“生物質(zhì)化學”實驗課程教學改革初探——以北京林業(yè)大學梁希實驗班為例

(北京林業(yè)大學材料科學與技術(shù)學院，北京 100083)

隨著全球變暖、環(huán)境惡化和化石資源日趨枯竭等問題的出現(xiàn)，以生物質(zhì)能源為主的環(huán)境友好、可再生的生物質(zhì)資源開發(fā)利用已引起世界各國政府和科學家的關(guān)注[1-2]。圍繞國家發(fā)展戰(zhàn)略和生態(tài)文明建設需求，近年來國內(nèi)很多農(nóng)林高校陸續(xù)新增了生物質(zhì)能源科學與工程專業(yè)。北京林業(yè)大學林產(chǎn)化學加工工程學科為國家“985”優(yōu)勢學科平臺建設學科，擁有“林業(yè)生物質(zhì)材料與能源教育部工程研究中心”及“林木生物質(zhì)化學北京市重點實驗室”。依托學科發(fā)展平臺和優(yōu)勢，為培養(yǎng)生物質(zhì)新能源科學與工程專業(yè)人才，北京林業(yè)大學林產(chǎn)化學加工工程學科先后增設了生物質(zhì)能源科學與工程專業(yè),并招收林產(chǎn)化工梁希實驗班。

“生物質(zhì)化學”理論和實驗課程是生物質(zhì)能源科學與工程專業(yè)和林產(chǎn)化工梁希實驗班的兩門主干課程，二者在生物質(zhì)能源科學與工程專業(yè)人才培養(yǎng)中起著承上啟下的作用[3]。中國化學工業(yè)出版社還專門出版了《生物質(zhì)化學分析技術(shù)》教材[4]。“生物質(zhì)化學”理論課程是研究生物質(zhì)原料中所有化學成分的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、分離提取利用的科學,是生物質(zhì)能源利用原理與技術(shù)、天然高分子材料與改性、天然產(chǎn)物結(jié)構(gòu)分析技術(shù)、制漿造紙工藝、木材保護與改性等內(nèi)容的理論基礎，是研究農(nóng)林生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為化學品、新材料和新能源不可或缺的科學。同時，“生物質(zhì)化學”實驗課程是一門實驗性非常強的課程。因此，只有將理論知識教學與實踐技能相結(jié)合，才能提高學生的動手創(chuàng)新能力，為學生后續(xù)專業(yè)課程的學習打下良好的基礎[5]。

一、“生物質(zhì)化學”實驗課程教學存在的問題

(一)與日本、美國高校相關(guān)實驗課程相比，實驗方法落后

國內(nèi)“生物質(zhì)化學”實驗課程對于生物質(zhì)資源所有化學組分的分析法均參考1995年修訂的造紙行業(yè)的國家標準，國內(nèi)對生物質(zhì)原料的測定方法全部是采用重量法進行分析。重量法的優(yōu)點在于對設備要求不高、投入少、操作簡單、實驗技能單一，但其實驗時間長、實驗結(jié)果準確性差，而且原料和試劑用量多、產(chǎn)生的酸性廢液量大。隨著現(xiàn)代儀器分析技術(shù)的不斷發(fā)展和廣泛應用，以及生物質(zhì)資源利用技術(shù)的蓬勃發(fā)展，美國國家可再生能源實驗室2005—2012年先后制定了一系列生物質(zhì)原料分析的國際標準，這些標準具有很高的權(quán)威性，已得到國際上各相關(guān)研究機構(gòu)的廣泛采用。日本有森林資源利用學科的大學都開設有“木材化學”理論和實驗課程[5]；美國紐約州立大學環(huán)境科學與林業(yè)學院造紙與生物工程系也開設有“木質(zhì)纖維素導論”理論和實驗課程。美國和日本高校“生物質(zhì)化學”實驗類課程中分析測試方法均參考這套標準。

國內(nèi)的該類實驗課程均采用傳統(tǒng)經(jīng)典化學分析法對木本植物資源生物結(jié)構(gòu)、化學組成進行化學成分含量的分析測定。國外則更強調(diào)采用現(xiàn)代儀器分析手段對生物質(zhì)資源主要化學成分進行精細結(jié)構(gòu)的解析，使實驗內(nèi)容更加全面、深入，分析測試方法更加多樣化。例如，對木材抽出物的測定，國內(nèi)由于學時有限，一般只選擇苯/乙醇有機溶劑抽提法；日本、美國高校則會用冷水、熱水、堿和有機溶劑分別進行抽提。另外，針對木質(zhì)資源利用專業(yè)的學生，日本高校在其本科三年級上學期還開設了48學時的“植物資源化學”實驗課程，進一步擴大了教學內(nèi)容的深度和廣度，著重培養(yǎng)學生運用現(xiàn)代儀器分析手段(如紅外光譜、X-衍射、核磁共振和液相色譜等)解析纖維素、半纖維素和木素的精細結(jié)構(gòu)和組成，使學生對木材中的纖維素、半纖維素和木素的化學結(jié)構(gòu)與性質(zhì)有全面、清晰和準確的認識。

(二)實驗室建設和管理有待完善

高校實驗室是進行實驗教學、開展科學研究的重要基地。一方面，各科研實驗室往往存在大型儀器設備重復建設、使用率低等問題；另一方面，本科生實驗教學經(jīng)費有限，無法購置大型儀器設備，嚴重制約了“生物質(zhì)化學”實驗課程教學質(zhì)量的提高和學生綜合能力的培養(yǎng)。如何平衡本科生教學實驗室和科研實驗室之間的關(guān)系，解決資源供需之間的矛盾是目前高校實驗室管理普遍存在的問題之一。

(三)實驗課的教學形式和考核方式單一

國內(nèi)“生物質(zhì)化學”實驗課程教學內(nèi)容陳舊、實驗類型單一，多以驗證性實驗為主，綜合性實驗及設計性實驗較少?！吧镔|(zhì)化學”實驗課程教學手段比較傳統(tǒng)，以教師講授、學生被動實驗為主，存在如下問題：學生人數(shù)多，實驗課教師很難提供個性化的指導意見，不能及時解決學生出現(xiàn)的問題；學生實驗報告數(shù)據(jù)處理相互抄襲，對實驗結(jié)果缺乏深入分析和討論，實驗報告同質(zhì)化現(xiàn)象嚴重。另外，實驗課程考核評價指標單一、模糊，其成績不能客觀、公正反映學生掌握該門實驗課程及實驗技能的真實水平。這些弊端非常不利于學生學習的主動性、積極性和創(chuàng)造性。

二、“生物質(zhì)化學”實驗課程教學改革的措施

新時代全國高等院校本科生教育工作會議提出，學生的實踐教育一直是高等院校本科生教育的突出短板，解決問題的關(guān)鍵靠協(xié)同、產(chǎn)學研結(jié)合。因此，筆者認為，只有加強理論知識教學與實踐相結(jié)合，加強實踐平臺的建設，才能解決目前北京林業(yè)大學木材科學與技術(shù)學院“生物質(zhì)化學”實驗課程存在的問題。

(一)推進教學大綱的修訂，完善實驗課程內(nèi)容

現(xiàn)有“生物質(zhì)化學”實驗課程教學內(nèi)容共包括木本植物資源生物結(jié)構(gòu)觀察，化學成分灰分、苯醇抽提物、纖維素、酸不溶木素、戊聚糖定量分析及非木質(zhì)資源淀粉含量的測定等12個實驗項目，共24學時。大部分實驗采用經(jīng)典化學分析方法，實驗時間都要超過12學時，盡管目前已采取每次2～3個實驗項目同時開展的教學方式，但教學學時仍然嚴重不足。

現(xiàn)有的教學內(nèi)容對生物質(zhì)資源中的結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量、組成及3大素(纖維素、半纖維素和木素)結(jié)構(gòu)的精細分析都不涉及，而這些恰恰是全面深度了解生物質(zhì)資源化學組成結(jié)構(gòu)的重要組成部分，是“生物質(zhì)化學”理論課程的難點和國外同類實驗課程的重點。因此，筆者建議在新一輪教學大綱的修訂過程中，參考借鑒國外的教學體系，增加相應的實驗教學內(nèi)容，使該實驗課程與理論課程緊密結(jié)合、教學與科研相結(jié)合，同時相應地增加實驗課程的總學時，將其調(diào)整為與理論課程相同的48學時。另外，應盡可能增加設計性、創(chuàng)新性實驗內(nèi)容，提升“生物質(zhì)化學”實驗課程的難度和深度，開拓學生的視野，培養(yǎng)學生牢固掌握世界前沿科技知識的能力及實踐、創(chuàng)新能力，為后續(xù)專業(yè)課程的學習、將來繼續(xù)深造、從事本專業(yè)工作打下扎實的基礎。

(二)改變傳統(tǒng)的教學形式，探索探究式、互動式教學

要使學生從被動接受知識的角色轉(zhuǎn)變?yōu)閷嵺`課程的主體，教師作為教學的組織者和實施者，在其中起著關(guān)鍵的引導作用[6]。在“生物質(zhì)化學”實驗課程中，筆者將北京林業(yè)大學材料科學與技術(shù)學院林產(chǎn)化學加工專業(yè)教師近十年來在生物質(zhì)資源轉(zhuǎn)化利用方面的研究課題和成果融入到教學當中，激發(fā)了學生的好奇心和探究欲，提高了學生學習的主動性和興趣。

1.采用探究式教學方法，開展創(chuàng)新性實驗

針對不同生物質(zhì)資源和不同實驗分析方法，筆者讓學生對不同生物質(zhì)資源和不同實驗分析方法進行對比研究，探究不同原料化學結(jié)構(gòu)和組成的異同點，分析不同實驗方法的優(yōu)缺點。

以南方松為原料，采用國標法和美國可再生能源實驗室(NREL)國際標準，對原料3大素(纖維素、半纖維素和木素)測定方法進行比較研究，以此作為“生物質(zhì)化學”實驗課程的創(chuàng)新性實驗。將全班分為7個小組，國標法小組采用重量法和容量法測定，全部使用常規(guī)實驗儀器；國際標準小組則借助林產(chǎn)化學加工專業(yè)公共分析測試平臺的大型儀器設備，采用重量法、液相色譜法和紫外分光光度法完成實驗測定。學生對比實驗過程和結(jié)果，深刻認識到國標法操作簡單，但耗時較長，各小組實驗結(jié)果誤差大；國際標準法高效精準、綠色環(huán)保，各小組實驗結(jié)果平行性好，操作技能要求高，動手實踐機會多。

2.采用互動式教學方法，開展設計性實驗

為保證實驗教學的質(zhì)量、提高實驗教學的效果，將教學內(nèi)容落到實處，筆者根據(jù)不同生物質(zhì)原料設計了組分分析理論值與實測值對照表，對每個實驗編寫了有針對性的預習思考題和設計性實驗任務指導書。課前，筆者布置學生查閱文獻資料，確定不同原料組分分析的理論值，對相關(guān)思考題和設計性實驗進行提前預習，并提交完整的實驗預習報告；課上，對當天的實驗內(nèi)容，筆者讓學生開展實驗報告的PPT匯報和討論，尤其要對不同原料的測定方法的差異性進行討論，使學生真正理解實驗原理和內(nèi)容。

對于設計性實驗，在實驗條件許可的情況下，筆者盡可能讓每位學生都能體會到自主設計、自我實踐的樂趣。在實驗結(jié)束后，筆者要求學生及時將實驗數(shù)據(jù)進行整理，并通過微信平臺上傳，同時再次組織學生對實驗數(shù)據(jù)進行可靠性分析，討論誤差產(chǎn)生的原因等，培養(yǎng)學生綜合分析問題、解決問題的能力。

(三)加強實驗室建設，打造資源共享的實踐教學平臺

在“生物質(zhì)化學”實驗課程教學上，提供先進的實驗條件和實驗內(nèi)容是培養(yǎng)高素質(zhì)具有創(chuàng)新精神專業(yè)人才的重要保證[7]。隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)代儀器分析技術(shù)在科研工作中發(fā)揮著越來越重要的作用，高校本科人才培養(yǎng)也應緊跟世界先進科學技術(shù)的潮流，努力改善本科生實驗環(huán)境與條件，逐步提升實驗室儀器設備的數(shù)量和先進性，加快培養(yǎng)適應和引領新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的卓越工程科技人才。

近幾年北京林業(yè)大學利用中央高校改善基本辦學條件專項資金，購置了用于本科生教學的實驗室設備。林產(chǎn)化學加工專業(yè)公共分析測試平臺購置了氣相色譜、液相色譜、紫外和紅外等現(xiàn)代分析儀器；專業(yè)實驗室配置了核磁共振、氣質(zhì)聯(lián)用和熱重分析儀等設備，這些儀器設備過去主要用于教師、研究生或大四本科畢業(yè)生的科研工作?，F(xiàn)在，學校加大公共分析測試平臺的開放力度，建立了“學校、學院、系、專業(yè)”4級大型儀器設備開放共享的平臺。平臺管理人員提前對本科生進行相關(guān)大型分析儀器操作規(guī)范標準培訓，考試合格的部分優(yōu)秀本科生可享受預約使用的權(quán)限，目的是讓他們盡早接觸現(xiàn)代分析儀器，熟悉其操作流程和規(guī)范，為其后續(xù)專業(yè)課程的學習和專業(yè)素質(zhì)培養(yǎng)打下良好的基礎。

(四)創(chuàng)新實驗課成績評價方法，注重實驗過程管理，提升學生綜合素質(zhì)

以前學生的實驗課成績由學生的實驗報告成績決定?，F(xiàn)在，筆者采取30%閉卷考試成績+20%平時成績+50%實驗報告成績?yōu)橐惑w的多元成績評價體系，注重對學生的實驗過程進行考核。平時成績包括課前學生對思考題和設計性報告的預習情況、出勤情況、課堂匯報討論的參與情況；實驗報告成績主要包括實驗報告撰寫的規(guī)范性，如引言、實驗原理、實驗步驟、數(shù)據(jù)記錄與處理、分析討論、結(jié)論和參考文獻等7個部分，以及學生對實驗數(shù)據(jù)進行處理和分析的能力。

三、“生物質(zhì)化學”實驗課程教學改革的成效

近年來，筆者對梁希實驗班“生物質(zhì)化學”實驗課程教學進行了改革與探索，開設了創(chuàng)新性實驗和設計性實驗，提升了該課程的難度和深度。創(chuàng)新性實驗的開設，開拓了學生科研視野，提高了學生綜合實踐能力及創(chuàng)新實踐能力，培養(yǎng)了學生的科研興趣；設計性實驗的開設，保證了實驗教學的質(zhì)量，提高了實驗教學的效果，將教學內(nèi)容落到了實處。

通過改變傳統(tǒng)教學形式，筆者開展了探究、互動的教學活動，將科研課題與實驗教學高度融合，激發(fā)了學生的好奇心和探究欲，使學生學習的興趣和動力提高。

另外，建立的“學校、學院、系、專業(yè)”4級大型儀器設備開放共享平臺使部分本科生在二年級或三年級就參加了相關(guān)大型儀器設備操作規(guī)范、標準的培訓，掌握了大型儀器的使用、操作原理和數(shù)據(jù)分析方法，培養(yǎng)了學生綜合實踐能力，提高了學生的專業(yè)素質(zhì)。近3年來，林產(chǎn)化學加工專業(yè)本科生完成大學生創(chuàng)新計劃項目16項，本科生發(fā)表相關(guān)國際期刊論文5篇、中文核心期刊論文9篇。