖。获奖作品均为学生每年在科研实验室自行设计新课题并进行4–5个月研究所得到的科研成果。

从本校在北京市大学生化学实验竞赛多个获奖作品中挑选部分具有农业特色的作品以及关注纳米材料、绿色材料离子液体等科研热点、紧密联系时代的作品，根据课程要求，陆续将其有效转化为新的研究探讨型实验项目(表1)，逐渐融入到表面及胶体化学实验内容中，这不仅能激发学生积极性，开拓学生视野，而且在培养学生具有农业和化学知识的同时紧随时代的科研前沿，使学生能力培养适应新农科背景下的复合型人才需求。

表1 竞赛获奖作品转化为课程实验项目的实例

例如“相转变组分法制备10%咪鲜胺纳米乳液”这个作品中涉及到的纳米乳液在药物制剂与高效传递、石油开采、化妆品、食品乳品营养与加工、农药等领域有着广泛应用，将这个作品转化为具有农业特色的“纳米乳液的制备表征及粒径调控”实验，使学生掌握纳米乳液的制备方法并研究制备因素对性质的影响，在纳米物质和农学领域进行结合，培养学生跨学科思维。

表面及胶体化学实验为48学时。在保持总学时不变的情况下，融合竞赛成果，更替陈旧内容，减少每个实验项目时长，将项目数量由原有4个逐渐增加到6个。原有实验项目中75%为验证型实验，25%为研究型实验。大部分实验内容落后于时代发展，学生学习积极性不高。为了使实验内容与时俱进，增加由竞赛成果转化的新实验项目，并替换50%验证型实验(表2)，改革后课程70%实验项目均为竞赛成果转化的新实验项目，达到实验内容与科研成果紧密结合，与时代发展相适应的目的。

科研和时代热点总是在不停变化，但经典的实验方法并不随时间而陈旧过时。培养学生具有应用经典的实验方法来研究新科研热点的能力，这也是培养新时代学生创新能力的重要部分。因此课程除了引进竞赛成果之外，保留了具有农业特色的研究型实验和经典实验，在其基础上进行改进，结合科研热点，增加研究性和探讨型实验内容(表2)，使全部实验项目都改革成为研究探讨型项目，加强学生研究能力的培养。

表2 课程实验项目的改革

例如“固体颗粒的沉降分析”是传统的经典实验，通过测定碳酸钙粉末在溶液中的沉降行为来得到其粒径分布，在原有内容基础上融入纳米材料新内容，采用经典的沉降分析法测定不同尺寸的纳米二氧化硅颗粒在溶液中的沉降行为，研究纳米二氧化硅和非纳米材料碳酸钙微粒的不同粒径分布，并探讨结构、尺寸等对颗粒沉降行为的影响，将实验改进成为“沉降分析法研究固体颗粒在溶液中的沉降行为”研究探讨型实验，不仅加深学生对纳米材料的了解，而且使学生掌握经典方法来研究新材料性质，培养学生的知识迁移和创新能力。

2.1.2 有机融入思政元素

针对课程育人环节不足的问题，秉持习近平总书记提出的“所有课堂都有育人功能”的教育新理念，深入挖掘实验中的德育元素和内涵，将思政教育中的“树立爱农情怀、建立绿色化学理念、加强环保意识、激发创造美好生活的责任感”等价值观以润物细无声的方式融入专业教育中，推动“思专教育”协同育人效果。具体内容见表3。

表3 实验内容中的思政元素融合点

例如，在具有农业特色的“杀菌剂硫悬浮剂的制备表征及性质研究”实验中，使学生认识到：杀菌剂硫悬浮剂具有对各种蔬菜、水果、粮食作物等杀菌、杀虫、补充营养的重要作用，从而能提高作物产量，同时不污染作物；硫悬浮剂是市场上水基化农药制剂中发展最快、加工工艺最为成熟、可加工农药活性成分最多的制剂种类。学生不仅能掌握该制剂制备的成熟工艺，而且紧跟农药制剂市场动态，了解农药制剂的发展及其对农业领域的重要影响，在知农的基础上树立爱农情怀。

在实验内容中引导学生关注时代热点，激发学生勇于承担责任、为创造未来美好生活而奋斗的意识。近些年我国科技发展取得明显进步，科技进步最终是为了服务于人民的生活，使人民的生活日益美好。高新技术的发展都是以新材料为基础和先导的。目前我国新材料发展和国外还有差距，存在不少“卡脖子”问题有待解决。纳米材料是近二十年来颇受关注的热点材料，已应用在电子、医药等诸多行业。在“银纳米颗粒的制备及性质研究”和“沉降分析法研究固体颗粒的沉降行为”实验中，引入两种重要纳米材料——纳米银和纳米二氧化硅，讲述纳米银和纳米二氧化硅发展史及其在日用化工、军事、医药等领域中的具体应用和难题，使学生感受到国家科技发展、人们的生活与新材料的发展息息相关，了解到材料的应用发展还有很多限制有待突破，激发学生关注时代热点的意识和创造美好生活的责任感。

习总书记提出“金山银山不如绿水青山”的观点，这就要求人们养成保护环境的意识。对于化学发展而言，安全的绿色化学成为必然趋势，才能保证环境可持续性发展。例如在“两种咪唑类离子液体的表面活性及胶束化性质研究”实验中，给学生介绍绿色新型物质离子液体的用途：离子液体可替代传统有害溶剂，作为萃取溶剂用于提纯分离或是作为反应溶剂已经应用于很多类型反应中，不仅不会污染环境，而且降低成本，实现经济和环保双效益。通过引导学生关注了解绿色材料，建立学生发展绿色化学的理念，树立环保意识。

2.1.3 丰富研究探讨型实验内容

2.1.3.1 设置不同反应条件

传统的实验课程中，所有学生所做的同一个实验内容都是相同的。由于实验学时所限，很多实验只能完成一个或者两个反应条件下的实验内容，从而影响了学生对整个实验的理解和探讨的深入程度。

在每个实验项目里设置不同反应条件，细化条件参数，引导学生分组分别完成不同反应条件下的实验。每个学生根据所有组得到的数据来分析和讨论不同反应条件对实验的影响，从而完成实验报告的撰写。在有限的学时内学生分组完成不同条件下的同一实验，有效深化了学生对实验的研究和探讨，培养学生的科研思维，提升学生科研素养。

例如“杀菌剂硫悬浮剂的制备表征及性质研究”实验中，由于杀菌剂硫悬浮剂的制备时间较长，以前的实验中所有学生制备硫悬浮剂的配方都是一样的。配方中分散剂对硫悬浮剂的制备影响较大。现在，学生分组采用三种不同的分散剂以及不同的研磨时间来制备硫悬浮剂，根据三组的实验结果研究不同的分散剂、研磨时间等因素对硫悬浮剂的稳定性、分散性、润湿性、粒径等性质的影响规律和原因，有效加强学生对杀菌剂硫悬浮剂制备的理解。

例如“银纳米颗粒的制备及粒径调控”实验中，pH对银纳米颗粒的合成影响较大。因此在实验中设置三个反应条件pH 6.10、8.30、11.10，分别对产物进行粒径、紫外光谱等表征。学生分组进行三个不同pH条件下的反应，根据所有实验结果详细讨论银纳米颗粒性质如何受pH的影响和原因，加强了学生对科研热点纳米材料合成知识的掌握。

例如“纳米乳液的制备表征及粒径调控”实验中，纳米乳液是热力学不稳定体系，反应温度、水相的滴加速率、外加电解质等对制备的纳米乳液性质有较大的影响。在实验中细化实验条件，分别设置两个反应温度：50 °C和70 °C，水相的两个滴加速率：1滴/秒和1滴/2秒，两个外加电解质：NaCl、Na2SO4。学生根据合成和表征结果，研究各个因素对纳米乳液制备的影响规律，并探讨其机理。

2.1.3.2 设计基础和拓展实验

传统实验中步骤都很详细，每个学生跟着步骤做同样的实验，学生的发挥空间受限。而且不同学生的实验能力也不同，这也限制了学生的个性化学习。

本研究在所有的实验项目中都设计了必做的基础实验和可供选做的拓展实验部分。拓展实验部分是在基础实验上的进一步深化研究。在学时内，如果学生完成基础实验部分后还有时间剩余，可以选择拓展实验部分，加深对实验的理解，充分实现学生个性化学习。

例如“银纳米颗粒的制备及粒径调控”实验中，基础实验部分中学生完成不同pH条件下的合成以及表征。拓展实验部分设计了纳米银的抗菌实验，研究其抗菌性能，学有余力的学生可以选择继续做进一步的研究。

“纳米乳液的制备表征及粒径调控”的基础实验研究了不同温度、水相的滴加速率、外加电解质对制备纳米乳液的影响，拓展实验进一步探讨搅拌速率对制备纳米乳液的影响，继续深化学生对实验的理解。

2.2 教学模式改革

2.2.1 树立学生团队合作意识

新农科背景下很多难点问题的解决都需要团队分工合作才能完成。适应新农科需求的人才需要具有良好的分工合作精神。

将竞赛成果转化为研究和探讨型实验项目的实践中，对所有的实验项目都设计了多个反应条件，由于学时有限，需要学生分工合作，才能在同一时间完成整个实验。针对95后和00后学生具有鲜明的个性特点、独立性较强、合作精神相对差的特点，引导学生实验前进行分组预习实验，实验中小组内部之间、组与组之间一起分析问题和解决问题，分工配合完成一个完整的实验，实验结束后，小组共同探讨所有的实验结果，完成实验报告。整个实验过程树立学生团队合作意识，加强学生团队精神。

2.2.2 线上线下协同教学

在“互联网+”背景下，依托网络教学平台，将翻转课堂等教学模式引入到课程实验教学中，构建了合作学习、生生互动、师生互动的交互式、混合式教学模式，改变了传统“教师讲授、示范，学生跟做”授课形式，将教师讲授、示范的内容转移至课堂外和线上，加强课堂讨论环节，实现线上线下教学内容充分结合，激发学生为自己学习和对自己负责的意识，充分促进学生个性化学习，提高了学生自主学习能力。

课前，学生在线上网络教学平台通过文字和立体化资源完成预习，撰写预习报告。学生进入实验课后，教师不再讲解实验的整个过程，采取翻转课堂和启发式教学，激发学生对课程讨论的参与度，按组随机抽取学生来讲解实验内容，对于学生的疑问先由课堂学生小组之间讨论，教师再答疑；此外，教师对实验内容进行启发式提问，将内容进行相关拓展，加深学生对知识的关联和掌握。比如“两种咪唑类离子液体的表面活性及胶束化性质研究”实验中采用电导率方法来测定表面活性剂的临界胶束浓度，对学生进行启发式提问：“除了电导率方法外，还有什么方法可以测定表面活性剂的临界胶束浓度？”促使学生将以前所学的知识进行关联，促进科研思维的培养。

实验课后，学生完成报告，老师除了线下答疑外，增加微信群、邮件等线上方式进行答疑。整个实验过程改变传统的学生被动学习的方式，转变为以学生为主体、充分促进学生的思考和自主学习。

3 实践成果

3.1 建立了实验教学内容更新的长效机制

科研成果是宝贵的教学资源，具有前沿性，能有效激发学生兴趣和培养学生创新精神。以建立在科研成果上的学科竞赛为牵引，有效融合具有农业特色的科研成果于实验教学中，使实验教学内容与时俱进，建立了实验教学内容更新的长效机制。

3.2 形成“竞赛成果馈赠教学-教学激励竞赛”的良性链条

竞赛成果反哺实验教学后，不仅学生实验能力得到提高，而且更多学生积极主动参加到校级、省部级和全国学科竞赛中，通过竞赛从而得到更多成果，更多的成果继续融合到实验教学中，形成“竞赛成果馈赠教学-教学激励竞赛”的良性循环链条。

3.3 思政与专业教育协同育人

思政元素在实验教学中的有机融合，在学生知农的基础上树立学生爱农情怀，学生的团队合作精神明显增强，加强了学生的绿色环保意识，激发学生创造美好生活的责任感，达到“思专教育”的协同育人效果。

3.4 培养学生良好的科学素养

学生的创新能力和科学素养得到提升。本科生在近五年的学科竞赛中连续获得佳绩。

全国大学生化学实验邀请赛中，物理化学实验方向的参赛学生连续三届取得优异成绩：2016年获得全国二等奖，2018年获得全国一等奖，2021年获得全国二等奖。

2019年和2021年创新类北京市大学生化学实验竞赛中，物理化学方向参赛的所有学生队伍均获奖，获奖率为100%，而且2021年参赛4支队伍荣获1个特等奖和3个一等奖，获得物理化学方向参赛以来的最佳成绩。

4 结语

新农科背景下，农业院校化学实验课程承担的重要使命是引导学生树立爱农情怀，培养农业院校具有农业知识的化学复合型人才。坚持科教融合、理农结合的理念，在表面及胶体化学实验中探索并实践将竞赛成果深度融入教学的改革，提升思政育人意识，结合农业特色，紧随科研前沿，夯实了学生扎实的知识基础，培养学生团队合作精神，激发学生创造美好生活的意识，提升了学生的创新能力和科学素养，对与新农科人才培养相符的农林院校的实验教学改革进行了有益的尝试。