新農科背景下生物質功能材料綜合實驗課程建設

雷海波，許艷玲，任健，劉文

天津農學院基礎科學學院，天津 300392

2019年6月，全國涉農高校在浙江安吉共商新時代中國高等農林教育發展大計，發布了中國新農科建設宣言“安吉共識”。共識中確定我國農林高校教育的目標要開創新格局，走融合發展之路，打破固有學科邊界，破除原有專業壁壘，推進農工、農理、農醫、農文深度交叉融合創新發展，發揮學科綜合優勢。對于學生的培養，要提升學生的創新意識、創新能力和科研素養，提升學生綜合實踐能力[1]。在2019年12月新農科建設推出的“北京指南”中，重點強調了要提升課程的“高階性”“創新性”和挑戰度[2]。新材料產業是我國戰略新興產業，生物質可循環利用功能材料是新材料產業發展的重要方向，生物質功能材料是利用豐富的農林生物質資源開發環境友好和可循環利用的功能材料，是農工融合發展的著力點之一。

在此新農科建設的背景下，我校功能材料專業以培養高分子功能材料相關的農業生態、農業生物資源利用等高新技術應用型人才為培養目標之一，要求學生掌握功能材料的制備與改性、材料結構與性能測試等基本知識與基本實驗技能?！吧镔|功能材料綜合實驗”是一門以農林產出物或初級衍生物的生物質材料為起始物，采用高分子化學改性的手段，設計合成涉及農學、生命、環境、能源、醫藥等多應用領域的功能性材料，并測試其物理化學性質及其功能特性。該門實驗課具有多學科交叉性，實驗內容具有綜合性與設計性的特點，被首選成為落實“新農科”農工融合思想的實踐載體之一。目前尚未查閱到已經出版的生物質功能材料綜合實驗教材或教學體系文獻可供參考。借鑒黃浩等人[3–9]對高分子化學實驗、功能材料實驗等實驗教學的改革設計經驗，如將自主研究融入到教學中，以激發學生的科研興趣，提升學生的創新能力；以應用功能為導向，啟發學生制備材料，測試材料的性能；引入日常接近的材料，提升實驗的趣味性，增強學生的主動性；打破傳統的固定式實驗方案，將實驗條件變量化，提升學生的探究能力和創新意識。采取基礎實驗訓練、綜合實驗設計及創新實驗研究多層次結合的方式設置課程，同時，結合生物質功能材料綜合實驗課程的自身特點，圍繞設計思路、訓練重點、實驗組織形式、實驗內容及評價方法等方面，研究建立了始于基礎、獨立探究、提升創新意識和提高科研素養并舉的實驗課程體系，為同業人士提供參考。

1 實驗課目的與設計思路

作為大三本科學生的一門專業綜合實驗課程，生物質功能材料綜合實驗定位為：面向將要從事生物質材料功能化改性及應用研究的學生進行的以綜合型實驗為主的橋梁實驗課[10]。該橋梁實驗課旨在基礎實驗教學與科學研究之間搭建橋梁，助力學生在生物質材料、高分子化學等專業基礎課的學習基礎之上，提升實驗技能與科研素質，并能夠探索與把握學科研究與應用的前景與著力點，使學生們半年后能夠從容面對企業實訓，一年后順利應對畢業設計研究，近而自信面對職業的選擇。

基于此定位，從以下幾點考慮進行課程設計和實驗選擇：

① 基礎：一方面考慮學生的知識儲備情況。學生們已經學過生物質材料、有機化學、實驗化學(理論與實驗)、高分子化學(理論與實驗)、儀器測試與分析等課程，了解了纖維素、淀粉、殼聚糖及木質素等生物質材料的性質，具備了簡單實驗操作的能力，包括抽濾、索氏提取、回流反應、化學滴定操作、各類聚合反應實施方法等。基本掌握了傅里葉變換紅外光譜儀、紫外可見分光光度計、原子吸收分光光度計等儀器的原理和使用方法。

② 提升：對于綜合性設計實驗而言，學生已經具有實驗相關各方面部分或零散的知識積累和操作技能，但還不具備獨立系統設計實驗和駕馭實驗全過程的能力，這些恰恰是經過這門綜合實驗的歷練而提升的，也是在原有基礎上經過學習和訓練能夠達到的[11]。

③ 特色：對于農科院校開設的功能材料專業，我們在生物質資源與應用領域有一定的優勢。我們要把優勢做成特色。比如，可以用校內水產學院的蝦蟹下腳料來做殼聚糖及其衍生物，可以將緩釋肥料等功能材料應用到校內農學與資源學院的實驗田等。因此，結合校內一些科研方向確定實驗產物的應用領域。

④ 趣味：在傳授知識與技能的道路上，首先觸發學生的興趣點是十分重要的。興趣能夠帶領學生高度認真地對待整個實驗過程?，F象特別或者貼近生活的事物容易引起學生的好奇心[12]。如溫度敏感性凝膠，凝膠的強吸水性及溫敏性會引起學生的極大興趣。

⑤ 安全：在過去的兩年大學學習生活中，學生接觸的僅僅是一些簡單的、極其安全的驗證性實驗，操作熟練程度還不高，幾乎沒有接觸過高毒性、劇烈反應性及濃酸濃堿物質。因此，實驗藥品及操作安全性的考慮還是十分必要的。

2 訓練重點

基于以上定位和設計思路，將實驗課的訓練重點集中在以下三個方面：

① 訓練重點一——生物質材料的制備及改性。

一方面，在實驗原料的選取上進行了細致的考究，包括原料的類別、來源及對后續反應條件的要求等。最終將實驗原料定為學生已經了解的羧甲基纖維素、淀粉、蝦殼和木質素，實驗名稱、反應類型及具體實驗項目如圖1所示，其中既包含了從自然界直接獲取的天然生物質材料，如蝦殼，同時也包含了天然生物質材料的衍生物，如羧甲基纖維素。

圖1 實驗名稱、反應類型及表征與測定項目

另一方面，將反應類型的訓練主要集中在高分子的化學反應。將生物質材料功能化的途徑主要是將生物質高分子進行化學改性，即高分子的化學反應，包括基團修飾、接枝聚合、交聯、解聚等，這些是在之前的高分子化學實驗中未曾訓練到的。

② 訓練重點二——結構與性能測試。

首先，加強學生使用儀器表征的手段對實驗產物進行結構分析，使學生更加熟練掌握常用儀器，如用傅里葉變換紅外光譜分析產物的特征結構。

另外，利用已掌握或新學到的物理或化學測定方法測定實驗產物的基本性質，如吸水率、脫乙酰度、環氧值等。

最后，鍛煉學生充分利用儀器對實驗產物的性質、性能進行測定。如用紫外可見分光光度計測試緩釋性，原子吸收分光光度計測試重金屬吸附性，凝膠測定儀測定凝膠的成膠時間。功能材料的基本性質測定包括凝膠吸水率、凝膠成膠時間、凝膠強度、殼聚糖的脫乙酰度等。功能材料的應用性能包括吸附性、絮凝效果、緩釋性、粘結性等。

3 實驗組織形式

如前所述，生物質功能材料綜合實驗是涵蓋了制備、表征及性能測試的綜合性設計實驗，該課程共40課時，5個實驗項目，每個實驗項目8課時。為了讓學生高參與度、高質量完成實驗過程，課程的組織實施進行了以下統籌與設計：

① 人員組織與時間安排。

人員分配：功能材料專業的班額為30人，實驗課教師1位。為了提高學生的參與度，保證教師對學生實驗進行充分指導，以及考慮到大型設備的數量有限，首先，將每班學生分2組輪流上課，即將2組學生安排在2天上課。每天中的上課人數約為15人，將其分為5個實驗小組，每個實驗小組做不同的實驗，每個實驗只有3人同時做，每小組內的3人獨立操作實驗。此方法降低了儀器配備的使用數量，同時使得實驗人數不再受到儀器設備數量的限制。另外，由于大多實驗產物需要長時間真空干燥后才能夠進行后續的測試，為了充分利用課堂時間，將當堂的制備實驗與上一次實驗產物的測試安排在同一次課做。具體安排可參考表1。

表1 實驗項目的時間安排

② 實驗內容講授模式。

由于生物質功能材料綜合性實驗中每個實驗均涉及到學生從生物質材料課程中所了解的基礎生物質材料類別，同時又涉及到高分子化學課程中學到的不同高分子改性原理，另外還有學生生活中似曾聽說而實質又不懂的一些應用研究方法。所以，在具體教學中，學生對實驗內容的把握分為課下和課上兩部分，課前一周教師線上發布與下一次實驗相關的參閱資料，包括對下一次實驗產物的功能應用介紹、實驗所涉及生物質材料的深度介紹、相似反應原理的學術研究文章以及下一次實驗的目標、原理、主要步驟和測試方法。課下，學生需要通過線上學習對實驗項目有整體了解。課上，指導教師不再像基礎化學實驗那樣簡單講授實驗原理和操作步驟，而是從實驗項目的角度出發，帶領學生了解具體實驗項目的意義，分析目標產物的制備途徑，進而介紹本課程所選用的制備方法以及測試方法，再進一步強調該研究過程中的注意事項，循序漸進地引導學生對實驗項目的整體脈絡進行把握，而不是按部就班地做一次驗證性實驗。指導教師首先提出用戶的要求，然后針對用戶要求，帶領學生分析這一課題要解決的問題及解決問題的思路。如“淀粉接枝聚丙烯酰胺的制備及絮凝性能研究”實驗，首先教師從絮凝劑的應用講起，提出我們需要做一種絮凝劑，從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個不錯的解決方案，然后落到如何制備、如何確定實驗產物為目標產物以及如何測定產物的性能如何。

4 課程評價方法

該實驗課的評價分為試卷考試和操作考試兩部分，如圖2所示。每部分賦100分，每部分的權重為50%，兩部分加權后的總成績作為總評成績。其中，試卷考試部分的題目主要是考查學生對應用領域的了解，對生物質材料的深度開發應用的了解，對實驗原理的掌握，以及對實驗產物分析測試方法的掌握情況。實操考試成績部分則是將單次實驗賦100分，5個實驗的每個實驗權重均為20%，5個實驗成績加權后的總成績即為操作考試總成績。由于實驗是設計性實驗，不以產品的質量作為評價標準，而主要是以學生的研究態度端正與否，對儀器能否進行正確操作及對實驗數據能否進行正確分析為依據。成績由實驗操作和實驗報告兩部分決定。操作部分注重培養學生嚴謹認真的科研態度，督促學生養成科研人才應有的實驗習慣，提高實驗素養；實驗報告部分則要求學生完成一篇小型科技論文，闡述實驗應用領域的基本概念及其發展現狀，清楚地表述實驗材料、步驟和方法、實驗結果以及對實驗結果進行討論。由此督促學生查閱文獻、嘗試撰寫縮減版的科研論文。

圖2 實驗成績評價方法

5 結語

隨著可再生、可循環利用的生物質功能材料產業的蓬勃興起，高素質生物質功能化設計與研發人才需求攀升，農科高等院校開設農林資源功能化利用實驗課程，是推動產業發展的重要舉措。立足產業發展，生物質功能材料綜合實驗是具有針對性和綜合性的探究實驗課程，在我校開設兩個學期以來，深受學校的認可和學生的喜愛。學生通過設計和研究多類別生物質功能材料的合成與性能，創新思維、專業認知及實驗技能得到了大幅提升。