“新农科”背景下林业院校植物化学实验教学改革与实践

雷然，邓书端，李向红,＊

1西南林业大学化学工程学院，昆明 650224

2西南林业大学材料科学与工程学院，昆明 650224

植物化学是一门运用现代化学理论和方法，综合植物学和有机化学相关理论，对植物成分主要是具有生理活性的次生代谢产物的提取、分离纯化、结构鉴定、功能性质、生物合成、化学合成以及结构修饰改造等方面进行研究，是天然产物化学的重要组成部分[1]。植物化学是在分子水平上揭示植物奥秘，为植物资源合理利用奠定基础；对于新药研发、化学生态学等方面有着重大意义，并产生重大经济效益和社会效应[2,3]。植物化学实验是植物化学课程的重要组成部分，也是林业院校应用化学、林产化工、农学、生物技术等专业的重要基础课程，具有很强的实践性。通过植物化学实验教学，可培养学生对植物化学相关实验的基本操作能力，提升实验技能，更重要的是提升学生的创新能力、独立思考和分析处理数据的能力，并把课程理论知识灵活运用到实践中。植物化学实验兼具理论性和实践性，在林业院校中已成为培养学生创新意识和科研能力的重要教学环节。

“新农科”是高等农林教育适应全球变化和农业现代化发展的需要，是新时代中国高等教育内涵发展和卓越农林人才培养的重要内容。在高等农林教育的新形势下，“新农科”建设为高等农林院校人才培养指明了方向，为推进农林现代化的人才需求作出更大贡献[4]。在“新农科”背景下，现有的植物化学实验教学中存在较多问题。教学模式多年以来变化不大，开设的实验内容单一，验证性实验多，创新性低，缺乏信息化教学方式；实验教学过程中，学生完成实验流于形式，缺乏自学能力，停留于教师的讲授和实验教材的表述，对实验数据的处理不够严谨，处于仅仅完成实验的学习状态，难以培养学生的创新能力；实验教学和社会需求脱节，产、学、研未能协同发展。针对植物化学实验在实践教学环节中存在的具体问题，结合林业院校相关专业办学特色，满足现代行业对人才的需求，以“双一流”建设下高等农林院校的自身教学特色和理念为前提，以培养学生实践能力和创新能力为导向[5]，从重视教材建设、实验教学内容的优化、教学方法的改进以及加强实验室建设等方面进行实验教学改革探索和实践，培养学生成为具有扎实理论基础和较高实验技能相结合的应用型人才，发挥植物化学实验在人才培养中的作用。

1 重视课程教材建设

实验教材是相关课程体系教学中的重要组成部分，好的教材与教学质量密切相关[6]。随着实验教学改革，编写的实验教材也浩如烟海。目前，国内有许多植物化学实验的相关教材[7–10]。由于各高校实验教学内容侧重点有差别，加上实验条件和仪器设备也有差异，如教材《植物化学实验》[11]虽涵盖了大部分实验内容，但不太适用于农林院校的人才培养特色目标，所以《植物化学实验》在农林院校中的适用性不高。教材中实验项目和内容较多，新技术和新方法应用内容较少，实验项目不能很好地突出林业类院校特色和培养人才的需求，同时实验内容以验证性实验为主，学生具体操作中墨守成规、按部就班，停留于教师讲授和教材表述，导致学生实验技能较差，不能培养学生的创新思维和创新能力。

结合林业院校相关专业办学特色，为了适应林业院校实验教学要求，必须注重植物化学实验教材的建设，笔者根据本校植物化学课程建设的发展趋势于2007年编写了《植物化学实验讲义》。随着学校招生规模和专业的调整，讲义在不断使用过程中，继续增设了综合性实验和设计性实验，不断完善实验体系，与其他植物化学实验教材相比，增加了企业参观实习项目，完成基础实验教学后，走进企业，了解教学中的实验项目在实际生产应用中的具体操作，使植物化学课程的理论知识灵活运用到实践操作中去，重点强调实验操作技术，相关理论知识的介绍根据社会行业需求不断改进，学生在接受相应知识点的同时对实验操作方式的改进起到很大帮助。植物化学实验课程在不断改进和实施的过程中受到学生普遍好评。

2 实验教学内容的优化

植物化学实验课程内容主要由两部分组成：植物化学相关理论知识的介绍和各类代表性植物有效成分的分析等实验操作。其中理论介绍包括经典的提取和分离方法、色谱分离方法、纯度判定、结构鉴定及植物化学成分预实验的介绍；具体实验操作包括黄酮类化合物、醌类化合物、苯丙素类化合物、生物碱、萜类和挥发油、苷类化合物等植物成分的提取、分离和鉴定等。综合国内高校选用的各类植物化学实验教材，教材中所涉及的实验个数多达20–30个，而实际开设的实验个数并不多，具体实施的实验内容操作流程不太完备。林业院校开设的植物化学实验学时数不多，一般在16–32学时，即开设实验内容4–8个。这是由于一些非化学类专业学生的化学基础较为薄弱，所以开设的实验内容较简单，时间不长，导致整个实验过程系统性不强，教学内容的优化是解决这一问题的关键。笔者所在学校现今开设的实验项目如表1所示。

表1 植物化学实验项目

根据林业院校相关专业背景和培养目标，对于植物化学实验教学内容在原来的基础上进行不同优化配置，并非从追求实验项目多和内容广出发，而体现的是教学内容“精”这一特色。

(1) 对于化学基础较薄弱的专业在进行验证性实验时，先逐步淘汰一些内容较为陈旧、技术含量低的一些实验，对于有代表性的验证性实验应增加植物化学预实验中的单项预实验和系统预实验的项目。单项预实验是指根据工作需要，有重点地检查某类成分的存在与否；系统预实验是对植物中的各类成分进行比较全面的定性检查，如含哪些类型的化合物。这要求学生掌握植物各类有效成分的理化性质，并利用不同类型成分的特有性质，在实际操作中对化合物进行初步区分，从而掌握植物化学理论体系中各类有效成分的物理、化学鉴别原理与方法。

(2) 对于实验学时安排相对较多、具有较强化学基础的专业，以植物化学各类有效成分相关理论为基础，选择有代表性的含有不同类型化合物的植物资源，在优选最佳实验条件下，对有效成分进行提取、分离纯化和鉴定等实验操作流程。如研究黄酮类化合物相关实验“槐米中芦丁的提取分离与鉴定”可优化提取方法，由传统的回流提取改进为超声波提取，在缩减提取步骤时间的同时更重要的是提高了成分的提取率，为后续实验各步骤提供了综合性保障，同时也将提取的新技术普遍应用于实验教学中。

(3) 在开展基础性实验和综合性实验的同时，增加设计性和科创性实验类型，开设综合设计性实验[12]。学生可结合相关实验教材、期刊论文、实验相关视频以及教师的相关科研项目，在上实验课前进行资料查阅收集和预习，自行设计实验方案和实验流程，然后进行具体实验操作，在拓宽学生知识面的同时培养学生的自学能力、分析和解决问题的能力及处理数据的能力，从而提升学生的创新意识和综合实验能力。

(4) 践行绿色环保理念，以“绿色化学”为导向进行实验教学[13]。植物化学实验在提取分离时消耗有机溶剂的量较大，学生在实验操作中如果环保意识不强，则会造成溶剂严重浪费，因此培养学生对试剂药品的“绿色化”理念尤为重要。如在“葛根素的提取分离与鉴定”实验中限定学生称取葛根粗粉50 g，利用超声波提取法提取，溶剂使用量95%乙醇上限400 mL并减压浓缩回收溶剂，过氧乙酸上限50 mL等，防止有机溶剂的大量使用污染环境；薄层层析操作后可刮掉薄层填料重新铺板再利用，跑板展开时采用微型装置来实现；废弃液经处理后方可回收或排放以及易制毒废弃物的回收管理。这就要求学生提前预习，清晰整个实验过程，促进学生树立环保意识，同时培养学生实验设计分析能力。

(5) 在“新农科”背景下，以提升农林类专业人才培养质量和培养应用型人才为目的，在行业对人才具体需求的前提下，补充和完善植物化学实验内容，可在基础实验的教学内容上增加满足行业需求的应用性较强的实验项目。以笔者所在高校的学院为例，从学院与企业合作的教学科研就业实习基地中筛选出相关企业，如云南通海杨氏天然产物有限公司，该公司主要生产天然色素，植物化学实验教学内容中可增设“β-胡萝卜素和番茄红素的提取分离与测定”等关于天然色素分析的实验来增强植物化学实验的应用性。

实验教学内容的优化可从基本操作和综合技能培养上升到科研能力的提升和创新能力的提高，不仅让学生把握了植物化学理论的基本知识和学科的研究进展，同时又兼顾了社会相关行业的需求和发展，更有利于学生把握植物化学的研究趋势和前景[14]。

3 教学方法的改进

传统的植物化学实验教学方法主要以实验教材为指南，从相关教材中选取几个有代表性的实验项目，按照实验步骤进行教学活动，以教师的讲授为主，对学生预习及撰写预习报告、具体实验操作、数据分析处理和提交实验报告等方面严格要求。在传统的教学模式和教学过程下，学生一般是抱着完成实验课程任务的心态被动接受，操作机械化，分析处理数据能力不强，理论结合实践的能力较差，对于实验的科学意义通常不能很好理解，缺乏对整个实验流程的思考，摘抄教材导致实验报告千篇一律，从而导致对实验的积极性严重下降，因此对植物化学实验教学方法的改进至关重要。

(1) 教学过程中以教师的教授为主导地位，单一的实验讲授往往显得枯燥，在讲授过程中学生依赖实验教材而积极性不高，对教师语言传递的信息一知半解，灵活运用多媒体实验教学可提高学生的实验积极性。植物化学实验开课对象为大二学生，实验以植物中有效成分的提取、分离纯化和鉴定为主，植物化学理论课程的全面讲解让学生对实验目的有一定的认知，通过大一基础化学实验课程的开设也让学生掌握了一些基本实验技能，但对于植物化学实验整个流程学生缺乏系统性认知，单一的讲授较为抽象，显得枯燥乏味，利用多媒体教学可将实验涉及到的具体代表化合物从结构展示到提取、分离和鉴定过程以三维动画的形式全面展示给学生，同时通过图片全面介绍成分化合物在各行业中的应用，从而引起学生的学习兴趣，生动形象地领会到实验的本质。由于实验学时有限，利用多媒体实验教学可对实验目的、实验原理、仪器装置操作等环节进行讲解，并对实验流程以动画的形式逐步讲解[15]，结合教师对关键环节着重讲授和示范操作，可在学生基本实验操作规范化同时，提升学生分析和解决问题的能力，激发学生的创新能力。灵活运用多媒体实验教学可在较短时间内让学生生动记忆，提升了教学速度，增加学生动手时长，进一步提升学生的实验技能。同时，把握好植物化学各实验项目之间的区别和联系，进行比较总结，可进一步引导学生对理论知识的掌握和实践。植物化学各实验项目万变不离其宗，总体流程大同小异，在教学环节可采用比较探究的方法，在实验项目依次开展的过程中，可对每次实验的成分化合物分别从结构、理化性质以及提取分离方法上进行对比，找到它们之间存在的共同点和差异，不断累积总结，通过总结实验项目的相关联系，让学生更深层次地掌握具体操作步骤，可不断提升学生的实验熟练度，并且缩短了一些常规步骤的操作时间。多媒体实验教学的合理利用，可充分调动学生学习的主观能动性，并树立创新意识，发挥学生的创造能力。

(2) 教学过程中以学生的学习为核心地位，根据实验教学目标，需要教师的严格要求和引导。植物化学实验除了教学环节中的具体操作以外，还包括预习环节和实验报告的撰写，所以要提升教学环节的质量，必须在预习、操作以及数据处理上进行教学方式的改进，从而使学生达到学习效果。预习环节中，教师严格要求学生撰写预习报告，预习报告并非摘抄教材，而是查阅实验项目相关的文献资料以及观看实验相关视频材料，对比各类提取分离方法，设计实验流程，细化实验步骤。例如提取方法的选择，除了教材中实验项目指定的提取方法外，可根据成分化合物的性质选用其他提取方法，如传统的提取方法(浸渍法、渗漉法、回流提取法和水蒸气蒸馏法等)或提取的一些新技术(超临界流体萃取、微波提取、超声波提取等)，根据实验室条件，可对选用的提取方法进行优缺点比较，选用切实可行、高效便捷的方法开展实验；实验操作上，对于学生在操作中出现的问题教师不能即刻包办解决，教师讲解完相关理论和示范操作后，应转变为引导者的角色，但并非放任学生胡乱操作和根据实验教材的操作步骤照单全收的实验模式。例如在成分化合物分离鉴定中的薄层层析操作中，展开剂的选择上可给出一个大致溶剂配比用量，通过学生具体实践找到一个合适的配比用量，尝试失败最终成功可进一步让学生明白溶剂的极性对化合物展开的重要影响。对于一些复杂的实验操作须引导学生合作学习，通过讨论和思考，分工协作，共同完成实验项目，可营造良好的实验氛围，激发大家探讨问题的学习能力，树立团队意识和培养团队精神；撰写实验报告上，实验数据的记录和处理分析至关重要，杜绝学生抄袭他人数据。植物化学实验数据没有高度重合性，以提取率为例，等量的材料以相同的提取条件进行提取，提取率也并非完全一致，此时学生可通过对材料溶剂、仪器设备等方面进行分析，不能为了跟他人保持一致而抄袭。准确记录实验数据，合理分析处理实验数据，规范撰写实验报告，可培养学生的逻辑思维能力和分析总结能力。

(3) 加强理论与实际的结合，邀请相关企业研发人员指导学生进行实验教学[16]。所谓学以致用，并非是为了开展实验而完成实验，一定要结合实际，结合行业需求，真正做到理论联系实际。与植物化学相关的各企业把握着社会具体需求下的植物化学的实验技术，所以邀请企业研发人员进行实验课指导，可使学生对哪些植物化学实验在实际中应用广泛有所了解，从而提高学生学习和操作的积极性。反复熟练地操作实际使用率较高的实验项目，并牢记于心，理解透彻。同时可面向企业进行企业考察实践和生产实习，现场考察实践是所学理论知识实际应用的直观展示[17]，通过企业安排的专业技术人员对相关考察实践内容的介绍和生产线的参观，让学生直接感受到学以致用。如目标化合物如何通过企业生产线进行提取分离和纯化，所用设备和具体流程可让学生对比实验室操作和企业生产的异同，使学生更明确植物化学实验在实际生产中的应用。学生可向企业申请生产实习，具体参与实践工作，锻炼提升生产实践能力，既培养了学生专业学习兴趣，又提升了学生的综合能力，同时为学生就业提供一定机会，提升学生就业后对生产工作的熟练度，并能很快适应社会需求下的生产效率。充分利用教学科研就业实习基地，通过与企业的密切合作，加强理论与实际结合，为应用型人才的培养打下坚实基础。

(4) 注重学生科研创新思维和创新能力的培养。学生培养仍以传统模式为主，在实验教学中融入科研，促进科研带动教学，使学生近距离接触科研，有助于学生向科研者角色转变，可提升学生的科研能力、创新思维和创新能力。学生在教师的指导下，参与一定的科研项目工作并对实验结果进行分析处理，可激发学生的科研兴趣，提升实践中的综合能力，如利用高效液相色谱测定黄酮的含量和比色法测定总黄酮含量的区别等通过实践操作得到更好的理解。同时，增设科研讲座，结合植物化学研究热点和前沿实验技术，可邀请校内外具有丰富经验的专家、教授进行讲授，让学生感受到科研并非遥不可及，并形成良好的学习氛围，为养成良好的科研习惯打下基础。以教学实验的熟练掌握为基础，在完成科研工作中的实验综合能力提升为前提，学生可进一步独立申报科技创新基金、大学生创新创业训练计划等项目，完成项目的同时，提升学生对科研的认知，并把实验中得到的数据进行总结，撰写论文发表，从而培养学生的科研创新思维，增强学生的创新能力，提升学生的综合素质。

4 加强实验室建设

实验室是开展实验教学的基本场所，相应设施是保证顺利完成实验教学的基本条件，作为实践教学的重要平台，须发挥对学生的实验技能和科研创新能力培养的重要作用。加强实验室建设，优化资源配置，以“绿色低碳”为建设原则，在保证教学质量的同时提高利用效率，顺利开展实验教学工作。结合林业院校专业特点和植物化学实验室现状，实验室建设不容忽视。

笔者所在学校现有的植物化学实验室并非独立实验室，而是与其他专业性化学实验共用实验场所，虽都完成了实验教学任务，但教学质量并不高，所以建设独立的植物化学实验室是保证良好教学效果的关键，这不仅满足植物化学实验基础教学，同时为相关科研提供了重要平台。更新仪器设备，增加基础实验仪器的数量也是加强实验室建设的必要措施。随着中央财政支持地方高校发展专项资金建设项目的资金投入，实验室淘汰了大量不能满足现代实验需求的老旧仪器，更新了旋转蒸发仪、真空干燥箱、超声波提取仪、微波提取仪、荧光检测器、精馏装置等仪器设备，进一步提高了实验效率，对于植物化学基础性实验和综合性实验的开设提供了便利。同时，一些分析测试的大型设备也投入到植物化学实验中，如薄层扫描仪、高效液相色谱仪、气相色谱仪、喷雾干燥器、紫外光谱仪、红外光谱仪等，为学生在化合物分析检测和鉴定上提供了有力保障。仪器设备的更新为植物化学实验系统全面的开展创造了基础，学生在实验过程中不仅对基础性实验装置的操作熟练掌握，同时对一些大型仪器设备的操作也亲身体验从而熟知其基本操作，为学生在未来的相关工作实践中打下基础。

5 结语

通过对植物化学实验课程从教材建设、教学内容、教学方法和实验室建设等多方面进行了改革探索与实践，取得了较好的效果。学生学习的积极性得到提升，综合实验技能得到提高，系统掌握了植物化学实验的实验方法，同时提升了学生处理数据、分析解决问题的能力，通过相关科研工作使学生的科研能力得到了锻炼，教学效率和教学质量也显著提高。例如申报并获批的与植物化学相关的国家级、省级和校级的大学生创新训练项目逐年递增。然而，林业院校的植物化学实验的教学改革仍负重致远，在“新农科”背景下，很多方面都有待改革实践和提升，以便更好发挥植物化学实验对培养应用型人才的作用，满足社会对高层次人才的需求。