提升化學(xué)本科生科學(xué)思維與邏輯的科研實(shí)踐*

周雷激 呂家斌 陳美玲 林金華 申琳 生吉萍

(1廈門大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)系 福建廈門 361005; 2中國農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營養(yǎng)工程學(xué)院 北京 100083)

本科教育是學(xué)生探索知識(shí)、提高綜合素養(yǎng)的重要階段。大學(xué)生求知欲強(qiáng)、富有創(chuàng)造力，但也時(shí)常陷入迷惘的困境，這時(shí)教師的正確引導(dǎo)顯得尤為重要。讓本科生有機(jī)會(huì)參與科學(xué)研究和創(chuàng)新活動(dòng)，是提升大學(xué)生科學(xué)思維和邏輯能力的重要途徑。更重要的是，科學(xué)研究和創(chuàng)新活動(dòng)有助于培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考、團(tuán)隊(duì)協(xié)作以及在困難面前不輕言放棄的精神。

廈門大學(xué)化學(xué)人才培養(yǎng)基地在探索本科生參與科學(xué)研究的實(shí)踐中，實(shí)施了本科生科研訓(xùn)練計(jì)劃，并設(shè)立了科技創(chuàng)新活動(dòng)專項(xiàng)育苗基金，為學(xué)生拓展專業(yè)領(lǐng)域、培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新思維搭建了平臺(tái)，收到了良好效果[1]。

我們課題組利用育苗基金，對(duì)大學(xué)生開展了“我國東南地區(qū)主要秸稈物性分析與評(píng)價(jià)”的科學(xué)研究訓(xùn)練。整個(gè)科研實(shí)踐環(huán)節(jié)以學(xué)生為主體，難易程度適中，強(qiáng)調(diào)學(xué)生獨(dú)立思考和團(tuán)隊(duì)合作。通過科研課題的實(shí)訓(xùn)，學(xué)生較好地完成了任務(wù)，科學(xué)素養(yǎng)和邏輯思維能力得到明顯提升。

1 明確研究目的

研究課題是實(shí)驗(yàn)室已有的方向，但學(xué)生剛接手這一題目時(shí)對(duì)如何開展工作往往毫無概念。指導(dǎo)他們開展文獻(xiàn)查閱是第一步。先提出幾個(gè)問題：什么是秸稈，為什么開展秸稈研究，如何擬定實(shí)驗(yàn)方案。引導(dǎo)他們從文獻(xiàn)中找答案。通過廣泛的調(diào)研，學(xué)生在給出答案的同時(shí)，也明確了研究工作的意義。

學(xué)生通過親手查閱和思考，認(rèn)識(shí)到秸稈的主要成分是纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，這些是地球上十分重要和數(shù)量巨大的可再生資源，具有廉價(jià)、可降解性和生態(tài)環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，在新能源、新材料、生物醫(yī)藥以及工業(yè)等方面具有廣闊的應(yīng)用前景[2-8]。傳統(tǒng)上，稻草主要用于翻耕還田和飼料等，利用率低下，有關(guān)廢棄農(nóng)作物秸稈資源的高效利用問題一直沒有得到有效的解決。地處我國東南地區(qū)的福建省屬亞熱帶氣候，農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)以稻作為主、旱作為輔。以2000年為例[9]，水稻秸稈產(chǎn)量占到了當(dāng)年農(nóng)作物秸稈資源總量的74.28 %，由此可見稻草是福建主要的可供開發(fā)利用的秸稈資源。因此，以福建的優(yōu)勢秸稈資源為出發(fā)點(diǎn)，從水稻秸稈的物性分析與評(píng)價(jià)入手，是探索秸稈主流組分分離與資源高效利用、開發(fā)適合于福建水稻秸稈再生、可循環(huán)利用的重要途徑。

為了擬定實(shí)驗(yàn)方案，學(xué)生通過進(jìn)一步查閱文獻(xiàn)了解到，科研工作者[10-16]對(duì)不同秸稈資源的主流組分分析及資源的可能利用途徑進(jìn)行了廣泛探索，研究和發(fā)展了濃酸水解法、紅外光譜法、紫外-可見分光光度法等化學(xué)與儀器分析方法來測定多種農(nóng)作物資源中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的含量，并對(duì)作物資源的特性進(jìn)行分析。運(yùn)用自己所學(xué)專業(yè)知識(shí)開展實(shí)際應(yīng)用，是學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的具體實(shí)踐。

在文獻(xiàn)工作的基礎(chǔ)上，學(xué)生明晰了思路，提出了自己的研究方案：以福建的優(yōu)勢秸稈資源水稻秸稈作為考察對(duì)象，采用酸解前處理和容量滴定的化學(xué)分析方法(這是要求他們?cè)诖笠弧⒋蠖陂g掌握的基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容)，通過對(duì)福建不同地區(qū)的水稻秸稈資源的主流組分分析，闡述我國福建地區(qū)水稻秸稈的物性及地域分布特點(diǎn)。

2 確定野外采樣區(qū)域

由于秸稈資源分布的分散性，原料的品質(zhì)呈現(xiàn)出不同的特性。如何野外采樣也是學(xué)生面對(duì)的一個(gè)具體問題。學(xué)生通過調(diào)研(瀏覽網(wǎng)站，查閱年鑒、學(xué)術(shù)論文，實(shí)地了解等)對(duì)福建地區(qū)的水稻秸稈的分布、產(chǎn)量以及秸稈利用現(xiàn)狀等相關(guān)信息進(jìn)行了收集，并依據(jù)福建的山地形貌及氣象等生態(tài)條件[17]，有代表性地選取了6個(gè)水稻秸稈采樣區(qū)，分別是福州、安溪、長汀、三明、邵武和壽寧，代表福建東、南、西、北、中不同山地形貌及不同氣候的區(qū)域。學(xué)生解決實(shí)際問題的能力在這一環(huán)節(jié)得到了很好的訓(xùn)練。

3 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

盡管實(shí)驗(yàn)內(nèi)容都是課堂上學(xué)過的知識(shí)，但要運(yùn)用于實(shí)際研究中，仍需仔細(xì)擬定實(shí)驗(yàn)方案。如果某個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)考慮不周，就可能給實(shí)驗(yàn)結(jié)果帶來較大誤差甚至錯(cuò)誤。學(xué)生擬定秸稈酸解前處理和容量滴定化學(xué)分析實(shí)驗(yàn)方案后，要經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)找到較優(yōu)條件?？蒲杏?xùn)練可讓項(xiàng)目組成員充分體會(huì)到科研實(shí)踐與平時(shí)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課上的訓(xùn)練有很大不同，促使他們?cè)趯?shí)驗(yàn)中培養(yǎng)認(rèn)真、細(xì)致嚴(yán)謹(jǐn)和負(fù)責(zé)的作風(fēng)。

依據(jù)實(shí)驗(yàn)方案和要求，學(xué)生對(duì)樣品全部進(jìn)行了定量測定，每個(gè)樣品平行測定3次，并對(duì)測定數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析和討論。

4 結(jié)果與討論

對(duì)所獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和討論，有助于提升學(xué)生的科學(xué)思維與邏輯能力。測定水稻秸稈主流組分纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。由表1可看出，不同地區(qū)水稻秸稈中主流組分的含量存在一定差別，但是我們更想知道這種差別是否是顯著性的，即地區(qū)因素是否給秸稈主流組分含量的分布帶來顯著性影響。為了弄清這個(gè)問題，我們讓學(xué)生采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方差分析對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以獲取數(shù)據(jù)背后隱藏的信息。取置信度α=0.05，計(jì)算檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量F值并進(jìn)行分析，從而可以推測福建地區(qū)不同地理與氣候條件對(duì)水稻秸稈組分可能帶來的影響。

(1) 閩西北邵武的樣品中纖維素含量最高。通過方差分析發(fā)現(xiàn)，邵武、三明、安溪的樣品纖維素含量與長汀、福州、壽寧的樣品纖維素含量存在顯著性差異；而三明與安溪之間、福州與壽寧之間沒有顯著性差異。從地域分布來看，則是從閩西北至閩東南貫穿閩中部地區(qū)一帶(如邵武、三明及安溪)樣品中的纖維素含量高；這一地帶的兩側(cè)地區(qū)(如閩東北的壽寧、福州及閩西南的長汀)樣品中的纖維素含量則較低。這可能反映了福建地區(qū)不同地理與氣候條件給水稻秸稈成分的差異帶來的一定影響。

(2) 6個(gè)不同采樣地區(qū)之間水稻秸稈半纖維素含量亦存在顯著性差異，但其區(qū)域性分布沒有呈現(xiàn)明顯的規(guī)律性。需要指出的是，與有關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道相比，本批次樣品檢測的含量偏低。對(duì)此需要做進(jìn)一步研究；在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中，樣品前處理不盡完善，如半纖維素水解不完全、或水浴加熱時(shí)還原糖未完全與堿性銅試劑反應(yīng)，都可能導(dǎo)致水稻秸稈中半纖維素含量測定偏低。實(shí)際上，無論半纖維素含量高低，我們獲取的真實(shí)半纖維素含量信息都將有助于對(duì)秸稈資源進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià)和利用。

(3) 閩西北邵武的中稻木質(zhì)素含量最高，閩東北長汀的早稻木質(zhì)素含量最低，前者的木質(zhì)素含量是后者的1.5倍以上。方差分析顯示，6個(gè)不同采樣地區(qū)之間水稻秸稈的木質(zhì)素含量存在顯著性差異。從閩西北至閩東南貫穿閩中部地區(qū)，如邵武、三明、福州及安溪，水稻秸稈的木質(zhì)素含量較高，這一地帶的兩側(cè)地區(qū)如閩東北的壽寧及閩西南的長汀，木質(zhì)素含量則較低。這一分布與纖維素含量的分布呈現(xiàn)出基本相同的特點(diǎn)。

表1 測定不同地區(qū)水稻秸稈纖維素、半纖維素、木質(zhì)素的含量

5 結(jié)論

利用化學(xué)人才培養(yǎng)基地這一平臺(tái)，我們引導(dǎo)和訓(xùn)練大學(xué)生很好地開展了科研創(chuàng)新實(shí)踐。依據(jù)福建的山地形貌及氣象等生態(tài)條件選取了6個(gè)有代表性的水稻秸稈采樣區(qū)，分析了福建地區(qū)水稻秸稈的主流組分及其地區(qū)分布特性。盡管所作分析僅針對(duì)有限的采樣批次，尚不具備普遍性，但我們期望對(duì)福建地區(qū)的水稻秸稈優(yōu)勢資源建立一個(gè)科學(xué)評(píng)價(jià)體系，并指導(dǎo)秸稈資源的科學(xué)、合理利用。至于更深入的評(píng)價(jià)則有賴于建立更豐富的采樣點(diǎn)和采樣年份的樣品數(shù)據(jù)庫。學(xué)生在科研訓(xùn)練中培養(yǎng)了更深的研究興趣，對(duì)本項(xiàng)目也有了更深入的思考，提出在已有工作的基礎(chǔ)上，深入考察福建地區(qū)不同水稻品種如汕優(yōu)63、汕優(yōu)64、馬協(xié)63、博優(yōu)等及其早稻、中稻和晚稻的秸稈資源中更多的物性參數(shù)(如總硅、可溶解硅、氮、秸稈透氣性、粉碎后分散性等)及其物性差異，從而為福建地區(qū)可再生利用的豐富水稻秸稈資源的高效利用提供更加科學(xué)的依據(jù)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 朱亞先,夏海平,袁友珠,等.大學(xué)化學(xué),2010,25(5):17

[2] 金強(qiáng),張紅漫,嚴(yán)立石,等.化學(xué)進(jìn)展,2010,22(4):654

[3] Sun X F,Sun R C,Fowler P,etal.CarbohydrPolym,2004,55(4):379

[4] 張強(qiáng),陸軍,侯霖,等.釀酒科技,2005,8(134):77

[5] Carrott S P J M,Carrott M M L R.BioresourTechnol,2007,98(12):2301

[6] Dizhbite T,Telysheva G,Jurkjane V,etal.BioresourTechnol,2004,95(3):309

[7] Ugartondo V,Mitjans M,Vinardell M P.BioresourTechnol,2004,99(14):6683

[8] Wu R L,Wang X L,Li F,etal.BioresourTechnol,2009,100(9):2569

[9] 湯葆莎,余德億,黃玉清.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2003,25:6

[10] 翁伯琦,廖建華,羅濤,等.中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2009,17(5):1007

[11] 沈恒勝,陳君深,倪德斌.中國農(nóng)業(yè)科學(xué),2001,34(6):672

[12] 賈敬華,金東青.環(huán)境保護(hù)科學(xué),2008,34(2):104

[13] 波欽諾克 X H.植物生物化學(xué)分析方法.鄭宗林譯.北京:科學(xué)出版社,1981

[14] 范鵬程,田靜,黃靜美,等. 重慶科技學(xué)院學(xué)報(bào),2008,10(5):64

[15] 熊素敏,左秀鳳,朱永義.糧食與飼料工業(yè),2005(5):40

[16] 佘冬立,王凱榮,謝小立,等.中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2008,16(1):100

[17] 季彪俊.福建水稻品種區(qū)試布點(diǎn)與統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)研究.福建農(nóng)林大學(xué)碩士學(xué)位論文,2001