新農(nóng)科背景下“分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)”課程優(yōu)化與實(shí)踐
——側(cè)重容量分析實(shí)驗(yàn)部分

汪快兵 呂 波

南京農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院化學(xué)系 江蘇南京 210095

一、背景與問題

(一)新形勢、新要求

分析化學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科,其理論和規(guī)律源自對大量實(shí)驗(yàn)事實(shí)的總結(jié)和提煉,因此,實(shí)驗(yàn)性的展示在整個分析化學(xué)教學(xué)過程中占有重要地位。新農(nóng)科背景下,對于農(nóng)業(yè)大學(xué)的動物醫(yī)學(xué)、農(nóng)學(xué)、食品、植物保護(hù)等專業(yè)學(xué)生而言,分析化學(xué)不僅是引導(dǎo)學(xué)生正確樹立“定量”的概念,同時,也是對學(xué)生細(xì)致的觀察能力、創(chuàng)新思維能力、分析實(shí)際問題能力、嚴(yán)謹(jǐn)科研態(tài)度的培養(yǎng)。更為重要的是,讓學(xué)生意識到分析化學(xué)可以應(yīng)用到食品、農(nóng)業(yè)、生物醫(yī)藥、環(huán)境等領(lǐng)域,并能切實(shí)解決生活與生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的實(shí)際問題,培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。新形勢下,通過“分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)”課程的系統(tǒng)學(xué)習(xí),并將其深入農(nóng)業(yè)學(xué)科核心課程當(dāng)中,為發(fā)展農(nóng)業(yè)科技,培養(yǎng)跨專業(yè)背景新型農(nóng)業(yè)人才培養(yǎng)添磚加瓦,踔厲奮發(fā),努力實(shí)現(xiàn)“藏糧于地、藏糧于技”的發(fā)展戰(zhàn)略。

(二)現(xiàn)狀與問題

在新農(nóng)科大背景環(huán)境下,幾所兄弟農(nóng)業(yè)院校的“分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)”課程改革不得不提。華中農(nóng)業(yè)大學(xué),目前正根據(jù)授課對象所屬專業(yè)的不同,對“分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)”課程嘗試分類教學(xué);西北農(nóng)林科技大學(xué),推動化學(xué)基礎(chǔ)課程的改革與優(yōu)化,以更好地實(shí)現(xiàn)與生命科學(xué)等學(xué)科的交叉融合;華南農(nóng)業(yè)大學(xué)、山東農(nóng)業(yè)大學(xué)等,要求從師資建設(shè)、教材建設(shè)、課堂教學(xué)、教學(xué)方法與手段改進(jìn)等方面,對化學(xué)基礎(chǔ)課程教學(xué)進(jìn)行全方位的優(yōu)化與改革,可見,改革已刻不容緩。筆者學(xué)校內(nèi)部也在積極倡導(dǎo)交叉融合,促進(jìn)化學(xué)走進(jìn)農(nóng)科專業(yè)教學(xué)甚至專業(yè)科學(xué)研究之中,還專門成立前沿交叉研究院,切實(shí)解決農(nóng)業(yè)學(xué)科中的“卡脖子”化學(xué)問題。即便如此,也在實(shí)際優(yōu)化與實(shí)踐的過程中遇到了一些問題,尤其是傳統(tǒng)“分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)”教學(xué)中,往往存在教師授課枯燥,學(xué)生對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、現(xiàn)象理解不深,操作欠規(guī)范,遇到問題無法自查等諸多問題。究其原因,主要在于現(xiàn)有教學(xué)模式與學(xué)生學(xué)習(xí)能力之間存在矛盾,更有一部分同學(xué)認(rèn)為容量分析老舊[1],不適合現(xiàn)有科技發(fā)展的需要,認(rèn)為完全可以被儀器分析所取代等。具體表現(xiàn)為以下幾個方面:

(1)課時少,均分課程內(nèi)容不夠。容量分析方法,又叫滴定分析方法,作為一種重要的化學(xué)分析方法,在“分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)”課程中占比較大,包括酸堿滴定、沉淀滴定、配位滴定和氧化還原四大滴定分析方法,看似內(nèi)容較多,但主要側(cè)重化學(xué)學(xué)科的滴定分析,均分到每個學(xué)期后,每種類型的滴定課程內(nèi)容較少,難以融合農(nóng)學(xué)專業(yè)核心課程。

(2)與大農(nóng)學(xué)類專業(yè)與核心課程交叉融合不夠。四大容量分析滴定中,主要側(cè)重于針對化學(xué)本科專業(yè)的滴定反應(yīng)與類型,包括酸堿比較滴定與標(biāo)定、多元弱酸堿的滴定、水的硬度與鋁離子含量測定以及高錳酸鉀法與重鉻酸鉀法氧化還原滴定實(shí)驗(yàn),與食品、動醫(yī)、環(huán)境等專業(yè)的交叉不足、融合不夠充分。

(3)不同專業(yè)、不同知識基礎(chǔ)的學(xué)生缺乏針對性教學(xué)。我?！胺治龌瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)”課程受眾專業(yè)廣、人數(shù)多,目前規(guī)?？蛇_(dá)1800余人。這些學(xué)生當(dāng)中,根據(jù)高考情況,又大致可分為三類:①因當(dāng)?shù)厥》菡叩脑?未選擇報考化學(xué)。這類學(xué)生化學(xué)基礎(chǔ)知識薄弱、理論知識匱乏,對化學(xué)課程無好感,甚至有心理抵觸情緒。②部分少數(shù)民族學(xué)生,高中時期化學(xué)基礎(chǔ)差。這兩類學(xué)生因理論課程成績不理想,從而牽連實(shí)驗(yàn)課程,表現(xiàn)為理論學(xué)習(xí)不自信、動手操作不自信,實(shí)際操作能力較差。③第三類是正常選考化學(xué)的學(xué)生,排除個別特殊情況,相對前兩類同學(xué),動手操作以及實(shí)驗(yàn)聯(lián)系理論的情況掌握的更扎實(shí)。因此,即便在“一人一組”的小課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式條件下,也很難保證因材施教、分類教學(xué)。

(4)對新理論、技術(shù)、應(yīng)用介紹不夠。因交叉融合的較少,在課堂上提及的新知識、新技術(shù)、新應(yīng)用未能及時反饋給學(xué)生,教材和教法還比較落后。

(5)研究性、探究性和討論式教學(xué)[2]較少。實(shí)驗(yàn)課程往往注重的是動手操作能力,忽略了與之聯(lián)系的理論課程的講解與拓展。與之對應(yīng)的“全討論”“重點(diǎn)討論”的內(nèi)容少,學(xué)生往往“照葫蘆畫瓢”式的流程化試驗(yàn),缺乏創(chuàng)新型的研究與思考。

(6)如何合理使用MOOC、手機(jī)存在爭議?？萍嫉陌l(fā)展,一方面加速了信息的更迭,拉進(jìn)了我們與世界的距離。隨著信息技術(shù)的發(fā)展,各種基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的線上教學(xué)方式,比如MOOC、SPOC、超星學(xué)習(xí)通、學(xué)堂云、雨課堂等應(yīng)運(yùn)而生,改變著傳統(tǒng)的教學(xué)形式,學(xué)生可隨時隨地通過手機(jī)APP學(xué)習(xí)并掌握課程內(nèi)容,加深對分析化學(xué)理論知識的了解。但同時,手機(jī)也催生了“迷戀”現(xiàn)象,尤其是缺乏自我管理的學(xué)生,耽誤了學(xué)習(xí)。

(7)中國大學(xué)MOOC上,“分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)”課程在線視頻內(nèi)容少,難以覆蓋。對“分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)”課程而言,目前只有武漢大學(xué)、大連理工大學(xué)、東北大學(xué)以及湖南大學(xué)等幾所高校有符合他們教學(xué)大綱的一套“分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)”線上課程。容量分析滴定基礎(chǔ)內(nèi)容部分雖有重疊,但仍有大部分內(nèi)容無法覆蓋,且并未過多涉及與“農(nóng)”交叉的內(nèi)容。

(8)實(shí)驗(yàn)課程成績評價方式單一。目前多數(shù)實(shí)驗(yàn)課程按照筆者學(xué)?？偟恼?實(shí)驗(yàn)課程平時成績占比70%,操作考試占比30%。評價的方式較為單一,過程性評價、創(chuàng)新性評價依然較少。

在“分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)”教學(xué)過程中,學(xué)生如果不能充分認(rèn)識實(shí)驗(yàn)課程學(xué)習(xí)的重要性,短期內(nèi)看,可能只會影響到學(xué)生本課程的學(xué)習(xí)效果;中期來看,可能會影響到學(xué)生專業(yè)課程乃至核心專業(yè)課程的學(xué)習(xí);如果長遠(yuǎn)來看,還會影響到學(xué)生升學(xué)深造和個人職業(yè)生涯的發(fā)展。因此,如何更好地開展“分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)”教學(xué),是值得每一位分析化學(xué)工作者深思的問題。

二、課程優(yōu)化的策略與實(shí)踐

根據(jù)兄弟院校“分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)”課程的教學(xué)改革情況以及筆者所在學(xué)校的培養(yǎng)方案與實(shí)際問題,基于“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)手段,結(jié)合前期問卷調(diào)查與探討,在近些年的教學(xué)過程中,從實(shí)踐角度出發(fā),對目前已存在的“分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)”課程做了部分優(yōu)化與調(diào)整,以“成果導(dǎo)向型”教學(xué)理念,經(jīng)過三年的具體落地,已有近6000余人次實(shí)施了新調(diào)整的教學(xué)方案,教學(xué)效果良好,在教學(xué)主觀與客觀評價中受到了農(nóng)學(xué)專業(yè)學(xué)生的一致好評。具體優(yōu)化的措施如下:

(1)大學(xué)生實(shí)驗(yàn)課程的“開學(xué)第一課”?！胺治龌瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)”課程的受眾是大一新生,進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室后的第一節(jié)課至關(guān)重要,除了必要的安全教育外,對“分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)”課程的認(rèn)知教育同樣重要。

(2)以新農(nóng)科為背景,以容量分析為典型,建立與農(nóng)結(jié)合的應(yīng)用案例。有了第一課的理論支撐,還需要切實(shí)讓同學(xué)們親身體驗(yàn)。為了更好地適應(yīng)大農(nóng)特色“分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)”教程,學(xué)院應(yīng)積極調(diào)研兄弟院校的分析化學(xué)教學(xué)模式,探討出符合自己學(xué)院應(yīng)化專業(yè)需求的教學(xué)案例,筆者初步以容量分析方法為著力點(diǎn),逐步輻射到其他理論章節(jié)。案例式教學(xué)[3]是近幾年廣泛被采用的一種新型教學(xué)方法,是以學(xué)生為教學(xué)過程的主體,教師為引導(dǎo),通過展示分析化學(xué)應(yīng)用的典型案例,激發(fā)學(xué)生興趣,帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)入某特定案例場景,從而調(diào)動其發(fā)揮自身主觀能動性去分析、思考、解決問題的互動型開放式教學(xué)過程。

據(jù)此,目前筆者根據(jù)近三年所教專業(yè)的不同,增設(shè)了“學(xué)校池塘污水中COD含量的測定”“銨態(tài)氮肥中氮含量的測定”“農(nóng)藥中氮、磷含量的測定”“土壤中Ca、Mg含量的測定”等容量分析實(shí)驗(yàn)。

(3)輔助混合式線上/線下教學(xué),打造優(yōu)化后實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)視頻,提升教學(xué)質(zhì)量。案例構(gòu)建的同時,借助“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)、MOOC與超星等平臺,積極打造線上課程資源,完善分析化學(xué)理論與實(shí)驗(yàn)課程;為了解決線上資源不足的情況,借助于筆者所在教研組的其他任課教師的幫助,錄制了理論與實(shí)驗(yàn)操作分離的線上資源。視頻內(nèi)容主要以容量分析為突破口,可以更好地同步分析化學(xué)理論與實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué),“可視化”幫助同學(xué)理解容量分析方法的原理,尤其是四大滴定實(shí)驗(yàn)過程中的滴定曲線、指示劑工作原理、連續(xù)與分步等復(fù)雜滴定過程,乃至進(jìn)一步了解其在實(shí)際生產(chǎn)與生活中的運(yùn)用。

(4)依據(jù)專業(yè)特性,進(jìn)行針對性教學(xué)。落地三年來,針對不同專業(yè)的學(xué)生,以植物保護(hù)學(xué)院為例,除分別增設(shè)“農(nóng)藥中氮、磷含量的測定”以及“土壤中Ca、Mg含量的測定”實(shí)驗(yàn)外,課堂理論講解部分,更多地引入分析化學(xué)在抗水稻紋枯病、納米農(nóng)藥的開發(fā)和農(nóng)藥殘留與講解方面的相關(guān)知識背景,闡述相關(guān)的化學(xué)與植保的學(xué)科交叉前沿知識與熱點(diǎn)。類似地,對于資源與環(huán)境學(xué)院與農(nóng)學(xué)院的學(xué)生,除了復(fù)制以上的實(shí)驗(yàn),還另外增設(shè)“學(xué)校池塘污水中COD含量的測定”“銨態(tài)氮肥中氮含量的測定”等實(shí)驗(yàn),闡述前沿環(huán)境、環(huán)保與生態(tài)學(xué)方面的相關(guān)知識。諸如此類,于筆者而言,這些交叉學(xué)科的知識疊加與儲備在多遍教學(xué)反饋的課堂中,勢必會深層次地將植保、環(huán)境與農(nóng)業(yè)學(xué)科有機(jī)聯(lián)系在一起,從而將融合后的知識傳達(dá)給越來越多的學(xué)生。

(5)依據(jù)學(xué)生知識基礎(chǔ),分層次教學(xué)。前面提到各地高考政策的差異,班級知識情況差異顯著。據(jù)此,開學(xué)第一課時會開展問卷調(diào)查,摸清學(xué)生“底細(xì)”,了解初步的基礎(chǔ)知識掌握情況。根據(jù)化學(xué)知識的掌握情況,將學(xué)生采取分組實(shí)驗(yàn),具體做法如下:①先依據(jù)強(qiáng)、中、弱三種類型大致分成三組,再依次按照強(qiáng)、中、弱的順序,三人成一小組;②基礎(chǔ)較弱的兩位同學(xué)輔助動手強(qiáng)的同學(xué)率先完成一組預(yù)定實(shí)驗(yàn);③動手強(qiáng)的同學(xué)分別輔助基礎(chǔ)弱的兩位同學(xué)各自完成一組實(shí)驗(yàn);④三人獨(dú)立各自完成一組實(shí)驗(yàn);⑤以偏差計算誤差的方式計算六組數(shù)據(jù)的精密度和準(zhǔn)確度;⑥誤差在允許范圍內(nèi),即過關(guān),如誤差不合理,需要每位同學(xué)繼續(xù)獨(dú)立完成一組,再計算,以此類推。

(6)在教材基礎(chǔ)上,課程教學(xué)內(nèi)容進(jìn)一步優(yōu)化,增加研究型學(xué)習(xí)內(nèi)容。在部分容量分析實(shí)驗(yàn)后面增設(shè)研究型實(shí)驗(yàn)。研究型實(shí)驗(yàn)包含兩個部分:一是筆者方面,學(xué)生親自動手檢驗(yàn),如鹽酸滴定氫氧化鈉的實(shí)驗(yàn)中,將指示劑從甲基橙換成在滴定突躍范圍內(nèi)的酚酞指示劑,讓學(xué)生進(jìn)一步掌握滴定突躍、滴定指示劑的選擇依據(jù)以及酸堿滴定中的指示劑顏色變化;二是學(xué)生自主思考,依據(jù)當(dāng)天的實(shí)驗(yàn),自行設(shè)計實(shí)驗(yàn)方案并檢驗(yàn),如自來水硬度的測定實(shí)驗(yàn)后,學(xué)生會自行設(shè)計出不同類型的水樣來進(jìn)行實(shí)驗(yàn),有農(nóng)田水、池塘水、礦泉水等,由此,產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)報告也會獨(dú)立,不會千篇一律,往往學(xué)生的積極性非常高。

(7)開設(shè)顏色記錄的實(shí)驗(yàn)比賽。滴定實(shí)驗(yàn)過程中,指示劑顏色的變化豐富,尤其是自身帶有顏色滴定劑與被滴定劑的氧化還原反應(yīng),滴定前后顏色絢麗,學(xué)生會情不自禁地掏出手機(jī)實(shí)時記錄。針對這一情況,讓實(shí)驗(yàn)課程更加生活化、開放化,合理允許的范圍內(nèi)以攝影、攝像的方式記錄顏色變化,允許將拍攝成果附在實(shí)驗(yàn)報告本上,一方面將其作為自己滴定終點(diǎn)的展示,另一方面作為攝影作品質(zhì)量的考核,也將其納入成績評測中。相較于上一部分,這一部分最受同學(xué)們歡迎。

(8)實(shí)驗(yàn)課程考核方式的優(yōu)化。成績的評價不再是簡單的“七三開”分配,而是將前述幾個措施都納入考核評價中,讓學(xué)生不是為了“學(xué)習(xí)而學(xué)習(xí)”。具體操作大致如下:操作考試仍保留,比重為20%;三人獨(dú)立小組評分,占比10%;小組成員間互評占比10%;筆者平時觀察記錄操作規(guī)范分值占比30%;平時的實(shí)驗(yàn)報告占比10%,以及最終的攝影成果占比10%。細(xì)化后雖然煩瑣,但能更好地體現(xiàn)每個人的參與程度,讓學(xué)生轉(zhuǎn)變學(xué)習(xí)態(tài)度,體驗(yàn)為自己而學(xué)的樂趣。

通過這些舉措,旨在將“分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)”課程內(nèi)容與大農(nóng)類專業(yè)課程知識進(jìn)行交叉融合,對課程的內(nèi)容進(jìn)行“農(nóng)特色”優(yōu)化,在培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用化學(xué)基礎(chǔ)知識解決專業(yè)問題能力的同時,讓學(xué)生充分認(rèn)識交叉學(xué)科的必然性趨勢,培養(yǎng)他們自主學(xué)習(xí)和探究問題的能力。此外,探索多元化的評價方式,讓學(xué)生不再是“唯成績論”,有利于挖掘自身的學(xué)習(xí)潛力,提升自己的學(xué)習(xí)興趣。

結(jié)語

新農(nóng)科背景下,為培養(yǎng)新型跨學(xué)科農(nóng)業(yè)特色綜合型人才,通過心理建設(shè)、“互聯(lián)網(wǎng)+”科技手段、創(chuàng)新課程考核評價方式,進(jìn)一步優(yōu)化“分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)”課程;通過討論式教學(xué)、案例式教學(xué)、線上/線下混合式教學(xué)模式尋求課程交叉融合的同時,提升教學(xué)質(zhì)量,為實(shí)現(xiàn)“藏糧于地、藏糧于技”打下堅實(shí)的基礎(chǔ)。