植物纤维化学课程实验的思考与改革

王 堃 蒋建新 朱莉伟 孙润仓

北京林业大学材料科学与技术学院 北京 100083

根据《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010-2020年)》，高等教育应优化结构办出特色并重点扩大应用型、复合型、技能型人才的培养规模。我校作为我国林业和生态环境领域高等院校的排头兵，正全面进入向研究型大学发展的转型期。学校正逐步深化6项改革(教学科研、学科管理、人事制度、内部治理结构、产学研合作、大学文化)，以创新人才培养为根本，以学科建设为龙头，以实际人才建设为突破，以体制机制改革为动力，以办学条件建设为支撑，向建设“国际知名、特色鲜明、高水平研究型大学”的目标迈进[1]。倡导素质教育和创新人才的培养，逐步构建以个性和创新原则为核心的教学新理念已成为我校建设和发展的重要指导思想，并将贯穿于大学生培养的每个教学阶段[2]。

1 实验教学在植物纤维化学课程中的重要性

植物纤维化学作为我校国家级特色专业—林产化工的一门重要的专业基础课，主要研究木质纤维原料的生物结构及其所含各组分，特别是纤维素、半纤维素和木素3种主要组分的化学组成、化学结构、物理和化学性质[3]。随着石油、天然气、煤炭等不可再生的化石能源的日益枯竭，各国掀起了生物质资源利用研究的热潮。林木生物质作为其中一种重要的可再生资源，可通过化学和生物加工产生具有高附加值的化工中间体、精细化学品、材料和能源，从而缓解化石能源危机，减少温室气体排放，促进社会可持续发展[4]。前国务院副总理李岚清同志曾指出“大学本科的教育重点在于教好基础课和专业基础课，要使学生知识面宽一些，为学生今后的学习和发展打下一个好基础”[5]。作为一门理论性和实践性均较强的课程，植物纤维化学涉及诸多基础理论知识，包括植物学、仪器分析、有机化学、物理化学等，同时涵盖了林产化工的纸浆造纸、香料与色素、松香松节油、天然高分子等众多专业领域，是培养该学科创新型人才最重要的基础课程。作为创新型、应用型人才培养环节，实验教学在培养学生“知行统一”方面起着重要的作用。通过植物纤维化学的实验教学，不仅能使学生加深对基本理论的理解，熟练掌握实验方法及基本操作技能，而且激发了学生的学习兴趣，培养其观察、分析和解决问题的能力，养成严谨、细致、实事求是的科学态度，它是提高学生实践能力、创新意识和创新思维的重要手段。

实验教学是教学体系的重要组成部分，是一个系统工程。不同于理论课的讲授，实验教学是以学生为主体，学生在教师的指导下动手完成教学内容，并通过教师的引导和启发来分析和解决实验过程中出现的不同现象和问题。由于个体差异，即便使用同样的原料、试剂和操作指南，实验过程和结果都可能不同，这也就促进了大学生通过对实验结果的对比、分析，对实验过程中的现象和问题进行深入、全面的思考，提出可能的影响因素及解决问题的思路。它打破了理论课程统一计划、统一模式、同一标准、批量生产的教学模式，是现阶段教学过程中最有条件、最容易培养综合能力的教学环节。同时，实验教学过程中学生和教师的互动交流，使学生逐步学习到教师分析、解决问题的思维模式和应对方法，获得潜移默化的影响，接受到无法用言语表达的源自实践活动的默会知识[6]。

在当今的知识经济时代，教师的工作应该实现由“教书”向“育人”转变，从“教会知识”向使学生“学会学习”，使学生的学习从“接受”向“创造”转变，实现经验型教师向研究型教师的转变，真正落实“以人为本”的教育方针[7]。这就要求教师不仅要系统掌握所教课程的基础知识，还要具备研究问题的素养和能力，善于把研究与教学实践结合起来。实验教学所需要的创造性和探究性能力，可以作为提高教师研究素养的一条有效途径。对于林产化学加工工程这门学科，利用林木生物质基原料研发生产材料、能源及化学品是当今世界各国研究的热点领域，是缓解化石能源危机、优化能源结构、减少温室气体排放、保护生态环境和促进社会可持续发展的重要举措。因此，从事相关领域教学工作的教师应抓住这一契机，努力提升自身科研水平，利用我国丰富的林木生物质资源，为促进我国生物基产品产业发展贡献自己的力量。

2 目前实验教学存在的问题

2.1 实验室建设投入的不足

高校实验室是进行实验教学，开展科学研究的重要基地，但是各个专业实验室往往存在着实验经费短缺、仪器设备老化、设施落后等现象，严重影响了实验教学质量的提高和学生综合能力的培养。例如，木质纤维原料基本成分中木质素含量的测定包括酸不溶和酸溶木质素两个部分，酸溶木质素的测定需要使用紫外分光光度计，而酸溶木质素含量测定的内容并没有列入传统实验讲义中。另外，采用硫酸水解法测定酸不溶木质素含量的同时，纤维素和半纤维素降解成单糖溶解于水解液中，通过高效液相色谱或离子色谱分析可测定其单糖的组成及含量，进而可以分析得到纤维素组分的含量和半纤维素组分的组成及含量，也是对原有实验中α纤维素和聚戊糖含量测定的进一步验证(见表1)。由于经费有限，林化实验室没有购进现代化的分析仪器，此分析方法在实验讲义中也未予以考虑。

表1 实验内容开设比较表

实验室师资队伍的建设直接关系到实验教学质量和实验水平。林产化工专业的指导教师不仅要熟悉木材成分、松香松脂、植物精油、活性炭等专业知识，还需具备有机化学、高分子化学、分析化学等基础理论知识，具有较强的综合知识能力。因此，实验教师岗位的配备和专业技能的培训极其重要。目前我院严重缺少实验指导教师，每位教师通常身兼仪器采购、实验准备和实验教学等数职，工作压力较大。对于验证型实验来说，一位指导教师指导十余位学生还能基本完成，但是对于具有专业性和创新性的研究型实验，则是不可能完成的任务。

2.2 对实验教学在创新教育中的重要性认识不够

在当前的实验教学过程中，教学内容和编排体系与理论教材相匹配，以基本操作能力的训练以及对理论教学中结论和方法的验证为目的，这就导致了实验课程体系中内容陈旧，重复性内容较多，而先进性、综合性、实用性、探究性内容体现不足。传统的实验教学多以讲解、实验操作、撰写实验报告为主，大多数学生只是将实验操作作为一门辅助课程，不用思考实验目的和过程，而是照着实验讲义“依葫芦画瓢”，为了完成课程要求而上实验课，敷衍了事。在林产化学专业课实验内容中，称量、配制标准溶液、滴定、恒重等基本实验操作较多，虽然在反复的实验过程中培养了学生熟练的实验操作技能，但实验内容过于简单烦琐，不能激发学生的学习兴趣。实验教学学时短，要在16学时内要完成10余个实验，难以保证实验教学的质量以及对学生的针对性培养。

3 实验教学改革的思路

3.1 改变传统教学模式，调整实验教学内容

“授人以鱼，不如授人以渔。”教学的目的不仅仅是将理论知识传授给学生，更重要的是使学生学会获得知识的途径和方法，同时具备提出问题、分析问题和解决问题的能力，正如美国著名学者布鲁巴克提出的“最精湛的教学艺术，遵循的最高标准就是让学生自己提问题”[8]。将传统教学中以教师为主体的填鸭式教学模式转变为以学生为主体的启发式教学模式，强调教与学的互动性，调动学生的学习兴趣和创新欲望。同时，合理安排实验教学内容，采用新型的实验分析方法，激发学生的学习热情。在植物纤维化学实验教学中，木材原料的全组分分析是核心内容，而含水率的测定结果关系到后续总纤维素、纤维素和木质素含量的测定，而测定过程仅是将样品在烘箱中反复恒重，实验耗时长、枯燥乏味，但是不可或缺。可以考虑购置水分测定仪迅速测定原料的含水率，既减少了原料消耗又节省了时间，从而可以安排更多的实验内容，同时使学生学习使用先进仪器，激发学生的学习兴趣，培养学生的动手能力。再如木材原料的冷水、热水和碱溶液抽提物含量的测定，操作方法和测定原理相同，可以在实验中分小组同时进行，避免了实验过程中的重复性劳动，压缩了时间。同时增加实验教学环节的实验学时，相当于理论课时的1/2甚至2/3以上，以便更好地安排创新型实验。

3.2 开发综合型、设计型实验，尝试开放教学

植物纤维化学是林产化工专业学生进入专业课程学习的基础，因此要求学生在掌握有关实验技能和原理的同时，更应该培养学生的专业素质，使其能够运用理论知识解决遇到的实际问题。传统的植物纤维化学实验中验证型实验比例较大，不利于学生实验技能的提高和创新思维的培养。因此，可以设置一些综合型、开放型的实验，在实验课前给学生提出问题，促使学生主动查阅相关文献资料，分小组自行设计实验方案，在实验过程中发现问题并解决问题，让学生掌握实验的整体设计思想，逐渐形成科学的思维方式。例如，木材原料的冷水、热水抽提物含量的差别主要在什么成分上？主要的化学组成又有什么不同？可以让学生关注传统实验中废弃的液体样品，进而设计不同的溶质回收方法并进行分析鉴定，延续性地学习半纤维素的相关知识。通过对半纤维素在工业及食品领域应用的了解，激发学生新的学习兴趣点，甚至引领学生进入该领域从事相关工作。所以，综合型、设计型实验的开发对培养学生创新能力具有理论课程难以比拟的优势，可以为学生实现构想提供条件，为吸引学生进入该领域学习、工作奠定基础。

此外，积极尝试开放式教学，鼓励学生进行自主实验，探究自己关注的专业问题，使学生在真正的科研氛围中发挥创造性。针对学生在理论课程学习中提出的问题，教师应引导学生积极思考并提出合理的实验检验方法，通过交流探讨检验学生思维的科学性和逻辑性，并最终设计出可行的实验方案。在实验过程中强化学生自主认识和操作仪器的能力，提高解决问题的综合素质以适应工作岗位对全方位能力的要求，增强学生的职业技能，缩短学生适应工作环境的时间。同时利用学校大学生课外科技创新基金的支持，鼓励学生及早参与课外科研训练活动，在科研实践中激发学生学习的主动性。

3.3 结合科研课题和社会需求，进行研究性实验教学

教育部在《关于进一步加强高等学校本科教学工作的若干意见》中指出：“积极推动研究性教学，提高大学生的创新能力”。研究性教学作为一种新的教学观，将教师的研究性实验教学与学生的研究性实验学习有机结合，培养学生独立研究的能力，提高学生的综合素质和社会竞争力。将实际生产和科研项目中的问题引入实验教学，以理解现实为目的，对理论教学中感兴趣的问题进行阐释、实践和创新。在木材组分分析实验中，我们使用生产厂家实际使用的原料做实验，既满足了实际的测量需要，又使学生的实验活动贴近现实，提高学生的责任心和兴趣。另外，可将教师的科研项目引入实验教学中，使学生能够了解前沿的科学问题，激发学生的创造力，为进一步培养科研能力打下良好基础，通过开展科研工作为社会创造效益，具体研究性实验见表1。

4 结束语

植物纤维化学是当前科学研究的热点方向，处于不断的发展进步中，新的基础理论和实验方法也在不断地改进完善过程中。在教学内容、教学体系、教学方法和手段及管理体系方面进行改革，通过增加实验学时和实验经费投入，改进传统实验内容和方法，结合现代分析仪器，提高实验教学效率。通过植物纤维化学实验课程提高学生的创新能力，顺应素质教育和应用型人才培养的需要，是林产化工专业实验教学过程中值得长期关注和研究的问题。

[1] 宋维明.坚持特色发展 建设高水平研究型大学[J].中国高校科技,2011(8):10-11.

[2] 陈至立.在教育部直属高校工作咨询委员会第十六次全体会议上的讲话[J].中国高等教育,2006,Z1:4-8.

[3] 杨淑蕙.植物纤维化学:第三版[M].北京:中国轻工业出版社,2006.

[4] 蒋建新,殷宁,孙润仓.林产化学加工工程教育与生物质产业的发展[J].高等农业教育,2008(6):61-63.

[5] 李岚清.李岚清教育访谈录[M].北京:人民教育出版社,2003.

[6] 郁振华.波兰尼的默会知识论[J].自然辩证法研究,2001(17):5-10.

[7] 陆有铨.时代呼唤研究型教师[J].杭州师范学院学报:人文社会科学版,2002(1):98-104.

[8] 徐海伟,高珊珊,李永红,郑甲信.实验教学与大学生创新能力培养[J].中国中医药现代远程教育,2011(9):22-23.