植物纖維化學課程實驗的思考與改革

王 堃 蔣建新 朱莉偉 孫潤倉

北京林業大學材料科學與技術學院 北京 100083

根據《國家中長期教育改革和發展規劃綱要(2010-2020年)》，高等教育應優化結構辦出特色并重點擴大應用型、復合型、技能型人才的培養規模。我校作為我國林業和生態環境領域高等院校的排頭兵，正全面進入向研究型大學發展的轉型期。學校正逐步深化6項改革(教學科研、學科管理、人事制度、內部治理結構、產學研合作、大學文化)，以創新人才培養為根本，以學科建設為龍頭，以實際人才建設為突破，以體制機制改革為動力，以辦學條件建設為支撐，向建設“國際知名、特色鮮明、高水平研究型大學”的目標邁進[1]。倡導素質教育和創新人才的培養，逐步構建以個性和創新原則為核心的教學新理念已成為我校建設和發展的重要指導思想，并將貫穿于大學生培養的每個教學階段[2]。

1 實驗教學在植物纖維化學課程中的重要性

植物纖維化學作為我校國家級特色專業—林產化工的一門重要的專業基礎課，主要研究木質纖維原料的生物結構及其所含各組分，特別是纖維素、半纖維素和木素3種主要組分的化學組成、化學結構、物理和化學性質[3]。隨著石油、天然氣、煤炭等不可再生的化石能源的日益枯竭，各國掀起了生物質資源利用研究的熱潮。林木生物質作為其中一種重要的可再生資源，可通過化學和生物加工產生具有高附加值的化工中間體、精細化學品、材料和能源，從而緩解化石能源危機，減少溫室氣體排放，促進社會可持續發展[4]。前國務院副總理李嵐清同志曾指出“大學本科的教育重點在于教好基礎課和專業基礎課，要使學生知識面寬一些，為學生今后的學習和發展打下一個好基礎”[5]。作為一門理論性和實踐性均較強的課程，植物纖維化學涉及諸多基礎理論知識，包括植物學、儀器分析、有機化學、物理化學等，同時涵蓋了林產化工的紙漿造紙、香料與色素、松香松節油、天然高分子等眾多專業領域，是培養該學科創新型人才最重要的基礎課程。作為創新型、應用型人才培養環節，實驗教學在培養學生“知行統一”方面起著重要的作用。通過植物纖維化學的實驗教學，不僅能使學生加深對基本理論的理解，熟練掌握實驗方法及基本操作技能，而且激發了學生的學習興趣，培養其觀察、分析和解決問題的能力，養成嚴謹、細致、實事求是的科學態度，它是提高學生實踐能力、創新意識和創新思維的重要手段。

實驗教學是教學體系的重要組成部分，是一個系統工程。不同于理論課的講授，實驗教學是以學生為主體，學生在教師的指導下動手完成教學內容，并通過教師的引導和啟發來分析和解決實驗過程中出現的不同現象和問題。由于個體差異，即便使用同樣的原料、試劑和操作指南，實驗過程和結果都可能不同，這也就促進了大學生通過對實驗結果的對比、分析，對實驗過程中的現象和問題進行深入、全面的思考，提出可能的影響因素及解決問題的思路。它打破了理論課程統一計劃、統一模式、同一標準、批量生產的教學模式，是現階段教學過程中最有條件、最容易培養綜合能力的教學環節。同時，實驗教學過程中學生和教師的互動交流，使學生逐步學習到教師分析、解決問題的思維模式和應對方法，獲得潛移默化的影響，接受到無法用言語表達的源自實踐活動的默會知識[6]。

在當今的知識經濟時代，教師的工作應該實現由“教書”向“育人”轉變，從“教會知識”向使學生“學會學習”，使學生的學習從“接受”向“創造”轉變，實現經驗型教師向研究型教師的轉變，真正落實“以人為本”的教育方針[7]。這就要求教師不僅要系統掌握所教課程的基礎知識，還要具備研究問題的素養和能力，善于把研究與教學實踐結合起來。實驗教學所需要的創造性和探究性能力，可以作為提高教師研究素養的一條有效途徑。對于林產化學加工工程這門學科，利用林木生物質基原料研發生產材料、能源及化學品是當今世界各國研究的熱點領域，是緩解化石能源危機、優化能源結構、減少溫室氣體排放、保護生態環境和促進社會可持續發展的重要舉措。因此，從事相關領域教學工作的教師應抓住這一契機，努力提升自身科研水平，利用我國豐富的林木生物質資源，為促進我國生物基產品產業發展貢獻自己的力量。

2 目前實驗教學存在的問題

2.1 實驗室建設投入的不足

高校實驗室是進行實驗教學，開展科學研究的重要基地，但是各個專業實驗室往往存在著實驗經費短缺、儀器設備老化、設施落后等現象，嚴重影響了實驗教學質量的提高和學生綜合能力的培養。例如，木質纖維原料基本成分中木質素含量的測定包括酸不溶和酸溶木質素兩個部分，酸溶木質素的測定需要使用紫外分光光度計，而酸溶木質素含量測定的內容并沒有列入傳統實驗講義中。另外，采用硫酸水解法測定酸不溶木質素含量的同時，纖維素和半纖維素降解成單糖溶解于水解液中，通過高效液相色譜或離子色譜分析可測定其單糖的組成及含量，進而可以分析得到纖維素組分的含量和半纖維素組分的組成及含量，也是對原有實驗中α纖維素和聚戊糖含量測定的進一步驗證(見表1)。由于經費有限，林化實驗室沒有購進現代化的分析儀器，此分析方法在實驗講義中也未予以考慮。

表1 實驗內容開設比較表

實驗室師資隊伍的建設直接關系到實驗教學質量和實驗水平。林產化工專業的指導教師不僅要熟悉木材成分、松香松脂、植物精油、活性炭等專業知識，還需具備有機化學、高分子化學、分析化學等基礎理論知識，具有較強的綜合知識能力。因此，實驗教師崗位的配備和專業技能的培訓極其重要。目前我院嚴重缺少實驗指導教師，每位教師通常身兼儀器采購、實驗準備和實驗教學等數職，工作壓力較大。對于驗證型實驗來說，一位指導教師指導十余位學生還能基本完成，但是對于具有專業性和創新性的研究型實驗，則是不可能完成的任務。

2.2 對實驗教學在創新教育中的重要性認識不夠

在當前的實驗教學過程中，教學內容和編排體系與理論教材相匹配，以基本操作能力的訓練以及對理論教學中結論和方法的驗證為目的，這就導致了實驗課程體系中內容陳舊，重復性內容較多，而先進性、綜合性、實用性、探究性內容體現不足。傳統的實驗教學多以講解、實驗操作、撰寫實驗報告為主，大多數學生只是將實驗操作作為一門輔助課程，不用思考實驗目的和過程，而是照著實驗講義“依葫蘆畫瓢”，為了完成課程要求而上實驗課，敷衍了事。在林產化學專業課實驗內容中，稱量、配制標準溶液、滴定、恒重等基本實驗操作較多，雖然在反復的實驗過程中培養了學生熟練的實驗操作技能，但實驗內容過于簡單煩瑣，不能激發學生的學習興趣。實驗教學學時短，要在16學時內要完成10余個實驗，難以保證實驗教學的質量以及對學生的針對性培養。

3 實驗教學改革的思路

3.1 改變傳統教學模式，調整實驗教學內容

“授人以魚，不如授人以漁?！苯虒W的目的不僅僅是將理論知識傳授給學生，更重要的是使學生學會獲得知識的途徑和方法，同時具備提出問題、分析問題和解決問題的能力，正如美國著名學者布魯巴克提出的“最精湛的教學藝術，遵循的最高標準就是讓學生自己提問題”[8]。將傳統教學中以教師為主體的填鴨式教學模式轉變為以學生為主體的啟發式教學模式，強調教與學的互動性，調動學生的學習興趣和創新欲望。同時，合理安排實驗教學內容，采用新型的實驗分析方法，激發學生的學習熱情。在植物纖維化學實驗教學中，木材原料的全組分分析是核心內容，而含水率的測定結果關系到后續總纖維素、纖維素和木質素含量的測定，而測定過程僅是將樣品在烘箱中反復恒重，實驗耗時長、枯燥乏味，但是不可或缺?？梢钥紤]購置水分測定儀迅速測定原料的含水率，既減少了原料消耗又節省了時間，從而可以安排更多的實驗內容，同時使學生學習使用先進儀器，激發學生的學習興趣，培養學生的動手能力。再如木材原料的冷水、熱水和堿溶液抽提物含量的測定，操作方法和測定原理相同，可以在實驗中分小組同時進行，避免了實驗過程中的重復性勞動，壓縮了時間。同時增加實驗教學環節的實驗學時，相當于理論課時的1/2甚至2/3以上，以便更好地安排創新型實驗。

3.2 開發綜合型、設計型實驗，嘗試開放教學

植物纖維化學是林產化工專業學生進入專業課程學習的基礎，因此要求學生在掌握有關實驗技能和原理的同時，更應該培養學生的專業素質，使其能夠運用理論知識解決遇到的實際問題。傳統的植物纖維化學實驗中驗證型實驗比例較大，不利于學生實驗技能的提高和創新思維的培養。因此，可以設置一些綜合型、開放型的實驗，在實驗課前給學生提出問題，促使學生主動查閱相關文獻資料，分小組自行設計實驗方案，在實驗過程中發現問題并解決問題，讓學生掌握實驗的整體設計思想，逐漸形成科學的思維方式。例如，木材原料的冷水、熱水抽提物含量的差別主要在什么成分上？主要的化學組成又有什么不同？可以讓學生關注傳統實驗中廢棄的液體樣品，進而設計不同的溶質回收方法并進行分析鑒定，延續性地學習半纖維素的相關知識。通過對半纖維素在工業及食品領域應用的了解，激發學生新的學習興趣點，甚至引領學生進入該領域從事相關工作。所以，綜合型、設計型實驗的開發對培養學生創新能力具有理論課程難以比擬的優勢，可以為學生實現構想提供條件，為吸引學生進入該領域學習、工作奠定基礎。

此外，積極嘗試開放式教學，鼓勵學生進行自主實驗，探究自己關注的專業問題，使學生在真正的科研氛圍中發揮創造性。針對學生在理論課程學習中提出的問題，教師應引導學生積極思考并提出合理的實驗檢驗方法，通過交流探討檢驗學生思維的科學性和邏輯性，并最終設計出可行的實驗方案。在實驗過程中強化學生自主認識和操作儀器的能力，提高解決問題的綜合素質以適應工作崗位對全方位能力的要求，增強學生的職業技能，縮短學生適應工作環境的時間。同時利用學校大學生課外科技創新基金的支持，鼓勵學生及早參與課外科研訓練活動，在科研實踐中激發學生學習的主動性。

3.3 結合科研課題和社會需求，進行研究性實驗教學

教育部在《關于進一步加強高等學校本科教學工作的若干意見》中指出：“積極推動研究性教學，提高大學生的創新能力”。研究性教學作為一種新的教學觀，將教師的研究性實驗教學與學生的研究性實驗學習有機結合，培養學生獨立研究的能力，提高學生的綜合素質和社會競爭力。將實際生產和科研項目中的問題引入實驗教學，以理解現實為目的，對理論教學中感興趣的問題進行闡釋、實踐和創新。在木材組分分析實驗中，我們使用生產廠家實際使用的原料做實驗，既滿足了實際的測量需要，又使學生的實驗活動貼近現實，提高學生的責任心和興趣。另外，可將教師的科研項目引入實驗教學中，使學生能夠了解前沿的科學問題，激發學生的創造力，為進一步培養科研能力打下良好基礎，通過開展科研工作為社會創造效益，具體研究性實驗見表1。

4 結束語

植物纖維化學是當前科學研究的熱點方向，處于不斷的發展進步中，新的基礎理論和實驗方法也在不斷地改進完善過程中。在教學內容、教學體系、教學方法和手段及管理體系方面進行改革，通過增加實驗學時和實驗經費投入，改進傳統實驗內容和方法，結合現代分析儀器，提高實驗教學效率。通過植物纖維化學實驗課程提高學生的創新能力，順應素質教育和應用型人才培養的需要，是林產化工專業實驗教學過程中值得長期關注和研究的問題。

[1] 宋維明.堅持特色發展 建設高水平研究型大學[J].中國高?？萍?2011(8):10-11.

[2] 陳至立.在教育部直屬高校工作咨詢委員會第十六次全體會議上的講話[J].中國高等教育,2006,Z1:4-8.

[3] 楊淑蕙.植物纖維化學:第三版[M].北京:中國輕工業出版社,2006.

[4] 蔣建新,殷寧,孫潤倉.林產化學加工工程教育與生物質產業的發展[J].高等農業教育,2008(6):61-63.

[5] 李嵐清.李嵐清教育訪談錄[M].北京:人民教育出版社,2003.

[6] 郁振華.波蘭尼的默會知識論[J].自然辯證法研究,2001(17):5-10.

[7] 陸有銓.時代呼喚研究型教師[J].杭州師范學院學報:人文社會科學版,2002(1):98-104.

[8] 徐海偉,高珊珊,李永紅,鄭甲信.實驗教學與大學生創新能力培養[J].中國中醫藥現代遠程教育,2011(9):22-23.