“翻转课堂”在植物纤维化学综合性实验教学中的实践

杨 懿， 叶 君， 吴胜龙， 何婉芬

(华南理工大学 轻工科学与工程学院,广州 510640)

“翻转课堂”在植物纤维化学综合性实验教学中的实践

杨 懿， 叶 君， 吴胜龙， 何婉芬

(华南理工大学 轻工科学与工程学院,广州 510640)

综合性实验教学以培养创新性人才为目的，采用“翻转课堂”教学理念，通过本科生应用国家标准分析稻杆的化学成分及浆料的物理化学性质，应用现代测试手段考察了浆料的化学结构以及手抄纸的使用性能，对哈尼稻杆和广东稻杆造纸的可行性进行了研究。本实验教学尝试从传统的单纯的操作培训教学模式向设计型、探索型实验教学模式转变，并鼓励和支持学生的个性化发展，开发他们的自身好奇和兴趣，在继承性、求异性、实践性和风险性等方面培养学生的创新能力。

翻转课堂; 创新能力; 探索性实验; 植物纤维; 教学模式

0 引 言

我国作为世界上最大的水稻生产国和消费国，每年生产的水稻产量约占粮食作物总量的40%。据联合国粮食及农业组织(FAO)统计的数据[1]：2014年我国稻谷播种面积达到3 031万hm2，稻谷总产量达到20 643万t。这也表明,我国也是可利用的水稻秸秆资源大国。2011年我国水稻秸秆资源总量约为1.6亿t，可收集利用量约为1.3亿t，折合每年可节约煤碳0.28亿t[2-3]。因此对稻秆的综合利用逐渐成为很有价值、潜力的发展方向。对农业秸秆进行高值化利用[4-6]，不仅可以克服了传统利用方式的利用效率低以及严重环境污染带来的缺陷，同时还可逐步替代化石等不可再生资源。因此在化石资源日益减少的大环境下，充分开发和利用我国丰富的稻秆资源具有十分重要的现实意义[7-8]。

本实验选取了纬度相近的哈尼水稻生长地的广东省生长水稻的稻杆作为对比样，以研究它们稻杆中化学成分和生物结构的差异。进行不同稻杆作为造纸原料性能评价的系统实验，通过比较稻杆原料的化学成分、纤维特性以及经过制浆漂白后稻杆浆的性质，及其手抄纸的特性，评价了两种稻杆作为造纸原料的差异，并在整个实验过程中引入翻转课堂的理念，培养本科生的创新思维和创新能力。

1 实 验

1.1 主要试剂、仪器

本实验选取的哈尼水稻田地理坐标：经度：101.75，纬度：23.45，其位于云南省元阳县的哀牢山南部。广东水稻田地理坐标：经度：113.37，纬度：23.16。哈尼稻秆(H)和广东稻秆(G)分别由云南农科院所和广东农科院所提供。

本实验所用的化学试剂均为分析纯(AR级)广州化学试剂厂生产。

紫外可见分光光度计(UV-2450)日本SHIMADZU公司。纤维测量仪(XWY系列)珠海华伦造纸有限责任公司。红外光谱仪(TENSOR 27)德国Bruker公司。

1.2 测试方法

稻秆原料中的水分含量根据国标GB/T2677.2—93《造纸原料水分的测定》测定。稻秆原料中的灰分含量根据国标GB/T 742—2008《造纸原料、纸浆、纸和纸板灰分的测定》测定。稻秆原料中苯醇抽出物含量根据国标GB/T2677.7—1994《造纸原料有机溶剂抽出物含量的测定》测定。稻秆原料中1%NaOH碱抽出物含量根据国标GB/T2677.5—1993《造纸原料1%氢氧化钠抽出物含量的测定》测定。稻秆原料中的酸不溶木素含量根据国标GB/T2677.8—1994《造纸原料酸不溶木素含量的测定》测定。稻秆原料中的酸溶木素含量根据国标GB/T 10337—2008《造纸原料和纸浆中酸溶木素的测定》测定。稻秆原料中综纤维素含量根据国标GB/T2677.10—1995《造纸原料综纤维素含量的测定》测定。稻秆原料中聚戊糖含量根据国标GB/T745—2003《纸浆、多戊糖的测定》测定。稻秆浆中的二氯甲烷抽提物含量根据国标GB/T 7979—2005《纸浆、二氯甲烷抽提物的测定》测定。稻秆浆中的碱溶解度根据国标GB/T 5401—2004《纸浆、碱溶解度的测定》测定。稻秆纤维素中的抗碱性根据国标GB/T 744—2004《纸浆、抗碱性的测定》测定。稻秆浆的黏度根据ISO 5351/1:1981《Cellulose in dilute solutions——Determination of limiting viscosity number——Part 1: Method in cupri-ethylene-diamine (CED) solution》测定，其分子量由Mark-Houwink[9]获得：

式中:M是指平均分子量；K=8.5 μL/g；α=0.90。

红外光谱分析是采用TENSOR27型傅里叶变换红外光谱仪(德国Bruker公司生产)进行的，并使用KBr压片，分辨率为1/36，扫描范围为4 000～400 cm-1；采用纤维分析仪测定原料的纤维长度、宽度、长宽比，其他细杂组分不计入测定结果，对纤维长度和宽度的分布频率进行统计，并采用显微镜进行纤维形态观察。

本实验采用烧碱法制浆，把稻秆切成小于10 cm长，然后分别放入高压反应釜中，具体工艺条件为:绝干量1 kg,蒸煮时间60 min,升温时间90 min,保温时间60 min,NaOH 18%,蒸煮温度160 °C,蒸煮气压0.6 MPa,液比1∶4。采用过氧化氢(P段)、次氯酸钠(H段)两段式漂白。其工艺条件如表1所示。

表1 漂白工艺

2 结 果

2.1 稻秆原料的化学组分

哈尼稻秆和广东稻秆原料的化学组成如表2所示。哈尼稻秆和广东稻秆同属稻草类，由于其生长的环境不同，植物细胞中各种成分的含量也有所差异。由表1可以看出：哈尼稻秆的水分含量比广东稻秆低，哈尼稻秆的灰分含量低于广东稻秆。由于稻草类秸秆的灰分60%以上是硅化物，含量越高的硅化物，在黑液回收时的硅干扰就越严重，越不利于黑液的回收。因此在组分分离时，哈尼稻秆要优于广东稻秆。哈尼稻秆的酸溶木素和酸不溶木素的总和比广东稻秆的高，这说明其木素含量高于广东稻秆。由于哈尼水稻的生长周期长，生长过程中温差大，故较高的木质素更能抵抗外界生物及环境的蚕食和侵害。哈尼稻秆中的半纤维素含量低于广东稻秆。哈尼稻秆的综纤维素的含量高于广东稻秆。

由此，从两种稻杆的组成成分来看，哈尼稻杆更适宜应用于造纸工业。

2.2 稻秆的纤维形态

图1表示离析后的哈尼稻秆和广东稻秆的纤维形态。由图可以清晰观察到两者纤维形态的差异：哈尼稻秆纤维比广东稻秆纤维长，但两者的粗细程度相差不大。

表2 哈尼稻秆和广东稻秆化学组分 %

图2表示两种稻秆纤维的长度和宽度分布。哈尼稻秆离析后的纤维长度分布集中在1.0～1.5 cm，在此范围下所占比例为56.28%，广东稻秆离析后的纤维长度分布集中在0.5～1.0 cm，在此范围下所占比例为60.30%。哈尼稻秆离析后的纤维宽度分布集中在5～10 μm，在此范围下所占比例为70.85%。广东稻秆离析后的纤维宽度分布集中在5～10 μm，在此范围下所占比例为56.28%。

表3表示哈尼稻秆和广东稻秆的纤维形态学参数。由表可看出：哈尼稻秆纤维数量平均长度和质量平均宽度分别为1.01 cm和1.08 cm比广东稻秆的长，哈尼稻秆的纤维宽度比广东稻秆的纤维宽度略低，哈尼稻秆纤维长宽比(112)约是广东稻秆纤维长宽比(54)的两倍。哈尼稻秆的长度和长宽比都较高，由此可以预测哈尼稻秆是一种较好的造纸原料。

a：哈尼稻秆

b：广东稻秆

图2 稻杆纤维长度和宽度分布

材料数量平均长度/cm质量平均长度/cm一般范围/cm数量平均宽度/μm质量平均宽度/μm一般范围/μm)长宽比哈尼稻杆1．011．080．46～2．229105～18112广东稻杆0．540．570．30～0．910114～2354

2.3 稻杆浆的性质

2.3.1 稻秆浆的化学成分分析

表5表示经过烧碱法制浆以及P段、H段两段漂白后，两种稻秆浆的化学成分。由表4可以看出：哈尼稻秆浆的二氯甲烷抽出物的含量低于广东稻秆纤维素的。这说明哈尼稻秆浆在造纸中中具有优势。哈尼稻杆浆不论S10还是S18均低于广东稻秆浆，而R10和R18大于广东稻秆浆，这表明哈尼稻秆浆的分子量较高，这在其后分子量的测定中得到证实。

2.3.2 稻秆浆的分子量

表5表示两种稻秆浆的特性黏度、黏均分子量以及浆中纤维素的聚合度。由表可以看到：哈尼稻秆浆的分子量高于广东稻秆浆，这也证实了表2的推论，同时说明哈尼稻杆浆的品质要优于广东稻杆浆。

表4 稻秆浆的化学成分分析 %

表5 稻秆漂白前后的分子量

2.3.3 稻杆浆的傅里叶转换红外光谱分析

哈尼稻秆和哈尼稻秆纤维素及广东稻秆纤维素的傅里叶转换红外光谱如图3所示。在哈尼稻秆原料的谱上，波数为1 510 cm-1是由于木素产生的典型的芳香环的伸展振动吸收峰，但在两种稻秆浆中该峰消失。波数为1 320 cm-1的紫丁香基、愈创木基的吸收峰在两种稻秆浆中也消失。同时，波数在1 740 cm-1和1 430 cm-1处分别归属于半纤维素中酯类和甲氧基的特征峰，在两种稻秆浆中没有出现。

图3 傅里叶转换红外光谱

在哈尼稻秆浆和广东稻秆浆谱图上，3 430 cm-1处的吸收峰是—OH的伸展振动产生的；2 926 cm-1处的吸收峰是C—H伸展振动产生的；1 421 cm-1处的吸收峰来自于纤维素中的C—H2弯曲振动；1 372 cm-1处的吸收峰来自于C—H弯曲振动；1 165 cm-1处的吸收峰归属于C—O不对称桥式伸展振动或C—O—C伸展振动以及某些C—OH弯曲振动；在1 032 cm-1处的吸收峰归属于C—O—C吡喃糖环的骨架振动峰；893 cm-1处的强吸收峰归属于糖苷上C—H的变形振动和O—H的弯曲振动，这属于典型的纤维素结构糖单元的β-糖苷键的特征吸收峰。

综上所述：通过烧碱法制浆及P段H段漂白能有效地去除哈尼稻秆中的木素、半纤维素，得到纯度较高的纤维素。

2.4 稻秆浆手抄纸的性能

由表6可以看出：在相同定量的条件下，哈尼稻秆浆手抄纸的机械性能、白度、撕裂度、耐破指数和弯曲挺度都高于广东稻秆纤维素浆手抄纸。

表6的结论也证实了之前对稻杆原料及其浆的评估，即哈尼稻秆纤维原料是较广东稻杆纤维原料更优异的制浆造纸原料。

表6 稻杆浆手抄纸的性能

3 翻转课堂理念教学实践及效果讨论

3.1 教学设计及实施

传统的专业实验课教学如同基础实验课教学一样，将一个学科中的实验分解成几块在规定的学时内完成。学生首先预习实验，抄写实验步骤，接下来是机械的练习，这无疑是一种被动接受的训练式教学，采取这种“灌输式”教学，学生只死记硬背,完全没有主动性，也无法将这些实验运用到所学的专业知识中验证基础理论，更无助于运用实验技能进行创新性的工作，同时还使得学生失去了对追求知识的兴趣和探索精神[10]。

本实验以制浆造纸国家重点实验室为平台，为化学类本科二、三年级的学生提供的一项综合性实验学习机会，本科二、三年级学生已经完成了基础化学实验培训，这为本实验的顺利进行打下了基础。本实验由“顶层设计”，有计划地从植物纤维原料出发，围绕考察原料与造纸性能关系的目标，提出相关的科学问题，并根据相关国家标准进行各个项目的实验，讨论所得到的数据，得出相关结论。

实验开始采用“翻转课堂”教学理念[11-13]，对一些实验测试技术采取先看视频，比如黏度法测分子量、红外光谱测试等，教授同时强调关键步骤和技能。其次，学生阅读相关的国家标准，在消化和理解的基础上，以大一期间学习过的相关实验知识为依据，自行提出相关实验计划，在教师的修改和指导下完成相关国家标准的测定。接着，学生查阅和阅读相关文献，在教师的组织下，对相关实验数据进行讨论、总结；最后，所有小组间进行交流、讨论，撰写论文，同时提出更进一步的问题以及实验方案。整个实验过程如图4所示。

图4 实验设计及实施路线图

由此可以看出，本实验将学生所学习的理论知识和实验技能相结合直接应用于具体的科研课题中，教学中教师从知识传授者转变为引领者和协助者，而学生从被动接受者到主动参与者与探究者，增加了两者的互动和探讨，促进了学生自主学习能力，在继承性、求异性、实践性和风险性等方面培养学生的创新能力。

3.2 探索性实验教学对学生创新性培养的教学效果讨论

3.2.1 探索性实验教学对学生继承性培养

对前人科学成果的继承是取得创新性科研成果的基础。本实验教学首先扭转过去实验课堂上纯粹“机械性”培养方式，转而重视开发学生的学习兴趣，把学习主体还给学生，看重启发学生学习动机，帮助学生建构自主学习能力[14]。本实验教学首先在实验方法的教学上，采取对实验操作观看视频的方法，显然这个效果比阅读使用说明或操作步骤要有效得多，有趣得多，并且教学信息明确，直观，学生观看之后都跃跃欲试，表现出对实验的极大兴趣。其次培养学生从阅读相关国家标准开始，培养学生对科学研究的严肃性和严谨性，同时，帮助学生依此为据提出实验方案，以唤起学生对创新需要，激发创造性潜能，从而培养学生对待创新的一种自觉的、主动的态度。

3.2.2 探索性实验教学对学生求异性培养

求异是创新的本质特征[15]。在本实验教学中认同多元评量与多元价值，在阅读相关的国家标准之后，依照个人的理解和兴趣，自由组合，根据实验内容将学生分组，这样每个学生都可以自由发挥其天赋，设计实验方案；其次，在实验实施后，教师组织学生对取得相关实验数据进行讨论，不同的见解和异议会完善实验的不足，矫正实验缺陷以及对自我的超越。在整个教学过程中，让学生主动地去了解、探索问题及深入思考，理性讨论，真正让学习深化。

3.2.3 探索性实验教学对学生实践性培养

实践才能将创新思维转化为创新成果，才能发现新问题、提出新思路、取得新成果。本实验教学中学生所实践的实验方案和技术路线都是自己设计的，因此学生们主动将自己的思维付诸于实践中，这将传统的单纯技能操作培训的实验教学方式转化为培养学生的主动参与实践，以自我的实践来实现自身的实验设计，以达到实现自身价值。这也有利于学生更进一步地用以发展高阶的能力，如：对知识应用、分析、综合及评估等能力，从而培养学生创新技能。

3.2.4 探索性实验教学对学生风险性培养

传统实验教学培养学生的专业实验技能，学生只要认真按部就班地操作就能达到实验的要求，学生往往误以为科学研究也是如此顺利，这在本科生毕业论文实践期间表现为不认同实验会失败，无法面对失败。而创新性的研究充满了无数的不确定性和各种变数，在本实验教学中，学生面临着创新失败的巨大挑战，例如，实验的最佳条件往往不是自己方案中的，就连测平行样的标准偏差都达不到国标要求。学生们必须反复的进行实验，讨论实验数据及其可信度，又要不断地验证实验结论，这让学生们深刻地体会到创新充满着风险，创新行为可能成功，更可能失败，而真正的成功往往是建立在大量失败的基础上。

4 结 语

植物纤维化学综合性实验教学采用“翻转课堂”的教学理念，通过对哈尼稻杆和广东稻杆的造纸的可行性研究过程，鼓励和支持学生的个性化发展，开发他们的自身好奇和兴趣，在继承性、求异性、实践性和风险性等方面培养学生的创新能力。

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Practice of Flipped Classroom in Comprehensive Experimental Teaching of Vegetable Fibers

YANGYi,YEJun,WUShenglong,HEWanfen

(School of Light Industry and Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)

This comprehensive experimental teaching of vegetable fibers aimed to train innovative talents, and involved the idea of flipped classroom by evaluating feasibility of paper making of Hani rice straw and Guangdong rice straw. The undergraduate students analyzed the chemical components and physicochemical properties of the pulps according to the national standards and investigated the chemical structures and usability of the hand sheets by modern testing methods. The comprehensive experimental teaching experienced to transform from the simple operation training model to designing and exploring teaching model. Personalized development of the students was encouraged and supported. Their curiosities and interests were explored. Their innovation abilities were trained through succession, querying consciousness, practicalness and risk and so on.

flipped classroom; innovation ability; exploring experience; vegetable fibers; model of teaching

2016-08-01

华南理工大学第二批探索性教学项目(Y1150190)

杨 懿(1995-)女，广东惠州人，本科生，资源环境科学专业。Tel.:18826074276;E-mail：823850782@qq.com

吴胜龙(1970-)，男，广东广州人，实验师，主要研究方向为植物纤维结构及化学教学与研究。

Tel.:13710853109;E-mail: shlwu@scut.edu.cn

G 649.21

A

1006-7167(2017)05-0210-06