探究式教学方法的改革与实践

探究式教学方法的改革与实践——“生物质材料工程”课程

盛奎川
生物系统工程与食品科学学院

一、课程简介

1.课程类别

专业课程

2.学科类别

农学—农业工程

3.课程目标和教学内容

（1）课程目标:本课程的教学目标是使学生了解诸如淀粉、蛋白质、油脂等天然高分子的合成过程、分离工艺及工业化利用的方法和现状，掌握生物质材料加工利用的基本理论、基本知识和基本技能，了解常用加工工艺流程、各主要过程的基本原理、设备结构和操作要点等，为农业工程中涉及生物质材料的工程项目规划、设备选型和产品设计开发培养必要的技能。要求学生能检索国内外有关生物质材料最新研究进展资料，并撰写读书报告或课程论文，为深入学习该课程或从事以后的实际生产、科研工作打下基础，为发展我国的生物质材料科学技术作出应有的贡献。

（2）课程教学内容:由于大量消耗石油资源和废弃聚合物导致环境污染严重，从农产品等可再生的生物质资源中开发石油替代品受到世界各国的重视。本课程主要介绍淀粉、蛋白质、油脂等天然高分子的合成过程、分离工艺及工业化利用方法，重点介绍从生物高分子中加工制备环境友好生物胶粘剂、树脂塑料、植物纤维板材、生物基复合材料及木塑复合材料等加工工艺、原理、设备、产品及性能。

4.教学对象

生物系统工程专业三、四年级本科生，应用生物大类二年级以上本科生；每年开设1～2个教学班，每班人数控制在35人以内，采用小班化教学。

5.课程学时和教学场景

（1）课程学时:课堂教学16学时，实验教学16学时。

（2）教学场景:课堂教学在多媒教室，实验教学在实验室。

二、课程教学重点解决的问题

随着我国生物科技与生物产品加工技术的迅速发展，环境友好、绿色环保材料的不断研发与应用，生物质材料（亦称生物基材料）制备方法、性能表征、装备开发等已经成为农业与生物系统工程学科中具有鲜明特色的研究方向之一。“生物质材料工程”课程自开设以来，一直注重吸取国内外前沿领域不断呈现的研究成果与成功应用案例，在课程内容方面，不断充实现代科技创新成果，推进课程内容的更新和教学方法的改革创新，激发学生的求知欲。本课程教学重点解决的问题在于，充分发挥学生的聪明才智，引导学生如何把生物质材料的基础理论知识和实际生产中的各种加工工艺流程、装备应用和产品开发有机结合起来；如何把已有的知识体系和当前国内外本领域发展的研究前沿和发展趋势相结合；如何在掌握相关理论知识的同时，锻炼实际动手能力，培养发现问题、分析问题与解决问题的能力。

三、教学方法改革

1.探究式教学实施策略与方法

针对课程教学的目标和教学中重点解决的问题，目前课程采用的教学实施策略和方法主要有:多渠道知识获取学习方式、基于问题的研究性学习、验证性综合性创新性系列实验。

（1）多渠道知识获取学习方式。改变学生单纯以接受教师课堂教学传授知识为主的学习方式，为学生构建开放的学习环境，提供多渠道获取知识途径，激发学生的学习兴趣和热情，并将所学知识综合应用于实验教学环节，从而达到培养学生的创新精神和实践能力的目的。

（2）基于问题的研究性学习。以“问题”为核心驱动学习，引导学生提出问题、分析问题、解决问题，培养学生的研究能力和创新能力；以“课题研究”为主线创设研究情境，激发学生主动探究、主动学习、主动构建知识，培养学生的拓展能力和学习能力；以“协作学习”贯穿学习的全过程，培养学生的协作能力、交流能力和奉献精神。

（3）验证性综合性创新性系列实验。研究设计实验方案、规范和措施，指导学生动手完成实验操作和训练科研能力。从三个不同角度，设计系列教学实验，一是由学生独立完成的、能培养学生动手能力的验证性实验；二是巩固阶段性知识学习的综合性实验；三是培养学生团队合作精神、解决复杂问题的创新性实验，即基于合作的创新性实验，需要3～5人为一个小组分工、分阶段合作完成，使学生在进行复杂实验过程中，培养团队合作的精神和方法。

2.具体实施方法举例

（1）多渠道知识获取学习方式举例。

主讲教师需始终把好课堂教学质量关，精心准备每一堂课的PPT等课件资料，使学生将课堂教学作为知识获取的主要方式，同时，精心编写课程讲义、开发网络课件，使学生能在课外自主学习。通过国内外学术交流，广泛收集生物质材料科学和工程方面的教学资料，如外文原著、国外教授课堂教学讲义资料、电子出版物、视频资料等，积累丰富的、宝贵的教学资料，为学生多渠道知识获取创造条件。此外，教师在生物质材料方面的学术成果，如专著、论文、专利文本等均是学生有兴趣的教学参考资料。引进的几部国外专著、参考书封面如图1所示。主讲教师参编的一部英文专著《绿色复合材料:特性、设计和生命周期评价》（ISBN:978-1-60741-301-1）封面如图2所示。学生根据自己的学习兴趣，结合国内外生物质材料不同领域前沿问题或热点问题，阅读文献资料，撰写读书报告。

图1　引进的几部国外专著、参考书封面

图2　参编英文专著封面

（2）基于问题的研究性学习。

以历年学生完成情况较好的、与生物质材料相关的大学生科研训练项目（SRTP）、“挑战杯”竞赛、大学生科研创新项目等为案例，分析基于问题的研究性学习方法。引导学生以“课题研究”为主线创设研究情境，激发学生主动探究、主动学习、主动构建知识，培养学生的拓展能力和学习能力。近年来，部分获得资助的大学生科研创新项目如下。

①吕谷来等.基于改性大豆蛋白胶粘剂的竹纤维板的制备及性能研究.浙江省新苗人才计划项目，2006.11—2007.07

②杨顺昌等.生物质颗粒燃料压缩成型及其燃烧特性的研究.浙江省新苗人才计划项目，2007.06—2008.06

③崔翔等.植物蛋白胶粘剂的粘结性及稳定性研究.浙江省新苗人才计划项目，2008.06—2009.06

④陈腾蛟等.农林生物质颗粒燃料规模生产运行参数优化调配及技术推广.浙江省大学生科技成果推广项目，2010.01—2010.12

⑤骆一凡等.竹颗粒增强聚氯乙烯复合板材的制备及性能表征.浙江省大学生科技创新项目，2010.06—2011.07

⑥夏舒敏等.基于改性淀粉粘合剂的生物质炭致密成型技术的应用与推广.浙江省大学生科技创新项目，2011.01—2012.02

大学生参加竞赛部分获奖情况如下。

①浙江省第七届“挑战杯”赛大学生创业计划竞赛:杭州鹏逸科技有限公司商业计划.一等奖（2010.06）

②浙江大学第七届“蒲公英”学生创业计划竞赛:杭州森洁木业有限公司商业计划.三等奖（2010.06）

③浙江大学第十一届“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛:生物质颗粒燃料品质特性的研究.科技发明制作A类，三等奖（2009.06）

④浙江大学第十一届“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛:基于改性大豆蛋白胶粘剂的环境友好型板材.科技发明制作A类，一等奖（2009.06）

⑤浙江省第十一届挑战杯“动感地带”大学生课外学术科技作品竞赛:基于改性大豆蛋白胶粘剂的环境友好型板材.三等奖（2009.06）

⑥第十一届“挑战杯”（航空航天）全国大学生课外学术科技作品竞赛:利用农林废弃物制备的绿色环保型人造板.三等奖（2009.11）

（3）验证性综合性创新性系列实验。

以教师为主导、博士后或博士生为助教或助手，承担、完成一系列教学实验:①验证性实验，如“聚乳酸等生物塑料的熔体流动速率试验”，“复合材料成型加工（塑料注射成型）”，“高分子材料的热分析（差示扫描量热分析、热重分析）”等；②综合性实验，如“改性大豆蛋白胶粘剂制备与性能”，“改性玉米醇溶蛋白胶粘剂制备与性能”，“木塑复合材料的制备”等；③创新性实验，如“聚乳酸（或玉米蛋白、大豆蛋白）/植物纤维（竹纤维、木纤维）共混改性”、“聚乳酸/植物纤维复合材料制备”、“聚乳酸基复合材料力学性能的表征（拉伸、弯曲、冲击等）”，从共混改性、复合材料制备到性能表征，需3～5人为一个小组分工、分阶段合作完成。图3所示为改性大豆蛋白胶粘剂与复合材料制备，图4所示为生物质复合材料力学性能试验。

实验报告基本内容包括实验目的、实验原理、试剂与仪器、实验步骤、实验结果、结果分析、心得体会等。实验报告重点是实验结果与实验数据的整理分析，要求学生独立、诚信完成实验报告，对于小组合作完成实验，实验数据可以共享，但分析结果、图表等必须各有特色。

图3　改性大豆蛋白胶粘剂与复合材料制备

图4　生物质复合材料力学性能试验

3.教学方法特点分析

（1）初步探索具有课程特色的探究性教学模式，培养了学生的学习兴趣和学习信心。通过本课程的改革，构建良好的师生关系和同学关系，激发学生的学习热情，充分发挥学生在学习过程中的主动性、积极性和创造性，变被动学习为主动学，提升学生的创新能力和协作能力。

（2）以课堂内外的理论学习、紧密结合系列实验，引导学生自主学习。让学生在理解课堂教学内容的基础上展开课外的探索学习、文献分析等活动，再将活动成果反馈到课堂教学中，形成“带着问题来、领着任务走、怀着体会回”的课内外任务驱动的联动，实现课内外活动的有机联动。

四、课程考核方法和支撑手段

1.课程考核方法

课程成绩（100分）由下面四部分组成:

（1）读书报告:5%；

（2）课外作业:5%；

（3）实验报告:30%；

（4）期末考试:60%。

2.支撑手段建设

（1）开发建设课程网络教学系统。学生利用网络教学资源，能在课外进行自主学习，复习巩固课堂教学内容并自学相关内容。

（2）完善的教学实验条件。建设具有农业工程学科特色的“生物质材料工程”教学实验室，不断完善实验室硬件条件。2011年初，在学院基本上整体搬迁至紫金港校区之后，又新增添了一批教学仪器和设备，如熔体流动速率、混炼机、注塑机、热压成型机、空隙率仪、全自动控制生物发酵系统等，并对“生物质材料工程”教学实验室进行重新规划和布置。课程主讲教师和教学实验中心老师长期热心投入，倾注大量心血和精力。在实验室建设方面，还主动接受国内外来访专家的考察与指导，采纳合理建议。此外，生物质材料研究方向科研团队的部分科研仪器设备用于教学实验，为本科生开设验证性、综合性、创新性系列实验提供必要保障。

五、效果分析和推广性分析

1.效果分析

本课程的教学方法改革自2009年开始在教学班中实施，并不断探索和改进。目前进行了4届学生实验，涉及100多名学生。改革效果良好，获得了学生较好的评价。

2.推广性分析

本课程教学方法的实施需要有以下条件支撑:

（1）需要有实验室条件支撑。需要落实验证性、综合性、创新性一系列实验，必须要有相应的实验室硬件条件作为支撑。同时，教师需要热心投入，长期积累教学资料、精心设计实验方案和操作规程等。

（2）需要学生具有学习主动性。教师在课堂上仅讲解核心知识点，学生需要课外花大量时间自学才能真正领会和巩固。读书报告、实验报告、课外作业等均需学生利用课外时间完成。

六、课程教材及实验参考书

［1］盛奎川.生物质材料工程网络教学课件，浙江大学本科教学课程中心

［2］Wool R P，Sun X S.Bio-Based Polymers and Composites.Elsevier Academic Press，2005

［3］张俐娜，陈国强，蔡杰等.基于生物质的环境友好材料.北京:化学工业出版社，2011

［4］李坚.生物质复合材料学.北京:科学出版社，2008

［5］（俄）Anatole A Klyosov.木塑复合材料.王伟宏，宋永明，高华译.北京:科学出版社，2010