“生物质化学”实验课程教学改革初探——以北京林业大学梁希实验班为例

(北京林业大学材料科学与技术学院，北京 100083)

随着全球变暖、环境恶化和化石资源日趋枯竭等问题的出现，以生物质能源为主的环境友好、可再生的生物质资源开发利用已引起世界各国政府和科学家的关注[1-2]。围绕国家发展战略和生态文明建设需求，近年来国内很多农林高校陆续新增了生物质能源科学与工程专业。北京林业大学林产化学加工工程学科为国家“985”优势学科平台建设学科，拥有“林业生物质材料与能源教育部工程研究中心”及“林木生物质化学北京市重点实验室”。依托学科发展平台和优势，为培养生物质新能源科学与工程专业人才，北京林业大学林产化学加工工程学科先后增设了生物质能源科学与工程专业,并招收林产化工梁希实验班。

“生物质化学”理论和实验课程是生物质能源科学与工程专业和林产化工梁希实验班的两门主干课程，二者在生物质能源科学与工程专业人才培养中起着承上启下的作用[3]。中国化学工业出版社还专门出版了《生物质化学分析技术》教材[4]。“生物质化学”理论课程是研究生物质原料中所有化学成分的结构、性质、分离提取利用的科学,是生物质能源利用原理与技术、天然高分子材料与改性、天然产物结构分析技术、制浆造纸工艺、木材保护与改性等内容的理论基础，是研究农林生物质转化为化学品、新材料和新能源不可或缺的科学。同时，“生物质化学”实验课程是一门实验性非常强的课程。因此，只有将理论知识教学与实践技能相结合，才能提高学生的动手创新能力，为学生后续专业课程的学习打下良好的基础[5]。

一、“生物质化学”实验课程教学存在的问题

(一)与日本、美国高校相关实验课程相比，实验方法落后

国内“生物质化学”实验课程对于生物质资源所有化学组分的分析法均参考1995年修订的造纸行业的国家标准，国内对生物质原料的测定方法全部是采用重量法进行分析。重量法的优点在于对设备要求不高、投入少、操作简单、实验技能单一，但其实验时间长、实验结果准确性差，而且原料和试剂用量多、产生的酸性废液量大。随着现代仪器分析技术的不断发展和广泛应用，以及生物质资源利用技术的蓬勃发展，美国国家可再生能源实验室2005—2012年先后制定了一系列生物质原料分析的国际标准，这些标准具有很高的权威性，已得到国际上各相关研究机构的广泛采用。日本有森林资源利用学科的大学都开设有“木材化学”理论和实验课程[5]；美国纽约州立大学环境科学与林业学院造纸与生物工程系也开设有“木质纤维素导论”理论和实验课程。美国和日本高校“生物质化学”实验类课程中分析测试方法均参考这套标准。

国内的该类实验课程均采用传统经典化学分析法对木本植物资源生物结构、化学组成进行化学成分含量的分析测定。国外则更强调采用现代仪器分析手段对生物质资源主要化学成分进行精细结构的解析，使实验内容更加全面、深入，分析测试方法更加多样化。例如，对木材抽出物的测定，国内由于学时有限，一般只选择苯/乙醇有机溶剂抽提法；日本、美国高校则会用冷水、热水、碱和有机溶剂分别进行抽提。另外，针对木质资源利用专业的学生，日本高校在其本科三年级上学期还开设了48学时的“植物资源化学”实验课程，进一步扩大了教学内容的深度和广度，着重培养学生运用现代仪器分析手段(如红外光谱、X-衍射、核磁共振和液相色谱等)解析纤维素、半纤维素和木素的精细结构和组成，使学生对木材中的纤维素、半纤维素和木素的化学结构与性质有全面、清晰和准确的认识。

(二)实验室建设和管理有待完善

高校实验室是进行实验教学、开展科学研究的重要基地。一方面，各科研实验室往往存在大型仪器设备重复建设、使用率低等问题；另一方面，本科生实验教学经费有限，无法购置大型仪器设备，严重制约了“生物质化学”实验课程教学质量的提高和学生综合能力的培养。如何平衡本科生教学实验室和科研实验室之间的关系，解决资源供需之间的矛盾是目前高校实验室管理普遍存在的问题之一。

(三)实验课的教学形式和考核方式单一

国内“生物质化学”实验课程教学内容陈旧、实验类型单一，多以验证性实验为主，综合性实验及设计性实验较少。“生物质化学”实验课程教学手段比较传统，以教师讲授、学生被动实验为主，存在如下问题：学生人数多，实验课教师很难提供个性化的指导意见，不能及时解决学生出现的问题；学生实验报告数据处理相互抄袭，对实验结果缺乏深入分析和讨论，实验报告同质化现象严重。另外，实验课程考核评价指标单一、模糊，其成绩不能客观、公正反映学生掌握该门实验课程及实验技能的真实水平。这些弊端非常不利于学生学习的主动性、积极性和创造性。

二、“生物质化学”实验课程教学改革的措施

新时代全国高等院校本科生教育工作会议提出，学生的实践教育一直是高等院校本科生教育的突出短板，解决问题的关键靠协同、产学研结合。因此，笔者认为，只有加强理论知识教学与实践相结合，加强实践平台的建设，才能解决目前北京林业大学木材科学与技术学院“生物质化学”实验课程存在的问题。

(一)推进教学大纲的修订，完善实验课程内容

现有“生物质化学”实验课程教学内容共包括木本植物资源生物结构观察，化学成分灰分、苯醇抽提物、纤维素、酸不溶木素、戊聚糖定量分析及非木质资源淀粉含量的测定等12个实验项目，共24学时。大部分实验采用经典化学分析方法，实验时间都要超过12学时，尽管目前已采取每次2～3个实验项目同时开展的教学方式，但教学学时仍然严重不足。

现有的教学内容对生物质资源中的结构性碳水化合物含量、组成及3大素(纤维素、半纤维素和木素)结构的精细分析都不涉及，而这些恰恰是全面深度了解生物质资源化学组成结构的重要组成部分，是“生物质化学”理论课程的难点和国外同类实验课程的重点。因此，笔者建议在新一轮教学大纲的修订过程中，参考借鉴国外的教学体系，增加相应的实验教学内容，使该实验课程与理论课程紧密结合、教学与科研相结合，同时相应地增加实验课程的总学时，将其调整为与理论课程相同的48学时。另外，应尽可能增加设计性、创新性实验内容，提升“生物质化学”实验课程的难度和深度，开拓学生的视野，培养学生牢固掌握世界前沿科技知识的能力及实践、创新能力，为后续专业课程的学习、将来继续深造、从事本专业工作打下扎实的基础。

(二)改变传统的教学形式，探索探究式、互动式教学

要使学生从被动接受知识的角色转变为实践课程的主体，教师作为教学的组织者和实施者，在其中起着关键的引导作用[6]。在“生物质化学”实验课程中，笔者将北京林业大学材料科学与技术学院林产化学加工专业教师近十年来在生物质资源转化利用方面的研究课题和成果融入到教学当中，激发了学生的好奇心和探究欲，提高了学生学习的主动性和兴趣。

1.采用探究式教学方法，开展创新性实验

针对不同生物质资源和不同实验分析方法，笔者让学生对不同生物质资源和不同实验分析方法进行对比研究，探究不同原料化学结构和组成的异同点，分析不同实验方法的优缺点。

以南方松为原料，采用国标法和美国可再生能源实验室(NREL)国际标准，对原料3大素(纤维素、半纤维素和木素)测定方法进行比较研究，以此作为“生物质化学”实验课程的创新性实验。将全班分为7个小组，国标法小组采用重量法和容量法测定，全部使用常规实验仪器；国际标准小组则借助林产化学加工专业公共分析测试平台的大型仪器设备，采用重量法、液相色谱法和紫外分光光度法完成实验测定。学生对比实验过程和结果，深刻认识到国标法操作简单，但耗时较长，各小组实验结果误差大；国际标准法高效精准、绿色环保，各小组实验结果平行性好，操作技能要求高，动手实践机会多。

2.采用互动式教学方法，开展设计性实验

为保证实验教学的质量、提高实验教学的效果，将教学内容落到实处，笔者根据不同生物质原料设计了组分分析理论值与实测值对照表，对每个实验编写了有针对性的预习思考题和设计性实验任务指导书。课前，笔者布置学生查阅文献资料，确定不同原料组分分析的理论值，对相关思考题和设计性实验进行提前预习，并提交完整的实验预习报告；课上，对当天的实验内容，笔者让学生开展实验报告的PPT汇报和讨论，尤其要对不同原料的测定方法的差异性进行讨论，使学生真正理解实验原理和内容。

对于设计性实验，在实验条件许可的情况下，笔者尽可能让每位学生都能体会到自主设计、自我实践的乐趣。在实验结束后，笔者要求学生及时将实验数据进行整理，并通过微信平台上传，同时再次组织学生对实验数据进行可靠性分析，讨论误差产生的原因等，培养学生综合分析问题、解决问题的能力。

(三)加强实验室建设，打造资源共享的实践教学平台

在“生物质化学”实验课程教学上，提供先进的实验条件和实验内容是培养高素质具有创新精神专业人才的重要保证[7]。随着科技的发展，现代仪器分析技术在科研工作中发挥着越来越重要的作用，高校本科人才培养也应紧跟世界先进科学技术的潮流，努力改善本科生实验环境与条件，逐步提升实验室仪器设备的数量和先进性，加快培养适应和引领新一轮科技革命和产业变革的卓越工程科技人才。

近几年北京林业大学利用中央高校改善基本办学条件专项资金，购置了用于本科生教学的实验室设备。林产化学加工专业公共分析测试平台购置了气相色谱、液相色谱、紫外和红外等现代分析仪器；专业实验室配置了核磁共振、气质联用和热重分析仪等设备，这些仪器设备过去主要用于教师、研究生或大四本科毕业生的科研工作。现在，学校加大公共分析测试平台的开放力度，建立了“学校、学院、系、专业”4级大型仪器设备开放共享的平台。平台管理人员提前对本科生进行相关大型分析仪器操作规范标准培训，考试合格的部分优秀本科生可享受预约使用的权限，目的是让他们尽早接触现代分析仪器，熟悉其操作流程和规范，为其后续专业课程的学习和专业素质培养打下良好的基础。

(四)创新实验课成绩评价方法，注重实验过程管理，提升学生综合素质

以前学生的实验课成绩由学生的实验报告成绩决定。现在，笔者采取30%闭卷考试成绩+20%平时成绩+50%实验报告成绩为一体的多元成绩评价体系，注重对学生的实验过程进行考核。平时成绩包括课前学生对思考题和设计性报告的预习情况、出勤情况、课堂汇报讨论的参与情况；实验报告成绩主要包括实验报告撰写的规范性，如引言、实验原理、实验步骤、数据记录与处理、分析讨论、结论和参考文献等7个部分，以及学生对实验数据进行处理和分析的能力。

三、“生物质化学”实验课程教学改革的成效

近年来，笔者对梁希实验班“生物质化学”实验课程教学进行了改革与探索，开设了创新性实验和设计性实验，提升了该课程的难度和深度。创新性实验的开设，开拓了学生科研视野，提高了学生综合实践能力及创新实践能力，培养了学生的科研兴趣；设计性实验的开设，保证了实验教学的质量，提高了实验教学的效果，将教学内容落到了实处。

通过改变传统教学形式，笔者开展了探究、互动的教学活动，将科研课题与实验教学高度融合，激发了学生的好奇心和探究欲，使学生学习的兴趣和动力提高。

另外，建立的“学校、学院、系、专业”4级大型仪器设备开放共享平台使部分本科生在二年级或三年级就参加了相关大型仪器设备操作规范、标准的培训，掌握了大型仪器的使用、操作原理和数据分析方法，培养了学生综合实践能力，提高了学生的专业素质。近3年来，林产化学加工专业本科生完成大学生创新计划项目16项，本科生发表相关国际期刊论文5篇、中文核心期刊论文9篇。