新农科背景下“分析化学实验”课程优化与实践——侧重容量分析实验部分

汪快兵 吕 波

南京农业大学理学院化学系 江苏南京 210095

一、背景与问题

(一)新形势、新要求

分析化学是一门以实验为基础的学科,其理论和规律源自对大量实验事实的总结和提炼,因此,实验性的展示在整个分析化学教学过程中占有重要地位。新农科背景下,对于农业大学的动物医学、农学、食品、植物保护等专业学生而言,分析化学不仅是引导学生正确树立“定量”的概念,同时,也是对学生细致的观察能力、创新思维能力、分析实际问题能力、严谨科研态度的培养。更为重要的是,让学生意识到分析化学可以应用到食品、农业、生物医药、环境等领域,并能切实解决生活与生产过程中产生的实际问题,培养学生解决实际问题的能力。新形势下,通过“分析化学实验”课程的系统学习,并将其深入农业学科核心课程当中,为发展农业科技,培养跨专业背景新型农业人才培养添砖加瓦,踔厉奋发,努力实现“藏粮于地、藏粮于技”的发展战略。

(二)现状与问题

在新农科大背景环境下,几所兄弟农业院校的“分析化学实验”课程改革不得不提。华中农业大学,目前正根据授课对象所属专业的不同,对“分析化学实验”课程尝试分类教学;西北农林科技大学,推动化学基础课程的改革与优化,以更好地实现与生命科学等学科的交叉融合;华南农业大学、山东农业大学等,要求从师资建设、教材建设、课堂教学、教学方法与手段改进等方面,对化学基础课程教学进行全方位的优化与改革,可见,改革已刻不容缓。笔者学校内部也在积极倡导交叉融合,促进化学走进农科专业教学甚至专业科学研究之中,还专门成立前沿交叉研究院,切实解决农业学科中的“卡脖子”化学问题。即便如此,也在实际优化与实践的过程中遇到了一些问题,尤其是传统“分析化学实验”教学中,往往存在教师授课枯燥,学生对实验内容、现象理解不深,操作欠规范,遇到问题无法自查等诸多问题。究其原因,主要在于现有教学模式与学生学习能力之间存在矛盾,更有一部分同学认为容量分析老旧[1],不适合现有科技发展的需要,认为完全可以被仪器分析所取代等。具体表现为以下几个方面:

(1)课时少,均分课程内容不够。容量分析方法,又叫滴定分析方法,作为一种重要的化学分析方法,在“分析化学实验”课程中占比较大,包括酸碱滴定、沉淀滴定、配位滴定和氧化还原四大滴定分析方法,看似内容较多,但主要侧重化学学科的滴定分析,均分到每个学期后,每种类型的滴定课程内容较少,难以融合农学专业核心课程。

(2)与大农学类专业与核心课程交叉融合不够。四大容量分析滴定中,主要侧重于针对化学本科专业的滴定反应与类型,包括酸碱比较滴定与标定、多元弱酸碱的滴定、水的硬度与铝离子含量测定以及高锰酸钾法与重铬酸钾法氧化还原滴定实验,与食品、动医、环境等专业的交叉不足、融合不够充分。

(3)不同专业、不同知识基础的学生缺乏针对性教学。我校“分析化学实验”课程受众专业广、人数多,目前规模可达1800余人。这些学生当中,根据高考情况,又大致可分为三类:①因当地省份政策的原因,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,对化学课程无好感,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。这两类学生因理论课程成绩不理想,从而牵连实验课程,表现为理论学习不自信、动手操作不自信,实际操作能力较差。③第三类是正常选考化学的学生,排除个别特殊情况,相对前两类同学,动手操作以及实验联系理论的情况掌握的更扎实。因此,即便在“一人一组”的小课堂实验教学模式条件下,也很难保证因材施教、分类教学。

(4)对新理论、技术、应用介绍不够。因交叉融合的较少,在课堂上提及的新知识、新技术、新应用未能及时反馈给学生,教材和教法还比较落后。

(5)研究性、探究性和讨论式教学[2]较少。实验课程往往注重的是动手操作能力,忽略了与之联系的理论课程的讲解与拓展。与之对应的“全讨论”“重点讨论”的内容少,学生往往“照葫芦画瓢”式的流程化试验,缺乏创新型的研究与思考。

(6)如何合理使用MOOC、手机存在争议。科技的发展,一方面加速了信息的更迭,拉进了我们与世界的距离。随着信息技术的发展,各种基于“互联网+”的线上教学方式,比如MOOC、SPOC、超星学习通、学堂云、雨课堂等应运而生,改变着传统的教学形式,学生可随时随地通过手机APP学习并掌握课程内容,加深对分析化学理论知识的了解。但同时,手机也催生了“迷恋”现象,尤其是缺乏自我管理的学生,耽误了学习。

(7)中国大学MOOC上,“分析化学实验”课程在线视频内容少,难以覆盖。对“分析化学实验”课程而言,目前只有武汉大学、大连理工大学、东北大学以及湖南大学等几所高校有符合他们教学大纲的一套“分析化学实验”线上课程。容量分析滴定基础内容部分虽有重叠,但仍有大部分内容无法覆盖,且并未过多涉及与“农”交叉的内容。

(8)实验课程成绩评价方式单一。目前多数实验课程按照笔者学校总的政策,实验课程平时成绩占比70%,操作考试占比30%。评价的方式较为单一,过程性评价、创新性评价依然较少。

在“分析化学实验”教学过程中,学生如果不能充分认识实验课程学习的重要性,短期内看,可能只会影响到学生本课程的学习效果;中期来看,可能会影响到学生专业课程乃至核心专业课程的学习;如果长远来看,还会影响到学生升学深造和个人职业生涯的发展。因此,如何更好地开展“分析化学实验”教学,是值得每一位分析化学工作者深思的问题。

二、课程优化的策略与实践

根据兄弟院校“分析化学实验”课程的教学改革情况以及笔者所在学校的培养方案与实际问题,基于“互联网+”技术手段,结合前期问卷调查与探讨,在近些年的教学过程中,从实践角度出发,对目前已存在的“分析化学实验”课程做了部分优化与调整,以“成果导向型”教学理念,经过三年的具体落地,已有近6000余人次实施了新调整的教学方案,教学效果良好,在教学主观与客观评价中受到了农学专业学生的一致好评。具体优化的措施如下:

(1)大学生实验课程的“开学第一课”。“分析化学实验”课程的受众是大一新生,进入实验室后的第一节课至关重要,除了必要的安全教育外,对“分析化学实验”课程的认知教育同样重要。

(2)以新农科为背景,以容量分析为典型,建立与农结合的应用案例。有了第一课的理论支撑,还需要切实让同学们亲身体验。为了更好地适应大农特色“分析化学实验”教程,学院应积极调研兄弟院校的分析化学教学模式,探讨出符合自己学院应化专业需求的教学案例,笔者初步以容量分析方法为着力点,逐步辐射到其他理论章节。案例式教学[3]是近几年广泛被采用的一种新型教学方法,是以学生为教学过程的主体,教师为引导,通过展示分析化学应用的典型案例,激发学生兴趣,带领学生进入某特定案例场景,从而调动其发挥自身主观能动性去分析、思考、解决问题的互动型开放式教学过程。

据此,目前笔者根据近三年所教专业的不同,增设了“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”等容量分析实验。

(3)辅助混合式线上/线下教学,打造优化后实验课程的教学视频,提升教学质量。案例构建的同时,借助“互联网+”技术、MOOC与超星等平台,积极打造线上课程资源,完善分析化学理论与实验课程;为了解决线上资源不足的情况,借助于笔者所在教研组的其他任课教师的帮助,录制了理论与实验操作分离的线上资源。视频内容主要以容量分析为突破口,可以更好地同步分析化学理论与实验课程的教学,“可视化”帮助同学理解容量分析方法的原理,尤其是四大滴定实验过程中的滴定曲线、指示剂工作原理、连续与分步等复杂滴定过程,乃至进一步了解其在实际生产与生活中的运用。

(4)依据专业特性,进行针对性教学。落地三年来,针对不同专业的学生,以植物保护学院为例,除分别增设“农药中氮、磷含量的测定”以及“土壤中Ca、Mg含量的测定”实验外,课堂理论讲解部分,更多地引入分析化学在抗水稻纹枯病、纳米农药的开发和农药残留与讲解方面的相关知识背景,阐述相关的化学与植保的学科交叉前沿知识与热点。类似地,对于资源与环境学院与农学院的学生,除了复制以上的实验,还另外增设“学校池塘污水中COD含量的测定”“铵态氮肥中氮含量的测定”等实验,阐述前沿环境、环保与生态学方面的相关知识。诸如此类,于笔者而言,这些交叉学科的知识叠加与储备在多遍教学反馈的课堂中,势必会深层次地将植保、环境与农业学科有机联系在一起,从而将融合后的知识传达给越来越多的学生。

(5)依据学生知识基础,分层次教学。前面提到各地高考政策的差异,班级知识情况差异显著。据此,开学第一课时会开展问卷调查,摸清学生“底细”,了解初步的基础知识掌握情况。根据化学知识的掌握情况,将学生采取分组实验,具体做法如下:①先依据强、中、弱三种类型大致分成三组,再依次按照强、中、弱的顺序,三人成一小组;②基础较弱的两位同学辅助动手强的同学率先完成一组预定实验;③动手强的同学分别辅助基础弱的两位同学各自完成一组实验;④三人独立各自完成一组实验;⑤以偏差计算误差的方式计算六组数据的精密度和准确度;⑥误差在允许范围内,即过关,如误差不合理,需要每位同学继续独立完成一组,再计算,以此类推。

(6)在教材基础上,课程教学内容进一步优化,增加研究型学习内容。在部分容量分析实验后面增设研究型实验。研究型实验包含两个部分:一是笔者方面,学生亲自动手检验,如盐酸滴定氢氧化钠的实验中,将指示剂从甲基橙换成在滴定突跃范围内的酚酞指示剂,让学生进一步掌握滴定突跃、滴定指示剂的选择依据以及酸碱滴定中的指示剂颜色变化;二是学生自主思考,依据当天的实验,自行设计实验方案并检验,如自来水硬度的测定实验后,学生会自行设计出不同类型的水样来进行实验,有农田水、池塘水、矿泉水等,由此,产生的实验报告也会独立,不会千篇一律,往往学生的积极性非常高。

(7)开设颜色记录的实验比赛。滴定实验过程中,指示剂颜色的变化丰富,尤其是自身带有颜色滴定剂与被滴定剂的氧化还原反应,滴定前后颜色绚丽,学生会情不自禁地掏出手机实时记录。针对这一情况,让实验课程更加生活化、开放化,合理允许的范围内以摄影、摄像的方式记录颜色变化,允许将拍摄成果附在实验报告本上,一方面将其作为自己滴定终点的展示,另一方面作为摄影作品质量的考核,也将其纳入成绩评测中。相较于上一部分,这一部分最受同学们欢迎。

(8)实验课程考核方式的优化。成绩的评价不再是简单的“七三开”分配,而是将前述几个措施都纳入考核评价中,让学生不是为了“学习而学习”。具体操作大致如下:操作考试仍保留,比重为20%;三人独立小组评分,占比10%;小组成员间互评占比10%;笔者平时观察记录操作规范分值占比30%;平时的实验报告占比10%,以及最终的摄影成果占比10%。细化后虽然烦琐,但能更好地体现每个人的参与程度,让学生转变学习态度,体验为自己而学的乐趣。

通过这些举措,旨在将“分析化学实验”课程内容与大农类专业课程知识进行交叉融合,对课程的内容进行“农特色”优化,在培养学生运用化学基础知识解决专业问题能力的同时,让学生充分认识交叉学科的必然性趋势,培养他们自主学习和探究问题的能力。此外,探索多元化的评价方式,让学生不再是“唯成绩论”,有利于挖掘自身的学习潜力,提升自己的学习兴趣。

结语

新农科背景下,为培养新型跨学科农业特色综合型人才,通过心理建设、“互联网+”科技手段、创新课程考核评价方式,进一步优化“分析化学实验”课程;通过讨论式教学、案例式教学、线上/线下混合式教学模式寻求课程交叉融合的同时,提升教学质量,为实现“藏粮于地、藏粮于技”打下坚实的基础。