2019年12月5日，“新农科建设北京指南工作研讨会”提出了新农科改革实践方案，推出了新农科建设“北京指南”。在面向新农业、新乡村、新农民、新生态发展新农科的“四个面向”新理念指导下，在全国全面推出深化高等农林教育改革的“八大行动”新举措，启动了实施新农科研究与改革实践的“百校千项”系列新项目，我国新农科建设迎来了巨大机遇和挑战，也为新农科基础设施建设、环境与生态保护、灾害预防预警的专业知识体系、科学研究和工程实践提出更高的要求。

“四个面向”理念下的新农科基础设施教学改革，对土木工程学科相关课程提出了新的要求。本文调研了工程地质、环境岩土工程、环境地质学、土力学四门课程与环境岩土和生态保护相关课程的内容和结构，发现了该四门课程存在2个共性问题：1) 化学基础知识对四门专业课均有关键支撑作用，但课程中对化学知识的系统讲述基本没有课时体现或小于2学时；2) 四门课程涉及的化学知识体系复杂，化学基础课、化学分析方法、化工热力学、化学反应工程、测试技术、材料化学、功能材料、高分子化学、仪器分析、计算化学原理等课程内容与上述土木工程专业的四门课程均有密切关系。这2个共性问题，也反映在我国一些环境岩土和生态保护工程设计中屡见不鲜的灾害事件中。

以上调研结果表明，化学知识及应用与农村基础设施防灾、水土环境保护密不可分，尤其在当前“双碳”目标的背景下，化学对于提升新农科建设质量和环境全面改善具有重要意义。但是，传统课程体系只在大一学年讲授了大学化学，缺少与土木专业相结合的化学课程内容，学生化学方面的知识储备不满足新农科建设中对专业化学知识的需求。

借鉴张树永^[1–5]、宋娜^[6]，宋忠贤^[7]，周立亚^[8]，孙长艳^[9]，刘金磊^[10]，钟登华^[11]，薛松^[12]，许晶^[13]等在新工科、新农科和化学专业特色建设等方面的教学科研成果，本文以哈尔滨工业大学土木工程学科中农业农村基础设施建设和生态环境保护相关课程的教改研究为基础，对相关课程之内容、结构进行了系统剖析，结合专业课程的实际需求，探究了化学知识体系在相关课程中内容、结构与课时设置方案，对前述四门课程中与基础设施相关的环境岩土与生态保护课程中的化学基本知识，从化学原理、实验样品制备和实验方法等几个方面，四门课程中从课程架构、授课方案进行了系统的设计，经过2年的教学实践，检验了教学目标的达成度，教学效果也达到了预期的目标。

工程地质、环境岩土工程、环境地质学、土力学是土木工程的专业基础课与核心课，四门课程涉及了大量的化学基础和专业知识的应用。参考北京大学、清华大学、同济大学和哈尔滨工业大学等高校中四门课程相关的教学大纲、教学设计和教学内容，明晰四门课程中化学知识体系的支撑作用与当前课程中存在的不妥之处，为新农科基础设施要求下的课程教学改革提供依据。

工程地质是土木工程的专业基础课，是农村农业基础设施选址、场地工程地质条件评价等的理论支撑。工程地质课程教学内容中的“特殊土工程特性”“地下水及其工程特性、危害”“矿物与岩石”“工程勘察”等章节中涉及理论化学、分析化学、无机化学、物理化学等相关学科知识(表 1)。

特殊土的工程特性与土中化学物类型、含量有重要关联。传统的特殊土工程特性改良多数是利用外力或置换的工艺，近些年来，随着土的微观结构观测技术、化学测试方法改进和测量精度提升等研究的重大突破，化学方法改善特殊土工程特性的工程应用得到大规模应用。特殊土化学处置方法涉及大量的物理化学、分析化学相关理论和方法、实验技术等内容，对于土木工程学科的学生而言，化学知识体系并不足以支持他们的工程设计和施工技术设计，这大大限制了化学知识体系的应用，对工程安全和工程造价带来了严重影响。毕业学生反馈，虽然他们懂得了化学工艺对特殊土的工程特性改良是一个很有前途的研究方向，但由于相关化学知识的缺乏，在实际的工程设计和施工技术设计上，频繁出现工程问题和技术难题。对于农村农业基础设施，典型问题之一有盐渍土的易腐蚀、压缩困难，导致灌溉系统与交通系统盐胀和侵蚀破坏、耕植土板结和农作物产量低。对黄河三角洲、大庆等地区大面积的盐渍土的化学处理，上述问题得到了示范性解决，这也是本研究团队在特殊土工程特性改良课程内容中嵌入物理化学、分析化学相关理论与方法的教学原因。

利用理论化学、无机化学知识，地下水、土腐蚀性得到了定量和定性的双重评价，根据作者课题组多年的研究成果，地下水、土的腐蚀性很大程度上与土的种类、H⁺、SO₄²⁻、Mg²⁺、NH₄⁺、OH⁻、总矿化度这六种腐蚀介质含量密切相关。怎样测试水、土中这些化学物质的含量和种类，工程地质课程中并没有提及，这也导致本科毕业生在工程实践中不能回答勘探、定性和定量评价地下水、地基土的腐蚀性等系列问题。

对于地下水、土对工程的危害和特性的影响，物理化学知识是主要的支撑理论。地下水对混凝土的腐蚀问题是土木工程中非常重要的工程难题。一般而言，混凝土中氢氧化钙成分被水溶解(称为溶出侵蚀)、含侵蚀性二氧化碳的水溶解混凝土中的钙质、水中硫酸根离子与混凝土作用生成新的化合物、酸性水对混凝土具腐蚀性、水中镁盐与混凝土作用后生成化合物溶解于水等是常见的腐蚀类型。但是，工程地质课程(也包括其他三门课程)中没有给出合理的物理化学方面的侵蚀原理解释，工程材料虽然对混凝土材料腐蚀进行了化学方面的解释，但是地下水的腐蚀特性和侵蚀过程是土特性、力或荷载、变形、水压力、化学物种类与反应等诸多因素联合作用的结果，这也是地下工程结构腐蚀很难用工程材料方面的防治措施进行防护的根本原因。因此，针对地下水、土对工程的危害和特性的影响的系列问题，在本章节设计了相应的物理化学基础知识的专门讲授。

矿物的晶形、物理力学特性与结构化学、分析化学有非常紧密的联系。矿物是岩石的组成单位，矿物特性对岩石的风化、承载能力降低、软弱带形成有非常重要的影响。从微观上合理解释矿物的物理力学性质、晶形形成和合理评价岩石的物理力学特性，结构化学、分析化学的知识是唯一的途径，这方面的知识在工程地质课程中也没有涉及。

工程勘察是工程地质课程的核心内容，利用化学手段进行活动断层识别与监测、地下水土的腐蚀性评价、地质灾害预警监测是当今工程勘察中最高效、最经济的手段之一。以往工程地质课程中这方面的知识只是一带而过，所以实践工程中目前广泛应用的化学勘探方法，土木工程专业的学生一直没有很好地掌握。

土壤污染(尤其重金属)、垃圾填埋场的地下水渗漏与稳定性评价、污水污泥处置工程，涉及大量有机化学、无机化学和分析化学等方面知识，如何了解土壤污染全过程并采取相应的工程处理措施是土木工程专业学生必须掌握的重要内容。垃圾填埋场中，有机物分解过程和产生何种化学物质是填埋场采用何种垫层设计、渗透液收集、渗沥液池和排出工程措施的重要依据。垃圾填埋场发生的不均匀沉降、垮塌、滑坡等事故均表明与垃圾填埋场中物质化学反应产生的废液、气体的种类和数量严重估计不足有关。玻利维亚拉巴斯某垃圾填埋场滑坡，1.5万吨固体垃圾和污浊液体溢出，滑坡失稳的主要原因是垃圾产生了大量的渗液和气体导致了垃圾体中产生裂隙，最终形成了滑动面，终极原因是气、液估计不足，排水和排气工程设计低估了排出量而导致多余的气液扩散、渗流到垃圾体中的薄弱面上(图 1)。广东番禺某垃圾填埋场事故也是类似原因(图 2)。我国近年来已经发生了多起垃圾填埋场中毒、爆炸事故和滑坡破坏(表 2)。在污泥处置工程中，也有12起事故，39人中毒或因爆炸死亡。垃圾填埋场的事故原因有很多，经多年的调查研究，多数事故的产生与工程设计人员对垃圾填埋场和污水污泥场中气体、废液产生的机理和过程、气液成分等化学机理过程缺乏足够的理解，因此无法准确估计气体和液体的排出量，导致排气系统、集气系统、渗液排出系统、抗渗措施、抗滑和抗塌陷的工程设计不合理。

土壤污染与农药、化肥的使用有很大关系，与工业、建筑的排污也密不可分，由于对工业垃圾、废弃物和废水的化学成分认识不足或缺乏意识，导致了垃圾处理、排水等工程设计的不合理，最终污染土壤(表 3)。

环境地质学中，自然化学环境对人类的影响是课程核心内容之一。主要涉及不同地区地球化学特性、元素丰度及其分布特征；水、气和固体地球中有益、有害元素及致病物质富集、迁移规律；地质环境与人畜健康关系，地方病和职业病防治，减轻由于化学物质的天然、人为富集或短缺对人畜健康和植物生长带来的不良影响；饮用水水质恶化与治理等相关内容。讲授这部分内容，学生们需要很好的化学基础知识才能从根本上理解地质环境中灾害的形成机理，才能更好地进行工程设计与灾害预防。环境地质学课程中，可溶性岩石和土体的溶蚀引发的大面积溶洞、土洞、坍塌、沉降和滑坡现象也是课程的重要内容。我国70%的城市和40%的农村发生过不同程度的上述灾害。由于对可溶性岩石在不同介质中的化学反应不了解，虽然工程中采取了岩石和土体的抗溶蚀措施，但仍然未能抵御溶蚀现象的发生，深层次的原因是工程师对溶蚀的化学机理过程不清晰，从而导致工程设计忽视了岩溶的化学破坏作用。

其次，化学污染造成了大量的环境地质问题。如废弃物排放、生产过程中农药化肥的施用等，将大量有害化学物质散布到地质环境中，逐渐改变地球表面的化学组成，生态平衡的物质基础遭到破坏，直接危害人类的生存和健康；化学污染也引起自然环境不可逆转的变化，如碳的大量排放引起温室效应、臭氧层被破坏等问题。污染物在地质环境中的迁移、转化、积累、净化的过程十分复杂，研究这种过程是环境地质学的基本任务之一(表 4)。

土力学中，化学成分、化学反应对土的形变和基础的防腐、施工工艺设计有很大的影响。考虑土中化学物质与土中孔隙水压力、有效应力、剪切强度、压缩性效应耦合作用时，土的力学与变形特性变得尤为复杂。在课程的讲授过程中，一般只讨论有效应力、渗透过程、矿物晶体结合水、孔隙溶液浓度变化之间的关系，学生们很难对微观的化学作用如何对土宏观的力学性能影响有深入的理解，这与本文课程中缺乏对化学基础知识的系统介绍有关(表 5)。土力学的微观本质、物理化学效应在经典的土力学理论中仍然是难以捉摸的，如果能深入剖析土形变中的物理和化学过程，则可以在连续介质理论的框架内找到可能的答案。

为更好服务于新农科体系的农业农村基础设施的建设和环境岩土与生态保护工程实践需求，大大降低灾害发生频率和提高工程防治、预警能力，多学科知识体系的融合是重要手段。故此，哈尔滨工业大学土木工程学科和化学化工学科进行了多次研讨，结合上述四门课程相关的内容，对课程中涉及的化学基础知识、实验方法和技术进行了系统的设计，力求结合专业特点，将化学科学的相关知识体系有机结合到相关的专业课程中，更好地提升学生的工程设计水平与工程实践能力。根据工程设计的实践需要、相关课程内容大纲要求、培养目标、工程认证需求等，在原来课程的基础上，设计并补充了化学基础知识结构体系在这些专业课程中的讲授环节。主要的知识体系的设计如图 3所示。

上述课程知识体系设计中，针对我国新农科实践中涉及的环境岩土工程和生态环境保护方面的实际需要，从提高未来工程师化学学科的基础知识应用能力和工程设计水平角度，着重剖析了新农科基础设施设计与建设中存在的量大面广的主要化学难点问题。课程体系设计涉及了这些工程和课程中基础化学知识、化学测试技术与实验手段，课程内容设计目的明确，针对性强，也与课程其他章节内容有机结合。

工程认证是我国土木工程教学改革中最重要内容之一，强调课程设计体现“知识、能力、素质”方面的诸多要求。本文课程中教学设计也符合我国工程认证教学改革需要，主要针对学生自然科学基础知识、问题分析、工程设计、研究能力、环境和可持续发展5个方面能力的培养要求设计相关的教学内容，具体表现为：

1) 工程知识方面——强调学生应具有扎实的自然科学基础知识，熟练掌握数理化基本知识和分析方法，用于解决土木工程专业的复杂工程问题。本文涉及的4门课程化学知识授课设计，着重从原理上分析环境岩土与生态中灾害的形成机理，明晰工程问题的化学原理。

2) 问题分析方面——能够应用自然科学基本原理，对复杂土木工程问题进行识别、判断、分析和表达。本文4门课程针对农村基础设施建设和安全的环境岩土、生态问题，重点介绍了化学知识对灾害识别技术、测试和评定方法。

3) 设计/开发解决方案方面——能够设计针对复杂土木工程问题的解决方案，设计满足特定需求的工程结构物对象，并能够在设计环节中体现创新意识。特殊土性质化学改良、土盐碱化化学与处理、垃圾场气液化学检测处置、地基土化学改良技术和排水化学方法等课程内容的设计，就是为目前广泛存在的工程问题而利用化学知识进行创新设计的具体案例。

4) 研究能力方面——能够基于科学原理并采用科学方法对复杂土木工程问题进行研究，包括设计实验、分析与解释数据。矿物结晶化学、垃圾场物质典型化学成分、岩石和土体形变化学机制、污染土液化学腐蚀机理等课程内容的设计，引导学生利用化学知识从微观方面研究相关灾害形成机制，把握问题的本质。

5) 环境和可持续发展——理解环境保护和社会可持续发展的内涵和意义，能针对复杂土木工程项目，评价其对环境、社会可持续发展的影响。本文涉及课程中化学知识的切入点就是环境保护与可持续发展。利用化学知识在土木工程课程中的应用广度和深度，更好地提升环保工程和防灾工程的设计能力与水准。

上述课程设计中，化学知识点的理论讲授在不同课程中的占比分别为：1/7 (工程地质)、1/6 (环境岩土工程、环境地质学)、1/8 (土力学)。课时虽然增加不多，但化学知识点内容的讲授清晰明了，与专业课相关内容有机结合，土木工程专业学生能更好地理解相关环境岩土和生态灾害的产生和形成过程，从而更好地提升工程设计能力与水准。

经过2年的教学实践，学生对课程内容很有兴趣，反馈的信息均展现了四个方面的好处：1) 土木工程学科中，化学知识的应用有很广阔的前景，它能从理论上清晰揭示和解释环境灾害产生、形成的机理与过程，工程实践中能指导合理的工程设计、预防与预警措施；2) 岩土体和工程环境的物理力学、变形特性与内在的化学成分、化学反应密切相关，从微观上能更好揭示岩石、土体的变形与力学特性；3) 工程设计中，工程耐久性和可靠性设计可以通过合理的化学处置手段得到保障；4) 土木工程中的化学工艺和测试方法，可以快速处理环境和生态灾害。表 6是对280个本科生在相关课程讲授后效果的调查，基本上反映了课程教学效果。同时，大学生的科技创新项目中，2项针对软土、污泥的工程防治申请项目得到了批准。化学和化工专业的学生也申请了化学在土木工程中的应用相关创新课题3项。土木工程化学研究方向的形成初显雏形。

加强化学知识在土木工程专业课中的课程设计与授课，不仅深化了学生对一些环境和生态问题、灾害形成机理的理解，解译相关的复杂机制，也全面提升了学生工程设计水平，更好地服务于新农科基础设施的可持续发展。也对学生知识面拓展、专业创新意识和能力提高具有很好的促进作用。

我国新农科建设重大项目的设立，充分体现了新农科建设和发展过程中多学科知识的融合的重要性。本文以四个面向为核心，结合哈尔滨工业大学土木工程学科农业农村基础设施、生态环境保护相关课程内容、课程结构的教学改革需要，将化学知识与四门课程进行了深度的融合，从化学原理、测试技术与设备、实验方法等方面进行了系统的设计，经过2年的教学实践，验证了教学效果。