“翻轉課堂”在植物纖維化學綜合性實驗教學中的實踐

楊 懿， 葉 君， 吳勝龍， 何婉芬

(華南理工大學 輕工科學與工程學院,廣州 510640)

“翻轉課堂”在植物纖維化學綜合性實驗教學中的實踐

楊 懿， 葉 君， 吳勝龍， 何婉芬

(華南理工大學 輕工科學與工程學院,廣州 510640)

綜合性實驗教學以培養創新性人才為目的，采用“翻轉課堂”教學理念，通過本科生應用國家標準分析稻桿的化學成分及漿料的物理化學性質，應用現代測試手段考察了漿料的化學結構以及手抄紙的使用性能，對哈尼稻桿和廣東稻桿造紙的可行性進行了研究。本實驗教學嘗試從傳統的單純的操作培訓教學模式向設計型、探索型實驗教學模式轉變，并鼓勵和支持學生的個性化發展，開發他們的自身好奇和興趣，在繼承性、求異性、實踐性和風險性等方面培養學生的創新能力。

翻轉課堂; 創新能力; 探索性實驗; 植物纖維; 教學模式

0 引 言

我國作為世界上最大的水稻生產國和消費國，每年生產的水稻產量約占糧食作物總量的40%。據聯合國糧食及農業組織(FAO)統計的數據[1]：2014年我國稻谷播種面積達到3 031萬hm2，稻谷總產量達到20 643萬t。這也表明,我國也是可利用的水稻秸稈資源大國。2011年我國水稻秸稈資源總量約為1.6億t，可收集利用量約為1.3億t，折合每年可節約煤碳0.28億t[2-3]。因此對稻稈的綜合利用逐漸成為很有價值、潛力的發展方向。對農業秸稈進行高值化利用[4-6]，不僅可以克服了傳統利用方式的利用效率低以及嚴重環境污染帶來的缺陷，同時還可逐步替代化石等不可再生資源。因此在化石資源日益減少的大環境下，充分開發和利用我國豐富的稻稈資源具有十分重要的現實意義[7-8]。

本實驗選取了緯度相近的哈尼水稻生長地的廣東省生長水稻的稻桿作為對比樣，以研究它們稻桿中化學成分和生物結構的差異。進行不同稻桿作為造紙原料性能評價的系統實驗，通過比較稻桿原料的化學成分、纖維特性以及經過制漿漂白后稻桿漿的性質，及其手抄紙的特性，評價了兩種稻桿作為造紙原料的差異，并在整個實驗過程中引入翻轉課堂的理念，培養本科生的創新思維和創新能力。

1 實 驗

1.1 主要試劑、儀器

本實驗選取的哈尼水稻田地理坐標：經度：101.75，緯度：23.45，其位于云南省元陽縣的哀牢山南部。廣東水稻田地理坐標：經度：113.37，緯度：23.16。哈尼稻稈(H)和廣東稻稈(G)分別由云南農科院所和廣東農科院所提供。

本實驗所用的化學試劑均為分析純(AR級)廣州化學試劑廠生產。

紫外可見分光光度計(UV-2450)日本SHIMADZU公司。纖維測量儀(XWY系列)珠海華倫造紙有限責任公司。紅外光譜儀(TENSOR 27)德國Bruker公司。

1.2 測試方法

稻稈原料中的水分含量根據國標GB/T2677.2—93《造紙原料水分的測定》測定。稻稈原料中的灰分含量根據國標GB/T 742—2008《造紙原料、紙漿、紙和紙板灰分的測定》測定。稻稈原料中苯醇抽出物含量根據國標GB/T2677.7—1994《造紙原料有機溶劑抽出物含量的測定》測定。稻稈原料中1%NaOH堿抽出物含量根據國標GB/T2677.5—1993《造紙原料1%氫氧化鈉抽出物含量的測定》測定。稻稈原料中的酸不溶木素含量根據國標GB/T2677.8—1994《造紙原料酸不溶木素含量的測定》測定。稻稈原料中的酸溶木素含量根據國標GB/T 10337—2008《造紙原料和紙漿中酸溶木素的測定》測定。稻稈原料中綜纖維素含量根據國標GB/T2677.10—1995《造紙原料綜纖維素含量的測定》測定。稻稈原料中聚戊糖含量根據國標GB/T745—2003《紙漿、多戊糖的測定》測定。稻稈漿中的二氯甲烷抽提物含量根據國標GB/T 7979—2005《紙漿、二氯甲烷抽提物的測定》測定。稻稈漿中的堿溶解度根據國標GB/T 5401—2004《紙漿、堿溶解度的測定》測定。稻稈纖維素中的抗堿性根據國標GB/T 744—2004《紙漿、抗堿性的測定》測定。稻稈漿的黏度根據ISO 5351/1:1981《Cellulose in dilute solutions——Determination of limiting viscosity number——Part 1: Method in cupri-ethylene-diamine (CED) solution》測定，其分子量由Mark-Houwink[9]獲得：

式中:M是指平均分子量；K=8.5 μL/g；α=0.90。

紅外光譜分析是采用TENSOR27型傅里葉變換紅外光譜儀(德國Bruker公司生產)進行的，并使用KBr壓片，分辨率為1/36，掃描范圍為4 000～400 cm-1；采用纖維分析儀測定原料的纖維長度、寬度、長寬比，其他細雜組分不計入測定結果，對纖維長度和寬度的分布頻率進行統計，并采用顯微鏡進行纖維形態觀察。

本實驗采用燒堿法制漿，把稻稈切成小于10 cm長，然后分別放入高壓反應釜中，具體工藝條件為:絕干量1 kg,蒸煮時間60 min,升溫時間90 min,保溫時間60 min,NaOH 18%,蒸煮溫度160 °C,蒸煮氣壓0.6 MPa,液比1∶4。采用過氧化氫(P段)、次氯酸鈉(H段)兩段式漂白。其工藝條件如表1所示。

表1 漂白工藝

2 結 果

2.1 稻稈原料的化學組分

哈尼稻稈和廣東稻稈原料的化學組成如表2所示。哈尼稻稈和廣東稻稈同屬稻草類，由于其生長的環境不同，植物細胞中各種成分的含量也有所差異。由表1可以看出：哈尼稻稈的水分含量比廣東稻稈低，哈尼稻稈的灰分含量低于廣東稻稈。由于稻草類秸稈的灰分60%以上是硅化物，含量越高的硅化物，在黑液回收時的硅干擾就越嚴重，越不利于黑液的回收。因此在組分分離時，哈尼稻稈要優于廣東稻稈。哈尼稻稈的酸溶木素和酸不溶木素的總和比廣東稻稈的高，這說明其木素含量高于廣東稻稈。由于哈尼水稻的生長周期長，生長過程中溫差大，故較高的木質素更能抵抗外界生物及環境的蠶食和侵害。哈尼稻稈中的半纖維素含量低于廣東稻稈。哈尼稻稈的綜纖維素的含量高于廣東稻稈。

由此，從兩種稻桿的組成成分來看，哈尼稻桿更適宜應用于造紙工業。

2.2 稻稈的纖維形態

圖1表示離析后的哈尼稻稈和廣東稻稈的纖維形態。由圖可以清晰觀察到兩者纖維形態的差異：哈尼稻稈纖維比廣東稻稈纖維長，但兩者的粗細程度相差不大。

表2 哈尼稻稈和廣東稻稈化學組分 %

圖2表示兩種稻稈纖維的長度和寬度分布。哈尼稻稈離析后的纖維長度分布集中在1.0～1.5 cm，在此范圍下所占比例為56.28%，廣東稻稈離析后的纖維長度分布集中在0.5～1.0 cm，在此范圍下所占比例為60.30%。哈尼稻稈離析后的纖維寬度分布集中在5～10 μm，在此范圍下所占比例為70.85%。廣東稻稈離析后的纖維寬度分布集中在5～10 μm，在此范圍下所占比例為56.28%。

表3表示哈尼稻稈和廣東稻稈的纖維形態學參數。由表可看出：哈尼稻稈纖維數量平均長度和質量平均寬度分別為1.01 cm和1.08 cm比廣東稻稈的長，哈尼稻稈的纖維寬度比廣東稻稈的纖維寬度略低，哈尼稻稈纖維長寬比(112)約是廣東稻稈纖維長寬比(54)的兩倍。哈尼稻稈的長度和長寬比都較高，由此可以預測哈尼稻稈是一種較好的造紙原料。

a：哈尼稻稈

b：廣東稻稈

圖2 稻桿纖維長度和寬度分布

材料數量平均長度/cm質量平均長度/cm一般范圍/cm數量平均寬度/μm質量平均寬度/μm一般范圍/μm)長寬比哈尼稻桿1．011．080．46～2．229105～18112廣東稻桿0．540．570．30～0．910114～2354

2.3 稻桿漿的性質

2.3.1 稻稈漿的化學成分分析

表5表示經過燒堿法制漿以及P段、H段兩段漂白后，兩種稻稈漿的化學成分。由表4可以看出：哈尼稻稈漿的二氯甲烷抽出物的含量低于廣東稻稈纖維素的。這說明哈尼稻稈漿在造紙中中具有優勢。哈尼稻桿漿不論S10還是S18均低于廣東稻稈漿，而R10和R18大于廣東稻稈漿，這表明哈尼稻稈漿的分子量較高，這在其后分子量的測定中得到證實。

2.3.2 稻稈漿的分子量

表5表示兩種稻稈漿的特性黏度、黏均分子量以及漿中纖維素的聚合度。由表可以看到：哈尼稻稈漿的分子量高于廣東稻稈漿，這也證實了表2的推論，同時說明哈尼稻桿漿的品質要優于廣東稻桿漿。

表4 稻稈漿的化學成分分析 %

表5 稻稈漂白前后的分子量

2.3.3 稻桿漿的傅里葉轉換紅外光譜分析

哈尼稻稈和哈尼稻稈纖維素及廣東稻稈纖維素的傅里葉轉換紅外光譜如圖3所示。在哈尼稻稈原料的譜上，波數為1 510 cm-1是由于木素產生的典型的芳香環的伸展振動吸收峰，但在兩種稻稈漿中該峰消失。波數為1 320 cm-1的紫丁香基、愈創木基的吸收峰在兩種稻稈漿中也消失。同時，波數在1 740 cm-1和1 430 cm-1處分別歸屬于半纖維素中酯類和甲氧基的特征峰，在兩種稻稈漿中沒有出現。

圖3 傅里葉轉換紅外光譜

在哈尼稻稈漿和廣東稻稈漿譜圖上，3 430 cm-1處的吸收峰是—OH的伸展振動產生的；2 926 cm-1處的吸收峰是C—H伸展振動產生的；1 421 cm-1處的吸收峰來自于纖維素中的C—H2彎曲振動；1 372 cm-1處的吸收峰來自于C—H彎曲振動；1 165 cm-1處的吸收峰歸屬于C—O不對稱橋式伸展振動或C—O—C伸展振動以及某些C—OH彎曲振動；在1 032 cm-1處的吸收峰歸屬于C—O—C吡喃糖環的骨架振動峰；893 cm-1處的強吸收峰歸屬于糖苷上C—H的變形振動和O—H的彎曲振動，這屬于典型的纖維素結構糖單元的β-糖苷鍵的特征吸收峰。

綜上所述：通過燒堿法制漿及P段H段漂白能有效地去除哈尼稻稈中的木素、半纖維素，得到純度較高的纖維素。

2.4 稻稈漿手抄紙的性能

由表6可以看出：在相同定量的條件下，哈尼稻稈漿手抄紙的機械性能、白度、撕裂度、耐破指數和彎曲挺度都高于廣東稻稈纖維素漿手抄紙。

表6的結論也證實了之前對稻桿原料及其漿的評估，即哈尼稻稈纖維原料是較廣東稻桿纖維原料更優異的制漿造紙原料。

表6 稻桿漿手抄紙的性能

3 翻轉課堂理念教學實踐及效果討論

3.1 教學設計及實施

傳統的專業實驗課教學如同基礎實驗課教學一樣，將一個學科中的實驗分解成幾塊在規定的學時內完成。學生首先預習實驗，抄寫實驗步驟，接下來是機械的練習，這無疑是一種被動接受的訓練式教學，采取這種“灌輸式”教學，學生只死記硬背,完全沒有主動性，也無法將這些實驗運用到所學的專業知識中驗證基礎理論，更無助于運用實驗技能進行創新性的工作，同時還使得學生失去了對追求知識的興趣和探索精神[10]。

本實驗以制漿造紙國家重點實驗室為平臺，為化學類本科二、三年級的學生提供的一項綜合性實驗學習機會，本科二、三年級學生已經完成了基礎化學實驗培訓，這為本實驗的順利進行打下了基礎。本實驗由“頂層設計”，有計劃地從植物纖維原料出發，圍繞考察原料與造紙性能關系的目標，提出相關的科學問題，并根據相關國家標準進行各個項目的實驗，討論所得到的數據，得出相關結論。

實驗開始采用“翻轉課堂”教學理念[11-13]，對一些實驗測試技術采取先看視頻，比如黏度法測分子量、紅外光譜測試等，教授同時強調關鍵步驟和技能。其次，學生閱讀相關的國家標準，在消化和理解的基礎上，以大一期間學習過的相關實驗知識為依據，自行提出相關實驗計劃，在教師的修改和指導下完成相關國家標準的測定。接著，學生查閱和閱讀相關文獻，在教師的組織下，對相關實驗數據進行討論、總結；最后，所有小組間進行交流、討論，撰寫論文，同時提出更進一步的問題以及實驗方案。整個實驗過程如圖4所示。

圖4 實驗設計及實施路線圖

由此可以看出，本實驗將學生所學習的理論知識和實驗技能相結合直接應用于具體的科研課題中，教學中教師從知識傳授者轉變為引領者和協助者，而學生從被動接受者到主動參與者與探究者，增加了兩者的互動和探討，促進了學生自主學習能力，在繼承性、求異性、實踐性和風險性等方面培養學生的創新能力。

3.2 探索性實驗教學對學生創新性培養的教學效果討論

3.2.1 探索性實驗教學對學生繼承性培養

對前人科學成果的繼承是取得創新性科研成果的基礎。本實驗教學首先扭轉過去實驗課堂上純粹“機械性”培養方式，轉而重視開發學生的學習興趣，把學習主體還給學生，看重啟發學生學習動機，幫助學生建構自主學習能力[14]。本實驗教學首先在實驗方法的教學上，采取對實驗操作觀看視頻的方法，顯然這個效果比閱讀使用說明或操作步驟要有效得多，有趣得多，并且教學信息明確，直觀，學生觀看之后都躍躍欲試，表現出對實驗的極大興趣。其次培養學生從閱讀相關國家標準開始，培養學生對科學研究的嚴肅性和嚴謹性，同時，幫助學生依此為據提出實驗方案，以喚起學生對創新需要，激發創造性潛能，從而培養學生對待創新的一種自覺的、主動的態度。

3.2.2 探索性實驗教學對學生求異性培養

求異是創新的本質特征[15]。在本實驗教學中認同多元評量與多元價值，在閱讀相關的國家標準之后，依照個人的理解和興趣，自由組合，根據實驗內容將學生分組，這樣每個學生都可以自由發揮其天賦，設計實驗方案；其次，在實驗實施后，教師組織學生對取得相關實驗數據進行討論，不同的見解和異議會完善實驗的不足，矯正實驗缺陷以及對自我的超越。在整個教學過程中，讓學生主動地去了解、探索問題及深入思考，理性討論，真正讓學習深化。

3.2.3 探索性實驗教學對學生實踐性培養

實踐才能將創新思維轉化為創新成果，才能發現新問題、提出新思路、取得新成果。本實驗教學中學生所實踐的實驗方案和技術路線都是自己設計的，因此學生們主動將自己的思維付諸于實踐中，這將傳統的單純技能操作培訓的實驗教學方式轉化為培養學生的主動參與實踐，以自我的實踐來實現自身的實驗設計，以達到實現自身價值。這也有利于學生更進一步地用以發展高階的能力，如：對知識應用、分析、綜合及評估等能力，從而培養學生創新技能。

3.2.4 探索性實驗教學對學生風險性培養

傳統實驗教學培養學生的專業實驗技能，學生只要認真按部就班地操作就能達到實驗的要求，學生往往誤以為科學研究也是如此順利，這在本科生畢業論文實踐期間表現為不認同實驗會失敗，無法面對失敗。而創新性的研究充滿了無數的不確定性和各種變數，在本實驗教學中，學生面臨著創新失敗的巨大挑戰，例如，實驗的最佳條件往往不是自己方案中的，就連測平行樣的標準偏差都達不到國標要求。學生們必須反復的進行實驗，討論實驗數據及其可信度，又要不斷地驗證實驗結論，這讓學生們深刻地體會到創新充滿著風險，創新行為可能成功，更可能失敗，而真正的成功往往是建立在大量失敗的基礎上。

4 結 語

植物纖維化學綜合性實驗教學采用“翻轉課堂”的教學理念，通過對哈尼稻桿和廣東稻桿的造紙的可行性研究過程，鼓勵和支持學生的個性化發展，開發他們的自身好奇和興趣，在繼承性、求異性、實踐性和風險性等方面培養學生的創新能力。

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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

華南理工大學第二批探索性教學項目(Y1150190)

楊 懿(1995-)女，廣東惠州人，本科生，資源環境科學專業。Tel.:18826074276;E-mail：823850782@qq.com

吳勝龍(1970-)，男，廣東廣州人，實驗師，主要研究方向為植物纖維結構及化學教學與研究。

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

G 649.21

A

1006-7167(2017)05-0210-06