基于問題導向的農業物料工程特性實驗課教學探索

肖衛華，巨朝陽，楊增玲，劉 賢，黃光群，韓魯佳

(中國農業大學工學院，北京 100083)

0 引言

近日，隨著國家發展策略逐漸由勞動密集型向技術創新型轉型，對創新型人才的需求日益增大，創新能力的競爭在人才競爭中發揮著重要作用[1]。因此，在高等教育體系中需要重點把握和培養學生思考、探索問題的能力，而不是缺乏創新、照搬書本。作為國家高等教育的重要板塊，研究生教育已成為國家創新體系中的重要核心部分。以“探究精神為核心”的美式研究生高等教育體系中，有著諸多可借鑒的優點，其教育指導思想原則可基本概括為對發展創造性知識的探索，重視學生想象力的教學方式和最終服務于社會的基本理念3個方面，其優良的培育模式培養了大批優秀的創新型人才[2]。隨著國家對研究生及以上學歷的不斷擴招，高層次人才創新能力的培養直接關系到我國對創新型國家建設的步伐，科技創新作為“卡脖子”的重要發展模式，已成為研究生教育體系的重中之重。其中創新能力的培養與研究生專業課程設置及優化改革教學內容、方法、體系等直接相關。在建立與積極探索符合當前時代發展與需求的教學內容、課程體系的同時，應當圍繞把實踐教學與教學模式改革等環節置于高等教育的核心位置。

自2012年起，由中國農業大學開始實施的研究生綜合教育體制改革，提出了“樹立科學的質量觀，針對碩士研究生教育應強化實踐能力，以培養應用型人才為主；在博士研究生教育體系中應重點突出創新能力的培養，以培養學術型人才為主”的改革新思路[3]。作為中國農業大學的重點優勢及“雙一流”建設學科之一，農業工程專業旨在利用現代化技術手段和先進技術方法，以滿足社會需求為重要目標，在農業工程領域培養出具備堅實寬廣專業知識、掌握解決工程問題的高層次創新人才[4]。根據學科特點和社會發展需求，開展了一系列研究生課程教學改革，通過修訂培養方案，強化對研究生工科實踐能力和創新能力的培養，建立了新的研究生課程體系。考慮到實驗課程教學無論在研究能力的培養還是創新意識培養方面的重要作用，以及農業物料特性在農業工程相關研究的重要性，學校新開設了面向農業工程專業研究生的“農業物料工程特性實驗”課程，以加強工科實踐能力的培養，更好地解決國家社會對高層次創新型人才的需求現狀。

在理工科類研究生的培養教育體系中，實驗教學尤為重要，搭建科學合理的實驗教學模式及制定最終的學習考核方式，對激發學生的創新精神，培養調動學生學習的積極主動性，以及學生的實踐能力、科學思維方式均十分關鍵。

1 農業物料工程特性實驗簡介

農業物料主要包括動物、植物及其衍生加工出的成品、半成品等農產物料[5-6]。農業物料的種類不同，其機械特性、理化特性等也有較大差異[6-8]。為了研究農業物料的基本工程特征，農業物料工程特性實驗主要是針對農業物料的微觀結構、組成成分、元素分析和工業分析等特性所進行的各種實驗。其實驗結果可為農業物料的生產、采集、儲存和質量檢測等提供基本的工程數據[9-10]。我國擁有豐富的農業物料秸稈資源，木質纖維素為植物體中的主要組成成分，研究農作物秸稈的理化特性對生物質資源轉化與利用有著重要意義[11]。本實驗教學課程主要以典型農業物料秸稈為主題，通過掃描電鏡、原子力顯微鏡和紅外光譜等手段對農作物秸稈進行微觀結構觀察。木質纖維素主要由纖維素、半纖維素和木質素組成，其主要元素包括碳、氫、氧和氮等，研究其組成成分可以為轉化高附加值化學品奠定基礎[12-13]。因此，對其組成成分包括纖維素、半纖維素、木質素和蛋白含量進行測定，再對秸稈中碳、氫、氮、氧和硫等基本元素進行進一步分析測定，最后為農作物秸稈的工業分析，其中包括揮發分、固定碳、水分和灰分等組成，整個實驗以農業物料的理化特性表征分析貫穿始終。

2 教學現狀

傳統的實驗課程一般參照本科實驗教學模式，課前進行講授實驗規程、實驗環節學生重現實驗指導書的授課模式，學生只需要機械式照搬實驗指導重現實驗過程得出相關數據即可，忽略了研究生主體的理論基礎和主觀能動性，缺乏培養研究生獨立思考和創新意識的能力，因此這樣的教學模式無法保障授課知識的系統性，無法充分調動學生運用知識和利用實驗技能解決科研問題的積極性[14]。只注重書本知識、教學內容單一將導致學生創新能力差、知識面窄等問題，“填鴨式”教學不但無法提高教學質量，反而抑制學生的創造天賦及學習興趣[15]。無法通過實驗環節培養學生的分析問題、解決問題的能力，進而無從培養學生的創造性思維。

研究生實驗課程大都基于相關科研平臺儀器設備條件，由于實驗設備精密、價格昂貴，無法實現每位學生批量次的實驗，因此一般需要采用分組實驗的形式完成教學。在分組實驗中體現的團隊合作能力也是工科實踐能力培養的重要方面之一，傳統實驗報告的形式考核了學生的成績水平，不僅無法體現不同成員在團隊中的貢獻和作用，甚至還會出現互相抄襲的問題。

課程考核標準不夠合理，考核方式不能有效調動研究生的創新能力和主動性[16]。由于學生組數眾多，平時考核力度不夠，并且實驗報告存在抄襲現象，其不能真實反映學生的實驗水平及能力。因此，在現有的實驗教學體系下進行改革，制定新的實驗課程教學方案，對傳統的教學環節、考核方式等進行改革將有利于培養善于思考、實踐能力強的研究生，實現高水平教學體系。

3 基于問題導向的實驗課程新模式

由于傳統農業物料工程特性實驗教學存在諸多缺點，在高校實驗教學中需要突破傳統教學模式束縛，對實驗教學進行改革。結合中國農業大學工學院生物質資源利用工程實驗室優質的團隊平臺建設，提出了基于問題導向的實驗課程新模式，其主要包括4個方面：實驗預習、理論教學、實驗教學和課程考核。首先，由指導教師布置農業工程領域相關熱點研究問題，研究生通過查閱相關文獻、資料等進行實驗預習。其次，由指導教師介紹相關實驗方法及原理，進行理論方面的學習。再次，根據研究生未來的科研問題為導向注重團隊合作的方式進行實踐教學，重點培養研究生的創新性思維模式及團隊合作精神。最后，由團隊小組共同撰寫報告論文，采用團隊互評的方式綜合考核。通過開展這4個教學板塊，可建立基于問題導向的實驗課程新模式(圖1)。

圖1 基于問題導向實驗課程新模式Fig.1 A new model of problem-oriented experimental curriculum

3.1 實驗預習

基于問題為導向的教學方式改革，要求學生在實驗課前進行預習，并對實驗方法、問題背景提前進行深入了解，提前掌握實驗的原理、研究內容及各實驗操作過程之間的相互關系。同時，為了更好地達到此培養目的，教師提前準備一定數量的相關思考問題，通過對資料和相關文獻的查詢，學生提前并完成這些思考問題。

3.2 理論教學

為了檢查學生的預習情況，采用同學討論和教師提問的方式進行，讓學生可以充分展示自己查閱結果和預習效果，培養了學生語言表達能力并增強心理素質，此時教師主要發揮對問題進行引導和補充的作用。同時，為了增加實驗課程的趣味性，激發研究生對實驗的興趣，可以介紹農業工程領域相關實驗方法發展史及結合最新前沿相關研究，實驗方法及設計思路需要在實驗介紹中重點講解，詳細解釋此實驗的目的、作用及對現實科學研究的影響及意義。要著重培養研究生分析解決問題的能力及科學的思維方式。重點針對實驗方法的理論系統進行講解，實現縱向深度挖掘，同時對不同實驗方法的優劣及適用性進行橫向拓展和進一步探討，以幫助研究生在深入理解實驗原理的前提下，為科學研究實驗方法和科學選擇等奠定堅實的理論基礎，實現對研究生實驗課程理論教學部分的進一步拓展。

3.3 實驗教學

以科研實例，解決實際問題為目的進行實驗教學，要求以研究生自身為主體，將實驗內容置于實際案例情境中，在學習過程質疑問難、有意創設問題情境，利用小組協作和討論的形式，通過自主查閱與討論合作等方式來解決科研實際問題。圍繞農業物料工程特性的各個方面，引導、激發學生的探索性思維及各項實驗活動。在基礎實驗能力與科研問題之間建立相關有效的聯系，引導學生關注農業物料基礎特性。以科研問題為導向性教學實驗內容可取自產業和科研需求，對于學生來講，基于此類問題開展實驗學習或許有一定的難度和挑戰性，但卻可以大幅度調動研究生的學習動力及專業興趣，進而鍛煉自主查閱相關材料，獨立設計實驗方案，培養創新性思維，進一步優化實驗條件，最終完成農業物料工程特性相關實驗內容及任務，并且可以有效培養研究生獨立自主學習能力、終身學習的意識，以及開發學生的創新、創造能力。學生通過合理地分工與團隊協作，實現小組任務目標，不僅可以有效提升實驗技能和解決科研相關問題的能力，而且通過這種以科研實例為導向的教學模式可充分調動學生的學習積極性，激發學生潛在的創造性。

3.4 課程考核

在一系列農業物料工程特性實驗學習結束之后，以小組為整體通過學術論文的形式，交一份完整的報告。在掃描電鏡、原子力顯微鏡和紅外光譜等系列實驗的最后一次，進行課堂中總結與討論，通過對實驗過程中遇到的問題及解決的方法進一步探討，總結整個實驗課程的收獲和體會。在考核環節不僅考察了各組學生知識運用和實踐操作能力，同時通過小組成員內部進行互相評分，以及教師根據平時課堂表現給每位同學打分，結合最終小組實驗報告結果進行綜合評分，既考核了學生的動手實踐能力，又考察了學生的團隊合作精神，實現了考核目標的多元化和立體化效果。

4 結束語

以科學研究課題相結合的農業物料工程特性實驗增加了實驗技術教學的多樣性、實用性及趣味性，并且教學團隊積極踐行以問題為導向的教學模式，在學習基本農業物料相關分析方法理論基礎上，以“學生實踐能力的培養”為中心，努力培養、訓練學生熟練掌握實驗操作技能，開發學生的實驗創新能力，針對未來研究課題中將要面臨的實驗手段進行講授，積極引導學生根據實際研究需要開發實驗分析方法的能力，為研究生后期的學術研究奠定扎實的理論及實踐基礎，同時研究生在學習農業物料工程特性實驗期間獲得良好的教學效果。