提升化學本科生科學思維與邏輯的科研實踐*

周雷激 呂家斌 陳美玲 林金華 申琳 生吉萍

(1廈門大學化學化工學院化學系 福建廈門 361005; 2中國農業大學食品科學與營養工程學院 北京 100083)

本科教育是學生探索知識、提高綜合素養的重要階段。大學生求知欲強、富有創造力，但也時常陷入迷惘的困境，這時教師的正確引導顯得尤為重要。讓本科生有機會參與科學研究和創新活動，是提升大學生科學思維和邏輯能力的重要途徑。更重要的是，科學研究和創新活動有助于培養學生獨立思考、團隊協作以及在困難面前不輕言放棄的精神。

廈門大學化學人才培養基地在探索本科生參與科學研究的實踐中，實施了本科生科研訓練計劃，并設立了科技創新活動專項育苗基金，為學生拓展專業領域、培養自主學習能力和創新思維搭建了平臺，收到了良好效果[1]。

我們課題組利用育苗基金，對大學生開展了“我國東南地區主要秸稈物性分析與評價”的科學研究訓練。整個科研實踐環節以學生為主體，難易程度適中，強調學生獨立思考和團隊合作。通過科研課題的實訓，學生較好地完成了任務，科學素養和邏輯思維能力得到明顯提升。

1 明確研究目的

研究課題是實驗室已有的方向，但學生剛接手這一題目時對如何開展工作往往毫無概念。指導他們開展文獻查閱是第一步。先提出幾個問題：什么是秸稈，為什么開展秸稈研究，如何擬定實驗方案。引導他們從文獻中找答案。通過廣泛的調研，學生在給出答案的同時，也明確了研究工作的意義。

學生通過親手查閱和思考，認識到秸稈的主要成分是纖維素、半纖維素和木質素，這些是地球上十分重要和數量巨大的可再生資源，具有廉價、可降解性和生態環境友好等優點，在新能源、新材料、生物醫藥以及工業等方面具有廣闊的應用前景[2-8]。傳統上，稻草主要用于翻耕還田和飼料等，利用率低下，有關廢棄農作物秸稈資源的高效利用問題一直沒有得到有效的解決。地處我國東南地區的福建省屬亞熱帶氣候，農作物種植結構以稻作為主、旱作為輔。以2000年為例[9]，水稻秸稈產量占到了當年農作物秸稈資源總量的74.28 %，由此可見稻草是福建主要的可供開發利用的秸稈資源。因此，以福建的優勢秸稈資源為出發點，從水稻秸稈的物性分析與評價入手，是探索秸稈主流組分分離與資源高效利用、開發適合于福建水稻秸稈再生、可循環利用的重要途徑。

為了擬定實驗方案，學生通過進一步查閱文獻了解到，科研工作者[10-16]對不同秸稈資源的主流組分分析及資源的可能利用途徑進行了廣泛探索，研究和發展了濃酸水解法、紅外光譜法、紫外-可見分光光度法等化學與儀器分析方法來測定多種農作物資源中纖維素、半纖維素和木質素的含量，并對作物資源的特性進行分析。運用自己所學專業知識開展實際應用，是學生理論聯系實際的具體實踐。

在文獻工作的基礎上，學生明晰了思路，提出了自己的研究方案：以福建的優勢秸稈資源水稻秸稈作為考察對象，采用酸解前處理和容量滴定的化學分析方法(這是要求他們在大一、大二期間掌握的基礎化學實驗內容)，通過對福建不同地區的水稻秸稈資源的主流組分分析，闡述我國福建地區水稻秸稈的物性及地域分布特點。

2 確定野外采樣區域

由于秸稈資源分布的分散性，原料的品質呈現出不同的特性。如何野外采樣也是學生面對的一個具體問題。學生通過調研(瀏覽網站，查閱年鑒、學術論文，實地了解等)對福建地區的水稻秸稈的分布、產量以及秸稈利用現狀等相關信息進行了收集，并依據福建的山地形貌及氣象等生態條件[17]，有代表性地選取了6個水稻秸稈采樣區，分別是福州、安溪、長汀、三明、邵武和壽寧，代表福建東、南、西、北、中不同山地形貌及不同氣候的區域。學生解決實際問題的能力在這一環節得到了很好的訓練。

3 設計實驗內容

盡管實驗內容都是課堂上學過的知識，但要運用于實際研究中，仍需仔細擬定實驗方案。如果某個實驗環節考慮不周，就可能給實驗結果帶來較大誤差甚至錯誤。學生擬定秸稈酸解前處理和容量滴定化學分析實驗方案后，要經過反復實驗找到較優條件。科研訓練可讓項目組成員充分體會到科研實踐與平時基礎實驗課上的訓練有很大不同，促使他們在實驗中培養認真、細致嚴謹和負責的作風。

依據實驗方案和要求，學生對樣品全部進行了定量測定，每個樣品平行測定3次，并對測定數據進行進一步分析和討論。

4 結果與討論

對所獲得的實驗數據進行分析和討論，有助于提升學生的科學思維與邏輯能力。測定水稻秸稈主流組分纖維素、半纖維素和木質素含量的實驗結果如表1所示。由表1可看出，不同地區水稻秸稈中主流組分的含量存在一定差別，但是我們更想知道這種差別是否是顯著性的，即地區因素是否給秸稈主流組分含量的分布帶來顯著性影響。為了弄清這個問題，我們讓學生采用數理統計方差分析對數據進行處理，以獲取數據背后隱藏的信息。取置信度α=0.05，計算檢驗統計量F值并進行分析，從而可以推測福建地區不同地理與氣候條件對水稻秸稈組分可能帶來的影響。

(1) 閩西北邵武的樣品中纖維素含量最高。通過方差分析發現，邵武、三明、安溪的樣品纖維素含量與長汀、福州、壽寧的樣品纖維素含量存在顯著性差異；而三明與安溪之間、福州與壽寧之間沒有顯著性差異。從地域分布來看，則是從閩西北至閩東南貫穿閩中部地區一帶(如邵武、三明及安溪)樣品中的纖維素含量高；這一地帶的兩側地區(如閩東北的壽寧、福州及閩西南的長汀)樣品中的纖維素含量則較低。這可能反映了福建地區不同地理與氣候條件給水稻秸稈成分的差異帶來的一定影響。

(2) 6個不同采樣地區之間水稻秸稈半纖維素含量亦存在顯著性差異，但其區域性分布沒有呈現明顯的規律性。需要指出的是，與有關文獻報道相比，本批次樣品檢測的含量偏低。對此需要做進一步研究；在實驗環節中，樣品前處理不盡完善，如半纖維素水解不完全、或水浴加熱時還原糖未完全與堿性銅試劑反應，都可能導致水稻秸稈中半纖維素含量測定偏低。實際上，無論半纖維素含量高低，我們獲取的真實半纖維素含量信息都將有助于對秸稈資源進行科學評價和利用。

(3) 閩西北邵武的中稻木質素含量最高，閩東北長汀的早稻木質素含量最低，前者的木質素含量是后者的1.5倍以上。方差分析顯示，6個不同采樣地區之間水稻秸稈的木質素含量存在顯著性差異。從閩西北至閩東南貫穿閩中部地區，如邵武、三明、福州及安溪，水稻秸稈的木質素含量較高，這一地帶的兩側地區如閩東北的壽寧及閩西南的長汀，木質素含量則較低。這一分布與纖維素含量的分布呈現出基本相同的特點。

表1 測定不同地區水稻秸稈纖維素、半纖維素、木質素的含量

5 結論

利用化學人才培養基地這一平臺，我們引導和訓練大學生很好地開展了科研創新實踐。依據福建的山地形貌及氣象等生態條件選取了6個有代表性的水稻秸稈采樣區，分析了福建地區水稻秸稈的主流組分及其地區分布特性。盡管所作分析僅針對有限的采樣批次，尚不具備普遍性，但我們期望對福建地區的水稻秸稈優勢資源建立一個科學評價體系，并指導秸稈資源的科學、合理利用。至于更深入的評價則有賴于建立更豐富的采樣點和采樣年份的樣品數據庫。學生在科研訓練中培養了更深的研究興趣，對本項目也有了更深入的思考，提出在已有工作的基礎上，深入考察福建地區不同水稻品種如汕優63、汕優64、馬協63、博優等及其早稻、中稻和晚稻的秸稈資源中更多的物性參數(如總硅、可溶解硅、氮、秸稈透氣性、粉碎后分散性等)及其物性差異，從而為福建地區可再生利用的豐富水稻秸稈資源的高效利用提供更加科學的依據。

參 考 文 獻

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