“新農(nóng)科”背景下林業(yè)院校植物化學實驗教學改革與實踐

雷然，鄧書端，李向紅,＊

1西南林業(yè)大學化學工程學院，昆明 650224

2西南林業(yè)大學材料科學與工程學院，昆明 650224

植物化學是一門運用現(xiàn)代化學理論和方法，綜合植物學和有機化學相關(guān)理論，對植物成分主要是具有生理活性的次生代謝產(chǎn)物的提取、分離純化、結(jié)構(gòu)鑒定、功能性質(zhì)、生物合成、化學合成以及結(jié)構(gòu)修飾改造等方面進行研究，是天然產(chǎn)物化學的重要組成部分[1]。植物化學是在分子水平上揭示植物奧秘，為植物資源合理利用奠定基礎；對于新藥研發(fā)、化學生態(tài)學等方面有著重大意義，并產(chǎn)生重大經(jīng)濟效益和社會效應[2,3]。植物化學實驗是植物化學課程的重要組成部分，也是林業(yè)院校應用化學、林產(chǎn)化工、農(nóng)學、生物技術(shù)等專業(yè)的重要基礎課程，具有很強的實踐性。通過植物化學實驗教學，可培養(yǎng)學生對植物化學相關(guān)實驗的基本操作能力，提升實驗技能，更重要的是提升學生的創(chuàng)新能力、獨立思考和分析處理數(shù)據(jù)的能力，并把課程理論知識靈活運用到實踐中。植物化學實驗兼具理論性和實踐性，在林業(yè)院校中已成為培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識和科研能力的重要教學環(huán)節(jié)。

“新農(nóng)科”是高等農(nóng)林教育適應全球變化和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的需要，是新時代中國高等教育內(nèi)涵發(fā)展和卓越農(nóng)林人才培養(yǎng)的重要內(nèi)容。在高等農(nóng)林教育的新形勢下，“新農(nóng)科”建設為高等農(nóng)林院校人才培養(yǎng)指明了方向，為推進農(nóng)林現(xiàn)代化的人才需求作出更大貢獻[4]。在“新農(nóng)科”背景下，現(xiàn)有的植物化學實驗教學中存在較多問題。教學模式多年以來變化不大，開設的實驗內(nèi)容單一，驗證性實驗多，創(chuàng)新性低，缺乏信息化教學方式；實驗教學過程中，學生完成實驗流于形式，缺乏自學能力，停留于教師的講授和實驗教材的表述，對實驗數(shù)據(jù)的處理不夠嚴謹，處于僅僅完成實驗的學習狀態(tài)，難以培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力；實驗教學和社會需求脫節(jié)，產(chǎn)、學、研未能協(xié)同發(fā)展。針對植物化學實驗在實踐教學環(huán)節(jié)中存在的具體問題，結(jié)合林業(yè)院校相關(guān)專業(yè)辦學特色，滿足現(xiàn)代行業(yè)對人才的需求，以“雙一流”建設下高等農(nóng)林院校的自身教學特色和理念為前提，以培養(yǎng)學生實踐能力和創(chuàng)新能力為導向[5]，從重視教材建設、實驗教學內(nèi)容的優(yōu)化、教學方法的改進以及加強實驗室建設等方面進行實驗教學改革探索和實踐，培養(yǎng)學生成為具有扎實理論基礎和較高實驗技能相結(jié)合的應用型人才，發(fā)揮植物化學實驗在人才培養(yǎng)中的作用。

1 重視課程教材建設

實驗教材是相關(guān)課程體系教學中的重要組成部分，好的教材與教學質(zhì)量密切相關(guān)[6]。隨著實驗教學改革，編寫的實驗教材也浩如煙海。目前，國內(nèi)有許多植物化學實驗的相關(guān)教材[7–10]。由于各高校實驗教學內(nèi)容側(cè)重點有差別，加上實驗條件和儀器設備也有差異，如教材《植物化學實驗》[11]雖涵蓋了大部分實驗內(nèi)容，但不太適用于農(nóng)林院校的人才培養(yǎng)特色目標，所以《植物化學實驗》在農(nóng)林院校中的適用性不高。教材中實驗項目和內(nèi)容較多，新技術(shù)和新方法應用內(nèi)容較少，實驗項目不能很好地突出林業(yè)類院校特色和培養(yǎng)人才的需求，同時實驗內(nèi)容以驗證性實驗為主，學生具體操作中墨守成規(guī)、按部就班，停留于教師講授和教材表述，導致學生實驗技能較差，不能培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力。

結(jié)合林業(yè)院校相關(guān)專業(yè)辦學特色，為了適應林業(yè)院校實驗教學要求，必須注重植物化學實驗教材的建設，筆者根據(jù)本校植物化學課程建設的發(fā)展趨勢于2007年編寫了《植物化學實驗講義》。隨著學校招生規(guī)模和專業(yè)的調(diào)整，講義在不斷使用過程中，繼續(xù)增設了綜合性實驗和設計性實驗，不斷完善實驗體系，與其他植物化學實驗教材相比，增加了企業(yè)參觀實習項目，完成基礎實驗教學后，走進企業(yè)，了解教學中的實驗項目在實際生產(chǎn)應用中的具體操作，使植物化學課程的理論知識靈活運用到實踐操作中去，重點強調(diào)實驗操作技術(shù)，相關(guān)理論知識的介紹根據(jù)社會行業(yè)需求不斷改進，學生在接受相應知識點的同時對實驗操作方式的改進起到很大幫助。植物化學實驗課程在不斷改進和實施的過程中受到學生普遍好評。

2 實驗教學內(nèi)容的優(yōu)化

植物化學實驗課程內(nèi)容主要由兩部分組成：植物化學相關(guān)理論知識的介紹和各類代表性植物有效成分的分析等實驗操作。其中理論介紹包括經(jīng)典的提取和分離方法、色譜分離方法、純度判定、結(jié)構(gòu)鑒定及植物化學成分預實驗的介紹；具體實驗操作包括黃酮類化合物、醌類化合物、苯丙素類化合物、生物堿、萜類和揮發(fā)油、苷類化合物等植物成分的提取、分離和鑒定等。綜合國內(nèi)高校選用的各類植物化學實驗教材，教材中所涉及的實驗個數(shù)多達20–30個，而實際開設的實驗個數(shù)并不多，具體實施的實驗內(nèi)容操作流程不太完備。林業(yè)院校開設的植物化學實驗學時數(shù)不多，一般在16–32學時，即開設實驗內(nèi)容4–8個。這是由于一些非化學類專業(yè)學生的化學基礎較為薄弱，所以開設的實驗內(nèi)容較簡單，時間不長，導致整個實驗過程系統(tǒng)性不強，教學內(nèi)容的優(yōu)化是解決這一問題的關(guān)鍵。筆者所在學校現(xiàn)今開設的實驗項目如表1所示。

表1 植物化學實驗項目

根據(jù)林業(yè)院校相關(guān)專業(yè)背景和培養(yǎng)目標，對于植物化學實驗教學內(nèi)容在原來的基礎上進行不同優(yōu)化配置，并非從追求實驗項目多和內(nèi)容廣出發(fā)，而體現(xiàn)的是教學內(nèi)容“精”這一特色。

(1) 對于化學基礎較薄弱的專業(yè)在進行驗證性實驗時，先逐步淘汰一些內(nèi)容較為陳舊、技術(shù)含量低的一些實驗，對于有代表性的驗證性實驗應增加植物化學預實驗中的單項預實驗和系統(tǒng)預實驗的項目。單項預實驗是指根據(jù)工作需要，有重點地檢查某類成分的存在與否；系統(tǒng)預實驗是對植物中的各類成分進行比較全面的定性檢查，如含哪些類型的化合物。這要求學生掌握植物各類有效成分的理化性質(zhì)，并利用不同類型成分的特有性質(zhì)，在實際操作中對化合物進行初步區(qū)分，從而掌握植物化學理論體系中各類有效成分的物理、化學鑒別原理與方法。

(2) 對于實驗學時安排相對較多、具有較強化學基礎的專業(yè)，以植物化學各類有效成分相關(guān)理論為基礎，選擇有代表性的含有不同類型化合物的植物資源，在優(yōu)選最佳實驗條件下，對有效成分進行提取、分離純化和鑒定等實驗操作流程。如研究黃酮類化合物相關(guān)實驗“槐米中蘆丁的提取分離與鑒定”可優(yōu)化提取方法，由傳統(tǒng)的回流提取改進為超聲波提取，在縮減提取步驟時間的同時更重要的是提高了成分的提取率，為后續(xù)實驗各步驟提供了綜合性保障，同時也將提取的新技術(shù)普遍應用于實驗教學中。

(3) 在開展基礎性實驗和綜合性實驗的同時，增加設計性和科創(chuàng)性實驗類型，開設綜合設計性實驗[12]。學生可結(jié)合相關(guān)實驗教材、期刊論文、實驗相關(guān)視頻以及教師的相關(guān)科研項目，在上實驗課前進行資料查閱收集和預習，自行設計實驗方案和實驗流程，然后進行具體實驗操作，在拓寬學生知識面的同時培養(yǎng)學生的自學能力、分析和解決問題的能力及處理數(shù)據(jù)的能力，從而提升學生的創(chuàng)新意識和綜合實驗能力。

(4) 踐行綠色環(huán)保理念，以“綠色化學”為導向進行實驗教學[13]。植物化學實驗在提取分離時消耗有機溶劑的量較大，學生在實驗操作中如果環(huán)保意識不強，則會造成溶劑嚴重浪費，因此培養(yǎng)學生對試劑藥品的“綠色化”理念尤為重要。如在“葛根素的提取分離與鑒定”實驗中限定學生稱取葛根粗粉50 g，利用超聲波提取法提取，溶劑使用量95%乙醇上限400 mL并減壓濃縮回收溶劑，過氧乙酸上限50 mL等，防止有機溶劑的大量使用污染環(huán)境；薄層層析操作后可刮掉薄層填料重新鋪板再利用，跑板展開時采用微型裝置來實現(xiàn)；廢棄液經(jīng)處理后方可回收或排放以及易制毒廢棄物的回收管理。這就要求學生提前預習，清晰整個實驗過程，促進學生樹立環(huán)保意識，同時培養(yǎng)學生實驗設計分析能力。

(5) 在“新農(nóng)科”背景下，以提升農(nóng)林類專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量和培養(yǎng)應用型人才為目的，在行業(yè)對人才具體需求的前提下，補充和完善植物化學實驗內(nèi)容，可在基礎實驗的教學內(nèi)容上增加滿足行業(yè)需求的應用性較強的實驗項目。以筆者所在高校的學院為例，從學院與企業(yè)合作的教學科研就業(yè)實習基地中篩選出相關(guān)企業(yè)，如云南通海楊氏天然產(chǎn)物有限公司，該公司主要生產(chǎn)天然色素，植物化學實驗教學內(nèi)容中可增設“β-胡蘿卜素和番茄紅素的提取分離與測定”等關(guān)于天然色素分析的實驗來增強植物化學實驗的應用性。

實驗教學內(nèi)容的優(yōu)化可從基本操作和綜合技能培養(yǎng)上升到科研能力的提升和創(chuàng)新能力的提高，不僅讓學生把握了植物化學理論的基本知識和學科的研究進展，同時又兼顧了社會相關(guān)行業(yè)的需求和發(fā)展，更有利于學生把握植物化學的研究趨勢和前景[14]。

3 教學方法的改進

傳統(tǒng)的植物化學實驗教學方法主要以實驗教材為指南，從相關(guān)教材中選取幾個有代表性的實驗項目，按照實驗步驟進行教學活動，以教師的講授為主，對學生預習及撰寫預習報告、具體實驗操作、數(shù)據(jù)分析處理和提交實驗報告等方面嚴格要求。在傳統(tǒng)的教學模式和教學過程下，學生一般是抱著完成實驗課程任務的心態(tài)被動接受，操作機械化，分析處理數(shù)據(jù)能力不強，理論結(jié)合實踐的能力較差，對于實驗的科學意義通常不能很好理解，缺乏對整個實驗流程的思考，摘抄教材導致實驗報告千篇一律，從而導致對實驗的積極性嚴重下降，因此對植物化學實驗教學方法的改進至關(guān)重要。

(1) 教學過程中以教師的教授為主導地位，單一的實驗講授往往顯得枯燥，在講授過程中學生依賴實驗教材而積極性不高，對教師語言傳遞的信息一知半解，靈活運用多媒體實驗教學可提高學生的實驗積極性。植物化學實驗開課對象為大二學生，實驗以植物中有效成分的提取、分離純化和鑒定為主，植物化學理論課程的全面講解讓學生對實驗目的有一定的認知，通過大一基礎化學實驗課程的開設也讓學生掌握了一些基本實驗技能，但對于植物化學實驗整個流程學生缺乏系統(tǒng)性認知，單一的講授較為抽象，顯得枯燥乏味，利用多媒體教學可將實驗涉及到的具體代表化合物從結(jié)構(gòu)展示到提取、分離和鑒定過程以三維動畫的形式全面展示給學生，同時通過圖片全面介紹成分化合物在各行業(yè)中的應用，從而引起學生的學習興趣，生動形象地領(lǐng)會到實驗的本質(zhì)。由于實驗學時有限，利用多媒體實驗教學可對實驗目的、實驗原理、儀器裝置操作等環(huán)節(jié)進行講解，并對實驗流程以動畫的形式逐步講解[15]，結(jié)合教師對關(guān)鍵環(huán)節(jié)著重講授和示范操作，可在學生基本實驗操作規(guī)范化同時，提升學生分析和解決問題的能力，激發(fā)學生的創(chuàng)新能力。靈活運用多媒體實驗教學可在較短時間內(nèi)讓學生生動記憶，提升了教學速度，增加學生動手時長，進一步提升學生的實驗技能。同時，把握好植物化學各實驗項目之間的區(qū)別和聯(lián)系，進行比較總結(jié)，可進一步引導學生對理論知識的掌握和實踐。植物化學各實驗項目萬變不離其宗，總體流程大同小異，在教學環(huán)節(jié)可采用比較探究的方法，在實驗項目依次開展的過程中，可對每次實驗的成分化合物分別從結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)以及提取分離方法上進行對比，找到它們之間存在的共同點和差異，不斷累積總結(jié)，通過總結(jié)實驗項目的相關(guān)聯(lián)系，讓學生更深層次地掌握具體操作步驟，可不斷提升學生的實驗熟練度，并且縮短了一些常規(guī)步驟的操作時間。多媒體實驗教學的合理利用，可充分調(diào)動學生學習的主觀能動性，并樹立創(chuàng)新意識，發(fā)揮學生的創(chuàng)造能力。

(2) 教學過程中以學生的學習為核心地位，根據(jù)實驗教學目標，需要教師的嚴格要求和引導。植物化學實驗除了教學環(huán)節(jié)中的具體操作以外，還包括預習環(huán)節(jié)和實驗報告的撰寫，所以要提升教學環(huán)節(jié)的質(zhì)量，必須在預習、操作以及數(shù)據(jù)處理上進行教學方式的改進，從而使學生達到學習效果。預習環(huán)節(jié)中，教師嚴格要求學生撰寫預習報告，預習報告并非摘抄教材，而是查閱實驗項目相關(guān)的文獻資料以及觀看實驗相關(guān)視頻材料，對比各類提取分離方法，設計實驗流程，細化實驗步驟。例如提取方法的選擇，除了教材中實驗項目指定的提取方法外，可根據(jù)成分化合物的性質(zhì)選用其他提取方法，如傳統(tǒng)的提取方法(浸漬法、滲漉法、回流提取法和水蒸氣蒸餾法等)或提取的一些新技術(shù)(超臨界流體萃取、微波提取、超聲波提取等)，根據(jù)實驗室條件，可對選用的提取方法進行優(yōu)缺點比較，選用切實可行、高效便捷的方法開展實驗；實驗操作上，對于學生在操作中出現(xiàn)的問題教師不能即刻包辦解決，教師講解完相關(guān)理論和示范操作后，應轉(zhuǎn)變?yōu)橐龑д叩慕巧⒎欠湃螌W生胡亂操作和根據(jù)實驗教材的操作步驟照單全收的實驗模式。例如在成分化合物分離鑒定中的薄層層析操作中，展開劑的選擇上可給出一個大致溶劑配比用量，通過學生具體實踐找到一個合適的配比用量，嘗試失敗最終成功可進一步讓學生明白溶劑的極性對化合物展開的重要影響。對于一些復雜的實驗操作須引導學生合作學習，通過討論和思考，分工協(xié)作，共同完成實驗項目，可營造良好的實驗氛圍，激發(fā)大家探討問題的學習能力，樹立團隊意識和培養(yǎng)團隊精神；撰寫實驗報告上，實驗數(shù)據(jù)的記錄和處理分析至關(guān)重要，杜絕學生抄襲他人數(shù)據(jù)。植物化學實驗數(shù)據(jù)沒有高度重合性，以提取率為例，等量的材料以相同的提取條件進行提取，提取率也并非完全一致，此時學生可通過對材料溶劑、儀器設備等方面進行分析，不能為了跟他人保持一致而抄襲。準確記錄實驗數(shù)據(jù)，合理分析處理實驗數(shù)據(jù)，規(guī)范撰寫實驗報告，可培養(yǎng)學生的邏輯思維能力和分析總結(jié)能力。

(3) 加強理論與實際的結(jié)合，邀請相關(guān)企業(yè)研發(fā)人員指導學生進行實驗教學[16]。所謂學以致用，并非是為了開展實驗而完成實驗，一定要結(jié)合實際，結(jié)合行業(yè)需求，真正做到理論聯(lián)系實際。與植物化學相關(guān)的各企業(yè)把握著社會具體需求下的植物化學的實驗技術(shù)，所以邀請企業(yè)研發(fā)人員進行實驗課指導，可使學生對哪些植物化學實驗在實際中應用廣泛有所了解，從而提高學生學習和操作的積極性。反復熟練地操作實際使用率較高的實驗項目，并牢記于心，理解透徹。同時可面向企業(yè)進行企業(yè)考察實踐和生產(chǎn)實習，現(xiàn)場考察實踐是所學理論知識實際應用的直觀展示[17]，通過企業(yè)安排的專業(yè)技術(shù)人員對相關(guān)考察實踐內(nèi)容的介紹和生產(chǎn)線的參觀，讓學生直接感受到學以致用。如目標化合物如何通過企業(yè)生產(chǎn)線進行提取分離和純化，所用設備和具體流程可讓學生對比實驗室操作和企業(yè)生產(chǎn)的異同，使學生更明確植物化學實驗在實際生產(chǎn)中的應用。學生可向企業(yè)申請生產(chǎn)實習，具體參與實踐工作，鍛煉提升生產(chǎn)實踐能力，既培養(yǎng)了學生專業(yè)學習興趣，又提升了學生的綜合能力，同時為學生就業(yè)提供一定機會，提升學生就業(yè)后對生產(chǎn)工作的熟練度，并能很快適應社會需求下的生產(chǎn)效率。充分利用教學科研就業(yè)實習基地，通過與企業(yè)的密切合作，加強理論與實際結(jié)合，為應用型人才的培養(yǎng)打下堅實基礎。

(4) 注重學生科研創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。學生培養(yǎng)仍以傳統(tǒng)模式為主，在實驗教學中融入科研，促進科研帶動教學，使學生近距離接觸科研，有助于學生向科研者角色轉(zhuǎn)變，可提升學生的科研能力、創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力。學生在教師的指導下，參與一定的科研項目工作并對實驗結(jié)果進行分析處理，可激發(fā)學生的科研興趣，提升實踐中的綜合能力，如利用高效液相色譜測定黃酮的含量和比色法測定總黃酮含量的區(qū)別等通過實踐操作得到更好的理解。同時，增設科研講座，結(jié)合植物化學研究熱點和前沿實驗技術(shù)，可邀請校內(nèi)外具有豐富經(jīng)驗的專家、教授進行講授，讓學生感受到科研并非遙不可及，并形成良好的學習氛圍，為養(yǎng)成良好的科研習慣打下基礎。以教學實驗的熟練掌握為基礎，在完成科研工作中的實驗綜合能力提升為前提，學生可進一步獨立申報科技創(chuàng)新基金、大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃等項目，完成項目的同時，提升學生對科研的認知，并把實驗中得到的數(shù)據(jù)進行總結(jié)，撰寫論文發(fā)表，從而培養(yǎng)學生的科研創(chuàng)新思維，增強學生的創(chuàng)新能力，提升學生的綜合素質(zhì)。

4 加強實驗室建設

實驗室是開展實驗教學的基本場所，相應設施是保證順利完成實驗教學的基本條件，作為實踐教學的重要平臺，須發(fā)揮對學生的實驗技能和科研創(chuàng)新能力培養(yǎng)的重要作用。加強實驗室建設，優(yōu)化資源配置，以“綠色低碳”為建設原則，在保證教學質(zhì)量的同時提高利用效率，順利開展實驗教學工作。結(jié)合林業(yè)院校專業(yè)特點和植物化學實驗室現(xiàn)狀，實驗室建設不容忽視。

筆者所在學校現(xiàn)有的植物化學實驗室并非獨立實驗室，而是與其他專業(yè)性化學實驗共用實驗場所，雖都完成了實驗教學任務，但教學質(zhì)量并不高，所以建設獨立的植物化學實驗室是保證良好教學效果的關(guān)鍵，這不僅滿足植物化學實驗基礎教學，同時為相關(guān)科研提供了重要平臺。更新儀器設備，增加基礎實驗儀器的數(shù)量也是加強實驗室建設的必要措施。隨著中央財政支持地方高校發(fā)展專項資金建設項目的資金投入，實驗室淘汰了大量不能滿足現(xiàn)代實驗需求的老舊儀器，更新了旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀、真空干燥箱、超聲波提取儀、微波提取儀、熒光檢測器、精餾裝置等儀器設備，進一步提高了實驗效率，對于植物化學基礎性實驗和綜合性實驗的開設提供了便利。同時，一些分析測試的大型設備也投入到植物化學實驗中，如薄層掃描儀、高效液相色譜儀、氣相色譜儀、噴霧干燥器、紫外光譜儀、紅外光譜儀等，為學生在化合物分析檢測和鑒定上提供了有力保障。儀器設備的更新為植物化學實驗系統(tǒng)全面的開展創(chuàng)造了基礎，學生在實驗過程中不僅對基礎性實驗裝置的操作熟練掌握，同時對一些大型儀器設備的操作也親身體驗從而熟知其基本操作，為學生在未來的相關(guān)工作實踐中打下基礎。

5 結(jié)語

通過對植物化學實驗課程從教材建設、教學內(nèi)容、教學方法和實驗室建設等多方面進行了改革探索與實踐，取得了較好的效果。學生學習的積極性得到提升，綜合實驗技能得到提高，系統(tǒng)掌握了植物化學實驗的實驗方法，同時提升了學生處理數(shù)據(jù)、分析解決問題的能力，通過相關(guān)科研工作使學生的科研能力得到了鍛煉，教學效率和教學質(zhì)量也顯著提高。例如申報并獲批的與植物化學相關(guān)的國家級、省級和校級的大學生創(chuàng)新訓練項目逐年遞增。然而，林業(yè)院校的植物化學實驗的教學改革仍負重致遠，在“新農(nóng)科”背景下，很多方面都有待改革實踐和提升，以便更好發(fā)揮植物化學實驗對培養(yǎng)應用型人才的作用，滿足社會對高層次人才的需求。