新农科背景下生物质功能材料综合实验课程建设

雷海波，许艳玲，任健，刘文

天津农学院基础科学学院，天津 300392

2019年6月，全国涉农高校在浙江安吉共商新时代中国高等农林教育发展大计，发布了中国新农科建设宣言“安吉共识”。共识中确定我国农林高校教育的目标要开创新格局，走融合发展之路，打破固有学科边界，破除原有专业壁垒，推进农工、农理、农医、农文深度交叉融合创新发展，发挥学科综合优势。对于学生的培养，要提升学生的创新意识、创新能力和科研素养，提升学生综合实践能力[1]。在2019年12月新农科建设推出的“北京指南”中，重点强调了要提升课程的“高阶性”“创新性”和挑战度[2]。新材料产业是我国战略新兴产业，生物质可循环利用功能材料是新材料产业发展的重要方向，生物质功能材料是利用丰富的农林生物质资源开发环境友好和可循环利用的功能材料，是农工融合发展的着力点之一。

在此新农科建设的背景下，我校功能材料专业以培养高分子功能材料相关的农业生态、农业生物资源利用等高新技术应用型人才为培养目标之一，要求学生掌握功能材料的制备与改性、材料结构与性能测试等基本知识与基本实验技能。“生物质功能材料综合实验”是一门以农林产出物或初级衍生物的生物质材料为起始物，采用高分子化学改性的手段，设计合成涉及农学、生命、环境、能源、医药等多应用领域的功能性材料，并测试其物理化学性质及其功能特性。该门实验课具有多学科交叉性，实验内容具有综合性与设计性的特点，被首选成为落实“新农科”农工融合思想的实践载体之一。目前尚未查阅到已经出版的生物质功能材料综合实验教材或教学体系文献可供参考。借鉴黄浩等人[3–9]对高分子化学实验、功能材料实验等实验教学的改革设计经验，如将自主研究融入到教学中，以激发学生的科研兴趣，提升学生的创新能力；以应用功能为导向，启发学生制备材料，测试材料的性能；引入日常接近的材料，提升实验的趣味性，增强学生的主动性；打破传统的固定式实验方案，将实验条件变量化，提升学生的探究能力和创新意识。采取基础实验训练、综合实验设计及创新实验研究多层次结合的方式设置课程，同时，结合生物质功能材料综合实验课程的自身特点，围绕设计思路、训练重点、实验组织形式、实验内容及评价方法等方面，研究建立了始于基础、独立探究、提升创新意识和提高科研素养并举的实验课程体系，为同业人士提供参考。

1 实验课目的与设计思路

作为大三本科学生的一门专业综合实验课程，生物质功能材料综合实验定位为：面向将要从事生物质材料功能化改性及应用研究的学生进行的以综合型实验为主的桥梁实验课[10]。该桥梁实验课旨在基础实验教学与科学研究之间搭建桥梁，助力学生在生物质材料、高分子化学等专业基础课的学习基础之上，提升实验技能与科研素质，并能够探索与把握学科研究与应用的前景与着力点，使学生们半年后能够从容面对企业实训，一年后顺利应对毕业设计研究，近而自信面对职业的选择。

基于此定位，从以下几点考虑进行课程设计和实验选择：

① 基础：一方面考虑学生的知识储备情况。学生们已经学过生物质材料、有机化学、实验化学(理论与实验)、高分子化学(理论与实验)、仪器测试与分析等课程，了解了纤维素、淀粉、壳聚糖及木质素等生物质材料的性质，具备了简单实验操作的能力，包括抽滤、索氏提取、回流反应、化学滴定操作、各类聚合反应实施方法等。基本掌握了傅里叶变换红外光谱仪、紫外可见分光光度计、原子吸收分光光度计等仪器的原理和使用方法。

② 提升：对于综合性设计实验而言，学生已经具有实验相关各方面部分或零散的知识积累和操作技能，但还不具备独立系统设计实验和驾驭实验全过程的能力，这些恰恰是经过这门综合实验的历练而提升的，也是在原有基础上经过学习和训练能够达到的[11]。

③ 特色：对于农科院校开设的功能材料专业，我们在生物质资源与应用领域有一定的优势。我们要把优势做成特色。比如，可以用校内水产学院的虾蟹下脚料来做壳聚糖及其衍生物，可以将缓释肥料等功能材料应用到校内农学与资源学院的实验田等。因此，结合校内一些科研方向确定实验产物的应用领域。

④ 趣味：在传授知识与技能的道路上，首先触发学生的兴趣点是十分重要的。兴趣能够带领学生高度认真地对待整个实验过程。现象特别或者贴近生活的事物容易引起学生的好奇心[12]。如温度敏感性凝胶，凝胶的强吸水性及温敏性会引起学生的极大兴趣。

⑤ 安全：在过去的两年大学学习生活中，学生接触的仅仅是一些简单的、极其安全的验证性实验，操作熟练程度还不高，几乎没有接触过高毒性、剧烈反应性及浓酸浓碱物质。因此，实验药品及操作安全性的考虑还是十分必要的。

2 训练重点

基于以上定位和设计思路，将实验课的训练重点集中在以下三个方面：

① 训练重点一——生物质材料的制备及改性。

一方面，在实验原料的选取上进行了细致的考究，包括原料的类别、来源及对后续反应条件的要求等。最终将实验原料定为学生已经了解的羧甲基纤维素、淀粉、虾壳和木质素，实验名称、反应类型及具体实验项目如图1所示，其中既包含了从自然界直接获取的天然生物质材料，如虾壳，同时也包含了天然生物质材料的衍生物，如羧甲基纤维素。

图1 实验名称、反应类型及表征与测定项目

另一方面，将反应类型的训练主要集中在高分子的化学反应。将生物质材料功能化的途径主要是将生物质高分子进行化学改性，即高分子的化学反应，包括基团修饰、接枝聚合、交联、解聚等，这些是在之前的高分子化学实验中未曾训练到的。

② 训练重点二——结构与性能测试。

首先，加强学生使用仪器表征的手段对实验产物进行结构分析，使学生更加熟练掌握常用仪器，如用傅里叶变换红外光谱分析产物的特征结构。

另外，利用已掌握或新学到的物理或化学测定方法测定实验产物的基本性质，如吸水率、脱乙酰度、环氧值等。

最后，锻炼学生充分利用仪器对实验产物的性质、性能进行测定。如用紫外可见分光光度计测试缓释性，原子吸收分光光度计测试重金属吸附性，凝胶测定仪测定凝胶的成胶时间。功能材料的基本性质测定包括凝胶吸水率、凝胶成胶时间、凝胶强度、壳聚糖的脱乙酰度等。功能材料的应用性能包括吸附性、絮凝效果、缓释性、粘结性等。

3 实验组织形式

如前所述，生物质功能材料综合实验是涵盖了制备、表征及性能测试的综合性设计实验，该课程共40课时，5个实验项目，每个实验项目8课时。为了让学生高参与度、高质量完成实验过程，课程的组织实施进行了以下统筹与设计：

① 人员组织与时间安排。

人员分配：功能材料专业的班额为30人，实验课教师1位。为了提高学生的参与度，保证教师对学生实验进行充分指导，以及考虑到大型设备的数量有限，首先，将每班学生分2组轮流上课，即将2组学生安排在2天上课。每天中的上课人数约为15人，将其分为5个实验小组，每个实验小组做不同的实验，每个实验只有3人同时做，每小组内的3人独立操作实验。此方法降低了仪器配备的使用数量，同时使得实验人数不再受到仪器设备数量的限制。另外，由于大多实验产物需要长时间真空干燥后才能够进行后续的测试，为了充分利用课堂时间，将当堂的制备实验与上一次实验产物的测试安排在同一次课做。具体安排可参考表1。

表1 实验项目的时间安排

② 实验内容讲授模式。

由于生物质功能材料综合性实验中每个实验均涉及到学生从生物质材料课程中所了解的基础生物质材料类别，同时又涉及到高分子化学课程中学到的不同高分子改性原理，另外还有学生生活中似曾听说而实质又不懂的一些应用研究方法。所以，在具体教学中，学生对实验内容的把握分为课下和课上两部分，课前一周教师线上发布与下一次实验相关的参阅资料，包括对下一次实验产物的功能应用介绍、实验所涉及生物质材料的深度介绍、相似反应原理的学术研究文章以及下一次实验的目标、原理、主要步骤和测试方法。课下，学生需要通过线上学习对实验项目有整体了解。课上，指导教师不再像基础化学实验那样简单讲授实验原理和操作步骤，而是从实验项目的角度出发，带领学生了解具体实验项目的意义，分析目标产物的制备途径，进而介绍本课程所选用的制备方法以及测试方法，再进一步强调该研究过程中的注意事项，循序渐进地引导学生对实验项目的整体脉络进行把握，而不是按部就班地做一次验证性实验。指导教师首先提出用户的要求，然后针对用户要求，带领学生分析这一课题要解决的问题及解决问题的思路。如“淀粉接枝聚丙烯酰胺的制备及絮凝性能研究”实验，首先教师从絮凝剂的应用讲起，提出我们需要做一种絮凝剂，从可降解性及功能性的角度分析得出淀粉接枝聚丙烯酰胺是一个不错的解决方案，然后落到如何制备、如何确定实验产物为目标产物以及如何测定产物的性能如何。

4 课程评价方法

该实验课的评价分为试卷考试和操作考试两部分，如图2所示。每部分赋100分，每部分的权重为50%，两部分加权后的总成绩作为总评成绩。其中，试卷考试部分的题目主要是考查学生对应用领域的了解，对生物质材料的深度开发应用的了解，对实验原理的掌握，以及对实验产物分析测试方法的掌握情况。实操考试成绩部分则是将单次实验赋100分，5个实验的每个实验权重均为20%，5个实验成绩加权后的总成绩即为操作考试总成绩。由于实验是设计性实验，不以产品的质量作为评价标准，而主要是以学生的研究态度端正与否，对仪器能否进行正确操作及对实验数据能否进行正确分析为依据。成绩由实验操作和实验报告两部分决定。操作部分注重培养学生严谨认真的科研态度，督促学生养成科研人才应有的实验习惯，提高实验素养；实验报告部分则要求学生完成一篇小型科技论文，阐述实验应用领域的基本概念及其发展现状，清楚地表述实验材料、步骤和方法、实验结果以及对实验结果进行讨论。由此督促学生查阅文献、尝试撰写缩减版的科研论文。

图2 实验成绩评价方法

5 结语

随着可再生、可循环利用的生物质功能材料产业的蓬勃兴起，高素质生物质功能化设计与研发人才需求攀升，农科高等院校开设农林资源功能化利用实验课程，是推动产业发展的重要举措。立足产业发展，生物质功能材料综合实验是具有针对性和综合性的探究实验课程，在我校开设两个学期以来，深受学校的认可和学生的喜爱。学生通过设计和研究多类别生物质功能材料的合成与性能，创新思维、专业认知及实验技能得到了大幅提升。