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    教育論文

    科教融合分類施教農林院校分析化學實驗課程的改革與實踐

    時間:2021年08月30日 所屬分類:教育論文 點擊次數:

    摘要:以科教融合分類施教理念為指導,結合農林院校近化學相關專業人才培養需求,構建了分析化學實驗課程的差異化教學模式。將研究成果轉化成具有農林特色的創新綜合實驗、設計實驗,最新科研案例及時融入課堂教學,激發學生學習興趣;精心設計教學過程,提高

      摘要:以“科教融合”“分類施教”理念為指導,結合農林院校近化學相關專業人才培養需求,構建了分析化學實驗課程的差異化教學模式。將研究成果轉化成具有農林特色的創新綜合實驗、設計實驗,最新科研案例及時融入課堂教學,激發學生學習興趣;精心設計教學過程,提高教學針對性和有效性。此外,還對分析化學實驗中實施“科教融合”的價值進行了分析。

      關鍵詞:科教融合;分析化學實驗;農林院校;教學改革;教學實踐

    科教融合論文

      分析化學實驗是高等農林院校近化學專業必修的一門基礎實驗課程。北京林業大學分析化學實驗授課對象為一、二年級本科生,涉及生命科學類、環境工程與科學類、林產化工、食品科學(在下文中,這些專業依次簡稱為生物、環境、林化、食品)等“雙一流”或重點學科的相關專業,每學年開設的實驗項目有11個,每年涉及學生人數近900人。

      2019年,教育部發布“教高〔2019〕6號”文件[1],明確提出“推動科研反哺教學”,強調“強化科研育人功能,推動高校及時把最新科研成果轉化為教學內容,激發學生專業學習興趣”。分析化學實驗是借助于實驗手段和分析儀器研究物質客觀存在的信息(包括物質組成、含量和微觀結構等)的學科。分析測定過程實際上是追求真理的過程,分析化學實驗是最能將“科教融合”理念加以充分實踐的課程。

      然而,國內分析化學實驗教學研究集中在分析方法的改進、實驗項目開發、教學方法改革、評價體系的完善、課程思政等方面[2–7],在“科教融合”方面的改革尚有探索空間。農林院校不同專業的培養目標存在差異,對分析化學實驗的實際需求各不相同。在推行本科專業認證的大環境下,需要基礎課程與認證標準相吻合。如何將“科教融合”理念融入分析化學實驗教學,更好服務所有專業,助力“雙一流”學科、“新工科”、“新農科”建設,提高教學的有效性、針對性?為此,結合我校相關專業的不同需求,在分析化學實驗課程中開展了基于“科教融合”的教學改革。通過科研成果在教學中的滲透、開發原創新實驗、設計教學過程等方面進行探索與實踐,實現“科研反哺教學”“分類施教”[8],煥發學生的學習熱情,賦能學生自主學習,激發學生學習潛能。

      1科教融合的研究基礎

      教師的科研工作、科研成果是開展科教融合的教學基礎。課程組教師積極從事化學與農林相關學科交叉融合的研究,運用專業知識研究農林問題。主持和參加的科研項目包括“油松雌配子體游離核有絲分裂的分子調控機制”“Pickering乳液兩相體系催化果糖直接轉化制備2,5-二甲基呋喃的研究”“植物源活性物質的提純新技術及其仿生合成與利用化學”等,在功能材料的合成及改性、水環境中有害物質的檢測與去除、植物源活性物質的提純新技術及其仿生合成與利用化學等領域取得了豐碩成果,發表相關論文30余篇。這些論文是開發創新實驗項目的優質素材和資源。

      這些成果加以提煉、優化后,融于課堂教學,或者轉化成新實驗項目,不僅可以激發學生的學習興趣、拓寬學生視野,還能激勵教師積極參與科研、保持教學內容的實用性和前瞻性。在分析化學實驗教學中,課程組教師一直注重把科研與教學有機融合[9,10]。2012年,開始嘗試將科研成果轉化成教學內容。在12級梁希班(梁希班,是北京林業大學以林學家梁希命名的尖子班)試點開設了探索性實驗“樹葉中葉綠素的提取與分析”。

      之后,將已發表的科研論文[11]加以提煉,轉化成了原創綜合實驗項目“構樹葉中黃酮類化合物的提取及測定”,并于2014年首次在梁希班試點開設。該新實驗最初作為設計實驗試點開設,隨后,經過多年教學實踐的檢驗,實驗講義經反復修改和完善,于2019年作為新的綜合實驗正式寫進了教學大綱?傊,前期教學研究成果初步奠定了科教有機融合的基礎,教師的科研成果為開發創新實驗、實現科教融合提供了素材。另外,北京林業大學化學實驗中心為項目開展教學實踐提供良好實驗條件。2科教融合的課程改革與實踐“科教融合”的分析化學實驗課程教學模式,由科研成果轉化成特色原創實驗、學科前沿研究成果提煉成教學案例、科教融合的教學設計等幾個方面構成。

      2.1科研成果轉化成特色原創實驗

      2.1.1開發具有農林特色的綜合實驗

      課程組教師從事與農林學科相關的研究,取得了科研成果,發表了科研論文。另外,林化、環境、食品、生物等專業對分析化學實驗的需求各不相同。前期調研得知,林化專業希望為后續的專業實驗打下堅實基礎;環境專業的訴求是開設與環境樣品分析相關實驗;食品專業要求學習有關多糖、天然色素的提取與分析技術;生物專業需要涉及蛋白質、氨基酸的一些分析。針對上述不同專業的不同需求,利用教師的研究成果或科研論文,挖掘與農林院校不同專業對接、具有農林特色的新綜合實驗。

      首先,精心挑選科研成果或科研論文,作為創新實驗項目的資源。選擇時,需綜合考慮諸多因素,主要有:體現農林院校的行業特色、適用于農林院校不同專業、實驗內容和操作難度適中、實驗室能夠提供相應的儀器設備等。經課程組教師周密考慮并討論決定,在課程組教師已經發表的科研論文或者指導的“大學生科技創新計劃”項目的研究成果中,選中了六篇論文[9,12–16]用作轉化成原創綜合實驗的資料。

      其次,編撰實驗講義。編寫講義時,要求符合規范性、完整性、合理性和可操作性,同時還應具有適度的挑戰性。實驗講義由實驗目的、實驗原理、儀器及試劑、實驗步驟、思考題、實驗記錄等模塊構成。除了前期開發的“構樹葉中黃酮類化合物的提取及測定”外,又編寫了四個具有農林特色的原創綜合實驗講義,包括:“西紅柿中類胡蘿卜素提取及分光光度法分析”“西府海棠花中蛋白質提取及分光光度法分析”“加楊葉總酚提取及分光光度法分析”和“重瓣榆葉梅花中黃酮的提取及分光光度法分析”。

      計劃將這些實驗依次與食品、生物、環境和林化等專業對接,在分析化學實驗課教學中分別面向這些專業開設。最后,進行預實驗,以便檢驗實驗的可操作性。組織課程組所有教師參與預實驗,并且教師分組實驗,每個實驗至少進行三輪預實驗。實驗時,即便每個實驗組的實驗流程完全相同,也要求實驗“細節”有所不同。這里的“細節”是指試樣或試劑的用量、有效成分的提取條件、待測液或標準溶液的濃度等。實驗后,將各實驗組的結果進行對照、優選,敲定最終實驗方案。

      2.1.2開設設計實驗

      課程組開發了具有行業特色的原創綜合實驗。但是,這些實驗在全校范圍內推廣之前,必須經歷一個“探索”階段。在“探索”階段,這些原創實驗作為設計實驗,在挑選的個別班級中試點開設。早期開發的“樹葉中葉綠素的提取與分析”已編入《分析化學實驗》[17]。在新開發的實驗項目中,“構樹葉中黃酮的提取及分析”已經編入教學大綱;“西紅柿中類胡蘿卜素提取及分光光度法分析”和“重瓣榆葉梅花中黃酮的提取及分光光度法分析”,已經在17級、18級兩屆梁希班中作為設計實驗試點開設;“西府海棠花中蛋白質提取及分光光度法分析”和“加楊葉總酚提取及分光光度法分析”,已經通過預實驗,并且在19級梁希班中作為設計實驗開設。

      2020年春季學期,突如其來的新冠肺炎疫情給教學帶來了嚴重沖擊,在“停課不停教、停課不停學”中[18],包括實驗課在內的幾乎所有課程都轉為線上教學。線上教學在師生和生生互動、教學資源共享等方面優勢明顯[19],為實驗課程在科教融合、實驗方案設計等方面提供了可能;诰上教學的優勢,2020年春季學期,我校分析化學實驗課強化設計實驗環節,將開發的原創實驗在部分班級中作為設計實驗開設。

      2.2學科前沿研究成果提煉成教學案例

      我校分析化學實驗主要是定量分析,內容包括滴定分析和分光光度法測定。其中,滴定分析是經典化學分析方法,在生產實踐、科學研究、環境監測、醫學檢測、軍事、高科技以及航空航天領域等有重要應用。同時,專家學者發表了數量可觀的與分析測試有關的研究論文。這為分析化學實驗開展“科教融合”提供了豐富的教學資源。結合當前科技熱點話題,在授課過程中,實時介紹分析化學實驗在該領域的應用。2021年5月15日,“天問一號”火星探測器在首選落點(即火星北半球的烏托邦平原)著陸;鹦峭獗沓尸F橘紅色,是因為火星地表被赤鐵礦(Fe2O3)覆蓋。目前,包括“祝融號”在內的多個火星車在火星表面已經完成或正在執行探測任務。

      火星探測的下一個目標:完成火星樣品采樣并攜帶樣品返回地球。將來,假如這一目標得以實現,那么,分析化學實驗課所用的方法中,哪些可用于測定火星樣品中的Fe2O3?若攜帶回來的火星樣品質量滿足半微量分析要求,采用鄰二氮菲分光光度法;當采集的火星樣品質量達到常量分析要求時,用配位滴定法或者氧化還原滴定法。分析化學實驗技術在現實生活、生產實踐中有著廣泛應用,相關的科研成果或者論文異常豐富,這些可用作“科教融合”的素材。教學中,對于不同專業的學生,選擇不同的科研素材,以滿足專業的特殊需求。

      這里僅舉一例。氮芥(又稱恩比興、鹽酸氮芥)主要用于治療惡性淋巴瘤及癌性胸膜、心包及腹腔積液,為最早用于臨床治療腫瘤的藥物之一,是其他烷化劑抗腫瘤藥的代表,其衍生物在臨床癌癥治療中占有一定地位。然而,這類抗癌藥物的產生,可溯源到一戰期間出現的芥子氣(β,β′-二氯乙基硫醚,化學式(ClCH2CH2)2S)。臭名昭著的芥子氣有“毒劑之王”之稱,是一種糜爛性化學戰劑。測定芥子氣純度可采用酸堿滴定法[20]。另一方面,開展“科教融合”教學中,根據不同授課專業對分析化學實驗的特殊需求,還為各專業量身定制專屬學科研究案例。例如,前文中關于芥子氣純度測定的案例,可在生物專業授課時選用。限于文章的篇幅,這里再舉一例加以說明。下面是林化專業授課中的定制案例。

      林產化工涉及樹木及林特產品的研究及開發利用。對樹木資源中的有效成分進行分析、對林特產品的質量進行檢測等,是林產化工行業的必需環節。天然橡膠因其優異的綜合物理機械性能,具有更加廣泛的用途,甚至火箭、人造地球衛星和宇宙飛船等高精尖技術領域的產品都離不開天然橡膠。顯然,橡膠制品質量至關重要,而質量監控離不開化學檢測。天然橡膠中,除了91%~94%橡膠烴(順-1,4-聚異戊二烯),還含有蛋白質、脂肪酸、灰分等。根據GB/T8088–2008,天然膠中蛋白質含量測定可采用酸堿滴定法。

      2.3“科教融合”教學的設計

      2.3.1基礎實驗的教學設計

      我校開設的基礎實驗主要為滴定分析實驗,旨在訓練學生的基本操作技能和實驗素養,提高學生動手能力。對于這類實驗,科教融合的關鍵環節是課前收集科研案例。備課時,教師大量收集學科研究文獻,包括近期公開發表的相關科研論文、教師的科研成果等,然后,整理并加以提煉成教學案例,每個案例配備1~2個思考題。隨后,教師將科研案例通過微信、學習平臺推送給學生。上課前,學生閱讀相應的科研素材,完成思考題并就案例發表看法;蛘,課堂上正式講解實驗內容前,作為拓展知識,用不超過3分鐘時間介紹與當次實驗相關的科研案例,提問,學生答題。無論是課前推送,還是課堂上簡介科研案例,學生都需完成配備的思考題,隨后教師就學生的答題情況進行點評。

      例如,“白醋總酸量的測定”和“草酸摩爾質量的測定”是我校開設的酸堿滴定基礎實驗,學生從這兩個實驗中任選一個。氮芥的相關應用及芥子氣的檢測用作本次實驗“科教融合”的案例,為生物專業學生授課時選用,在課前推送,設置的問題是:“用什么方法測定芥子氣的含量?”由于是課前推送,學生有充足時間收集資料,給出的答案包括“氣相色譜-質譜法”“分光光度法”“液相色譜-質譜法”“表面增強拉曼光譜”等。教師點評時,需明確告知,上述這些檢測手段屬于儀器分析方法。儀器分析和滴定分析分別適用于微量(組分)分析和常量(組分)分析。

      若檢測環境污染物、中毒后的生物樣品中的芥子氣,采用儀器分析方法;分析的是化學試劑芥子氣時,可用酸堿滴定法。在基礎實驗中滲透學科前沿案例,可使講課內容更有深度,刺激學生的學習熱情。然而,值得一提的是,學習這門課的多為大學一年級學生,學習任務相對繁重。因此,不建議將學科前沿案例全都放在課前推送,最好以課上簡介為主、課前推送為輔,以免個別學生因學習負擔加重而產生負面情緒。

      2.3.2設計實驗的教學設計

      如前所述,我校新開發的原創實驗在全面推廣前,作為設計實驗開設,同時還是探究性實驗,要求所有學生必須參與整個研究環節。例如,原創綜合實驗“重瓣榆葉梅花中有效成分的提取與分析”,在正式開設之前是設計實驗項目,用于替換原有的一個基礎實驗。首先,選擇試點班,學生分組選題。我校梁希班學生通常在18人以內,人數不多,適合開展設計實驗教學,故挑選梁希班為試點班。擬定了三個設計實驗項目,包括:“重瓣榆葉梅花黃酮的提取與分析”“重瓣榆葉梅花蛋白質的提取與分析”和“重瓣榆葉梅花多糖的提取與分析”。

      要求:(1)2~3人為一組;(2)在三個實驗項目中任選一個;(3)采用分析化學理論課上學過的方法進行測定。學生多數選擇分析花中的黃酮,以17級梁希班為例,每組3人,全班共分六組,有四組、一組和一組依次選擇上述三個實驗項目。然后,以實驗組為單位查閱文獻,設計實驗方案,各組以PPT演示分享方案。完善、修改后,確定實驗方案。如果選做同一個實驗項目,各組的實驗流程可以相同,但要求實驗細節要有所不同。

      比如,17級梁希班有四組學生選擇“重瓣榆葉梅花黃酮的提取與分析”,盡管實驗過程相同,但是四個實驗組設定的實驗條件并不完全相同,指稱取重瓣榆葉梅花的質量、乙醇提取溶劑的濃度、提取黃酮的時間及溫度、用分光光度法檢測時所用的蘆丁標準系列溶液的濃度等有所不同。最后,分組完成實驗、分析實驗結果。各實驗組按照各自的實驗方案進行實驗。“重瓣榆葉梅花黃酮的提取與分析”實驗中,用硝酸鋁分光光度法測定總黃酮,有的實驗組在顯色反應后,溶液比預想的顏色淺很多,測得的吸光度偏小。此時引導學生思考:為什么溶液顏色淺?實驗結束,處理數據,所得產率偏低。該實驗組積極討論,最終找出實驗結果偏低的原因:實驗中,沒有采用重瓣榆葉梅花黃酮的最佳提取條件,不能將花中的黃酮全都提取出來。

      2.3.3創新綜合實驗的教學設計

      新開發了具有農林特色的原創實驗,經課程組教師三輪預實驗,改進了實驗方案。然后,每年挑選一個班作為試點班,以設計實驗形式至少開設三屆。待實驗方案完全成熟后,原創實驗方能作為綜合實驗全面推廣,而且不同的專業設定不同的實驗,用以取代原有的一個基礎實驗。這些具有農林特色的原創綜合實驗,是本改革實踐的“閃光點”,也是本課程的“人氣”實驗項目。實驗中采用植物的花、葉、皮等作試樣,研究其中有效成分,如黃酮、多酚、蛋白質、多糖等。這類實驗的教學設計注重呈現科學研究的全流程。“重瓣榆葉梅花黃酮的提取與分光光度法分析”,21年春季學期作為綜合實驗開設,其教學設計如下所述。

      首先,采樣。植物試樣要求學生自己采樣。作為綜合實驗,這個實驗安排在5月份,而重瓣榆葉梅花期在3–4月,故需提前組織學生采花。實驗課開課之初,就把采樣任務布置給各班班長,到4月初,學生在班長帶領下采集花朵,于冰箱冷凍室儲存。

      其次,制備試樣。實驗前,將速凍后的花朵直接研磨成糊狀后使用。對于其他實驗,葉、花等試樣可能需要低溫烘干,再經粉碎制成粉末后取用。隨后,分組實驗。學生2~3人為一組,按照統一的講義積極完成實驗,再處理數據、撰寫實驗報告。值得一提的是,實驗中使用的植物試樣,有季節限制。重瓣榆葉梅花、西府海棠花等花材,在3–4月份到達盛花期,有效成分含量最高,使用這時期的花材實驗效果最佳;楊樹葉、構樹葉在8–9月份最為成熟,這段時間的藥用成分最多。然而,綜合實驗通常安排在實驗課的后期,大約在5月份或10月份。因此,需要組織學生提前采樣。

      2.4“科教融合”教學的學習評估

      針對基礎實驗、農林特色的綜合及設計新實驗,對學生的學習采取不同的考核評價方式;A實驗和原創綜合實驗,成績評定基本相同,由預習、實驗操作和實驗報告成績構成。不同之處在于,前者的預習成績中包含科研案例考核,后者將植物樣品的采集、前處理的考查納入預習成績;A實驗教學中,作為拓展素材的學科研究案例中設置了思考題,學生的答案反映出他們對案例的關注程度。

      此項學習評價劃歸到實驗預習成績中,占實驗成績的10%左右。原創綜合實驗教學中,對學生參與樣品采集、預處理的情況進行評分,歸入到預習成績,占實驗成績的15%左右。設計實驗,學生成績包括文獻查閱、課堂討論和現場實驗成績,依次占本次實驗成績的40%、30%和30%。文獻查閱成績,根據每個人的表現,由同一實驗組內的同學討論決定;課堂討論成績,是在各實驗組用PPT展示實驗方案時,由其他實驗組同學和教師來評定,同組內同學的此項成績都相同;實驗成績,根據學生的實驗表現由教師給出。

      3“科教融合”教學模式的價值分析

      3.1“量身定制”農林特色創新綜合實驗,激發學生學習興趣本課程改革最“出彩”之處,是開發了具有農林特色的綜合、設計新實驗。這些實驗針對我校林化、環境、食品、生物等不同專業,“量身定制”不同的實驗項目,實現“差異化”教學,提高教學的針對性和有效性。同時,創新實驗中,采用植物的花、葉、皮等作試樣,研究其中有效成分,體現農林學科特色,培養學生農林情懷,增強學生對所學專業的認同感,激發學生求知欲望,提高學習效率。

      3.2體驗“科學研究”全流程,提高課堂教學質量開發的農林特色新實驗既是綜合實驗,也是設計實驗。實驗對實際植物樣品有效成分進行提取分析。學生需完成定量分析全過程,包括樣品的采集、制備、處理,待測成分的提取與分析,數據處理與結果分析等。若是作為設計實驗項目,還需要學生實驗前查閱文獻,分組討論,然后編撰實驗方案。通過這種“科學研究”的體驗,加強學生對農林生產中實際樣品的分析過程的認識,訓練綜合運用知識解決實際問題的能力,有效提高學生參與意識,提高課堂教學質量。

      3.3更新教學內容、豐富教學資源,促進教材建設開發了五個具有農林特色的創新實驗,這些實驗用于替換部分原有的基礎實驗,實現教學內容的更新。本學科領域最新科研成果提煉成教學素材,實時融入分析化學實驗教學,極大豐富了教學資源。體現了“將最新科研成果及時轉化為教育教學內容[8]”。由我校教師主編的《分析化學實驗》[17]是本課程的指定教材,該教材面臨修訂。教材再版時,計劃把開發的特色創新實驗編入其中,最新科研成果提煉而成的教學案例也將寫入教材的“學科前沿”模塊。實現了教材的科學性、前沿性,進一步增強教材針對性和實效性[8]。

      化學教育論文高中化學教學中開展趣味化學實驗的研究

      4結語

      在“科教融合”“分類施教”視角下,對分析化學實驗課程進行教學改革,實現“科研成果反哺教學”“科研成果進課堂,進教案,進實踐”和“差異化”教學。雖然,基于“科教融合”理念的分析化學實驗課程改革實踐取得了良好成效,但也提出了挑戰。如何更好利用優質網絡資源開展“科教融合”的教學活動,如何構建與“科教融合”教學模式更適應的學生考核與評價,等等。這些都將是分析化學實驗課程后續的建設方向和改革切入點。

      參考文獻

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      作者:陳媛梅

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