“木材干燥学”实验课教学改革初探

何正斌　伊松林　张璧光　高建民

(北京林业大学材料科学与技术学院，北京　100083)



“木材干燥学”实验课教学改革初探

何正斌伊松林张璧光高建民

(北京林业大学材料科学与技术学院，北京100083)

摘要：木材干燥是木材加工与利用过程中最为重要的环节之一，对木材进行正确合理的干燥处理，既是保证木制品质量的关键，又是合理利用和节约木材的重要手段。根据目前木材干燥技术实践的需要，从教学内容、教学方式、考核方式等环节对“木材干燥学”实验课进行改革，使实验课教学更生动、形象，学生掌握的知识更全面、准确，为培养了解干燥设备、熟悉干燥流程、灵活应用所学知识制定干燥基准、完善干燥工艺的应用型人才奠定坚实的基础。

关键词：木材干燥；实验教学；教学内容；教学方式；考核方式

木材干燥作为木材加工最为重要的工艺环节之一，能够提高木材和木制品的力学强度、胶结强度及表面装饰质量，改善木材的加工性能；能够提高木材和木制品的尺寸稳定性，防止木材开裂；能够预防木材的变质与腐朽，延长木制品的使用寿命；能够减轻木材的质量，有利于提高车辆的运载能力；能够提高木材的热绝缘性与电绝缘性[1]。因此，要实现木制品生产过程中的低成本、低能耗，保证产品质量，必须对木材进行正确合理的干燥处理[2]。

“木材干燥学”是一门应用性很强的课程，其教学内容与实践联系非常紧密。

首先，木材干燥设备的创新改革源于技术人员的灵感与经验，木材干燥工艺与木材本身特点、干燥窑性能等因素有关。因此，技术人员必须根据实际情况，熟知生产的实际需要和不足，才能顺利完成木材干燥过程。但是从目前的教学水平上来看，“木材干燥学”主要侧重于理论基础知识，实验课环节较为薄弱[3]。

其次，现有的实验条件和课时限制，不能让学生去实地操作干燥窑，有时甚至连实地参观木材干燥过程环节都没有，使得学生不能将所学的理论知识与实际操作过程联系起来，导致学生解决实际问题的能力较差。

第三，用人单位反映，高校培养的学生实际操作能力普遍较差，教学内容与实际操作过程没能很好地联系在一起，致使学生不能直接胜任生产线工作，参加工作后往往需要一段时间的培训磨合，耗时耗力。

这些问题都对“木材干燥学”实验课的教学提出了一定的挑战。如何在有限的实验条件和课时条件下让学生真正掌握木材干燥过程，能够胜任以后的工作，能够解决实际干燥过程中的问题，成为当前“木材干燥学”实验课教学过程中必须关注的问题。为了解决这些问题，本文在现有教学方法的基础上，通过完善教学内容、改进教学方法和考核方式，让学生在较短时间内全面学习了木材干燥过程。

一、教学内容的更新

木材干燥基准是木材干燥过程中操作的依据。它是通过调节干燥介质的温度、相对湿度来控制被干木材状态变化的参数表。不同材种、不同厚度的成材干燥时，其干燥基准也各不相同。因此，干燥基准的制定、选用以及执行正确与否，直接影响到成材的干燥质量与效益，对于木材干燥工艺过程有决定性的意义[4]。为了得到初步的干燥基准，现有的“木材干燥学”实验课均采用日本名古屋大学寺沢真教授提出的干燥基准的预测方法(即百度试验法)。虽然通过现有的“木材干燥学”实验课程，学生能够掌握木材干燥过程中产生的干燥缺陷的种类，并根据缺陷种类得到木材干燥过程中的初步干燥基准，但对于产生木材干燥缺陷的原因及基准的实施过程均未涉及，所以对这两方面的改革势在必行。

对于产生木材干燥缺陷的原因来说，木材干燥过程中，由于木材内部水分和表面水分蒸发不同步，使木材内部产生含水率梯度[5-6]。研究表明，由于木材各个部分水分蒸发不同步而产生的含水率梯度是产生木材干燥应力的主要原因[7]，而干燥应力的发生及发展与干燥工艺有关，且直接影响木材的干燥质量。当该应力超过了木材所能承受的最大应力强度时，木材就会产生表裂、变形等干燥缺陷而使木材降等[8-9]。因此，在“木材干燥学”实验课教学过程中应引入干燥应力的检测方法和含水率梯度与干燥应力之间的关系。应力的检测方法包括实测法、切片分析法、梳齿分析法、瓦弯法、叉齿法、差异干缩法和声发射法，其中最常用的是实测法和切片分析法。实测法是根据虎克定律，用切片测出试片沿厚度方向各层的弹性模量和应变量，从而求出各层的应力值，并绘成沿木材厚度方向上的应力分布图。切片分析法是利用测量分层含水率的试片或按奇数层劈解应力试件，比较切开时及烘干后的形状变化来估计干燥应力的方法。分层含水率的检测方法包括重量法、红外扫描法等。通过应力测试实验、含水率梯度检测实验，建立含水率梯度与干燥应力之间的关系，使学生掌握木材干燥过程中的应力、应变的发生与发展过程，明白含水率梯度与干燥应力之间的关系，从根本上了解木材干燥过程中产生干燥缺陷的原因。

对于基准的实施过程来说，由于百度试验法是根据欧美干燥基准系列研究而得，对大部分木材而言普遍偏软。在实际使用时，最好先进行小试，并根据小试的实施结果对初步的干燥基准进行修正。如果干燥工艺实施过程中木材出现了干燥缺陷，说明此基准较硬，应该在此基础之上，使用稍软的干燥基准。反之，如果干燥过程中木材干燥质量很好，为了节约干燥成本，缩短干燥周期，应该使用稍硬的干燥基准，经过多次反复试验，最后得到一个合理的干燥基准。通过干燥基准实施过程，不仅让学生熟悉干燥基准的编制原则和过程，还能够让学生实实在在操作干燥窑，了解干燥工艺实施过程中预热、中间处理、平衡处理和终了处理等过程，全面提高学生的动手能力和积极思考的能力，为学生毕业后的实践工作打下坚实的基础。

此外，实践教学要紧密结合产业发展的要求，“木材干燥学”实验课程的内容要尽可能与行业的发展相结合。例如，目前国内适合于家具制造的优质木材原料日趋紧张，而低质人工林木材的产量却逐年上升，笔者针对低质人工林木材初含水率高且偏差大、易产生干燥缺陷、材质疏松、力学性能及尺寸稳定性较差等特点，在“木材干燥学”实验课程中增加了低质人工林木材的实验内容；在百度试验法试材的选择上，尽量选取速生杨木、速生桉木等人工林树种。

二、教学方式的改革

改革传统教学方法和模式，引进现代教学方法，已成为现代教学过程中的一个重要组成部分。研究表明，注意是记忆的唯一窗口，人的大脑被刺激得越强烈，留下的记忆就越鲜明、越清楚，学到的东西就越牢固地保存在人的记忆中[10]。单纯的视觉学习或听力学习，3天后遗忘率为50%~80%，而将视听结合起来的学习，在相同时段内的遗忘率仅为18%，所以运用多媒体进行教学的确可以提高教学效果[11]。木材干燥过程是一个非常复杂且抽象的过程，绝大部分学生在学习“木材干燥学”实验课程之前都没有进入工厂实地参观或实习，学生对很多设备和构件几乎没有认识，对设备的运行过程知之甚少。

在现有的“木材干燥学”实验课程教学过程中，教师主要是通过画简单的草图和一些简单的图片进行结构介绍，课堂传递的信息量小，且较少的图片不利于学生对干燥设备结构的全面掌握，使学生对设备缺乏系统的认识，更缺乏对新型设备及其今后发展趋势的了解和认识，从而阻碍了学生能力的提高。图片和视频有利于展示复杂信息，使复杂的东西清晰、一目了然地表达出来，使学生获得多样化、多维度的信息刺激，使教学活动更加生动、有趣。因此，笔者认为在以后的教学过程中，可充分利用多媒体技术丰富的图像表演和模拟演示功能，引入更多的图片、视频和动画设计，吸引学生的注意力和兴趣。例如，在讲述干燥过程中的水分移动和木材收缩过程时，可通过制作水分移动和木材收缩的动画效果，使抽象的问题形象直观，不仅让学生理解了木材干燥过程中水分移动的方式，还让学生掌握了水分移动与木材干燥缺陷的关系；在讲述干燥窑结构和干燥窑内设备时，可通过实物照片以及每个设备工作时的视频，增强学生的感性认识，激发其学习欲望，让他们不仅学到了设备的构造，还了解了每个设备的工作原理；在讲述干燥工艺过程时，教师可从实际干燥过程中拍摄更多视频，让学生对每个干燥环节都有全面的了解。

总之，通过图片、视频及动画的展示，使抽象的东西生动化、形象化，提高了学生的学习兴趣，增强了他们将“木材干燥学”实验课程理论知识与实际相结合的能力。此外，教师还应开展现场教学，让学生见到实物，使他们了解每个部件的形态和作用，这有利于培养学生的动手能力和分析、解决实际问题的能力，更有利于激发学生的学习积极性。

三、考核方式的改革

考试是教育的手段，是衡量教师教学质量和学生掌握知识和技能状况的重要依据[12]。目前，“木材干燥学”实验课程教学的考核方式单一，仅要求学生在实验完成之后提交一份实验报告，使得学生不重视“木材干燥学”实验课程的学习，而且学生完成实验报告的过程中也没有自己的想法，甚至出现互相抄袭的现象。为了解决这个问题，“木材干燥学”实验课程的考核方式应该进行改革，增加木材干燥实际操作考试环节，考核学生对木材干燥过程的熟悉和掌握程度。

由于受实验条件和学时的限制，致使教师不能实现让每位学生都能实际操作干燥窑而完成过程考核的任务。为了解决这个问题，在“木材干燥学”实验课程教学过程中引入教学软件对木材干燥过程进行模拟。教师通过VB.net将木材干燥过程中的主要环节以软件代码的形式编入教学软件中，设置一些需要学生操作的命令，并通过Flash软件将整个干燥过程以动画的形式形象表示出来。如当木材含水率降低到设定值时，需要学生进行升温，并进入到下一个干燥环节；当画面上的木材出现裂纹时，需要学生进行喷蒸汽处理等。在考试过程中，每位学生都要根据软件中给出的干燥工艺，对动画中出现的环节进行对应的操作，如码垛、装窑、干燥前的预热、干燥过程中温湿度的调节、进排气口的开启与关闭、干燥末期的终了处理、出窑以及产生缺陷时的应对措施等操作，并采用屏幕录像专家软件将学生的操作过程录制下来作为考试提交材料。

考试完毕后，教师对每位学生的操作过程进行点评分析。一方面让学生知道自己的不足和木材实际干燥过程中应该注意的问题；另一方面通过这种考核方式，让学生找到实验过程中遇到的难点和共同的问题，为以后的实验教学提供一手资料。整个模拟过程中，学生只需要在实验室完成，而不需要到工厂去实际操作干燥窑。模拟考核过程简易可行，不仅考核了学生对木材干燥过程的掌握情况，促使学生平时认真学习，掌握更多的知识，更进一步地让他们熟悉干燥过程，激发学生的学习兴趣，为他们走入社会从事木材干燥工作打下坚实的基础，而且还能将木材干燥的操作过程在软件中实现，学生不需要到工厂进行实际操作，可行性强，值得推广。

四、教学改革的效果

通过对“木材干燥”实验课程进行教学内容、教学方法和考核方式的改革，使学生进一步强化了理论知识，全面掌握了木材干燥的实施过程、干燥过程中可能出现的问题及解决方法，为培养了解干燥设备、熟悉干燥流程、灵活应用所学知识制定干燥基准的应用型人才奠定了坚实的基础。

笔者多年的教学实践经验表明，相比改革之前，学生有了如下改变。①学生更喜欢思考问题，而且还能提出很多自己的看法。比如，当学生掌握了木材干燥缺陷产生的原因之后，一些学生提出能否通过控制木材干燥过程中木材表面水分蒸发速率，让木材内外水分以相同的速率进行干燥，使木材内部不会产生含水率梯度，也就不会有干燥应力和干燥缺陷的产生；一些学生提出能否在线监测干燥应力，通过控制干燥条件保证干燥应力在许可范围内，从而保证干燥质量。由于一些技术手段的限制，不是所有想法都能实现，但学生开始深层次的思考问题，这对培养他们独立思考、解决问题的能力有很大帮助，而且还能提高他们学习该门课程的兴趣。②学生对木材干燥过程掌握得更全面。改革之前，学生基本是看着干燥人员进行操作，最多是对自己感兴趣的东西进行拍照；改革之后，学生已不再是表面的参观，而是对干燥窑内的每个细节(如干燥基准、加热方式、喷蒸管的位置、干燥的材种和木材码垛情况等)进行观察和学习，难能可贵的是一些学生还能发现这些干燥过程中存在的问题，并提出一些理论建议。另外，学生还开始跟从事干燥工作的人员进行探讨，总结干燥过程中出现的一些问题和干燥经验，并根据自己所学知识提出宝贵意见。

资助项目：2014年北京高等学校教育教学改革立项项目“工程技术型人才培养模式的探索”，项目编号2014-ms050。

参考文献

[1]高建民，陈广元，蔡英春，等.木材干燥学[M].北京：科学出版社，2008：2.

[2]伊松林.木材干燥学教学改革实践与体会[J].中国林业教育，2004，22(1)：62-63.

[3]李贤军，李新功，吴义强.“木材干燥”课程研究型教学探索与实践[J].中国林业教育，2009，27(6)：67-69.

[4]张璧光，高建民，伊松林，等.实用木材干燥技术[M].北京：化学工业出版社，2005：119-120.

[5]何正斌，赵紫剑，伊松林.木材干燥热质传递理论与数值分析[M].北京：中国林业出版社，2013：58.

[6]何正斌，李帆，伊松林，等.真空条件下木材表面水分蒸发速率模型及应用初探[J].北京林业大学学报，2010，32(6)：105-108.

[7]FORTIN Y，DEFO M，NABHANI M，etal.A simulation tool for the optimization of lumber drying schedules[J].Drying Technology，2004，22(5)：963-983.

[8]MOUTEE M，FORTIN Y，FAFARD M.A global rheological model of wood cantilever as applied to wood drying[J].Wood Sci Technol，2007，41(3)：209-234.

[9]HANHIJARVI A.Deformation properties of finish spruce and pine wood in tangential and radial directions in association to high temperature drying：part Ⅲexperimental results under drying conditions(mechano-sorptive creep)[J].Holz als Roh-und Werkstoff，2000，58(4)：63-71.

[10]李菊花.充分利用图像资料提高学生学习效率[J].河北科技图苑，2007(3)：38-39，48.

[11]王云晓，张学诚.多媒体教学课件设计的思考[J].山东水利职业学院院刊，2007(2)：25-26.

[12]李喜仁.浅论函授教育中考试的作用、问题及对策[J].新乡师专学报：社会科学版，1997，11(4)：71-74.

(责任编辑孙艳玲)

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2016年1月1日