食品物性中的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)、虛擬仿真教學(xué)方法探索*

劉海杰　樊秦　殷麗君　薛文通（中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)與營(yíng)養(yǎng)工程學(xué)院，北京 100083）

食品物性中的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)、虛擬仿真教學(xué)方法探索*

劉海杰樊秦殷麗君薛文通
（中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)與營(yíng)養(yǎng)工程學(xué)院，北京 100083）

食品物性學(xué)（Physical Properties of Foods）是食品科學(xué)與工程專業(yè)中一門重要的學(xué)科基礎(chǔ)課程，它經(jīng)過(guò)近百年的發(fā)展過(guò)程，從食品流變（Rheology）到食品質(zhì)構(gòu)（Texture）再到食品光、電、熱等物性，目前已經(jīng)發(fā)展成比較完整的課程體系。由于食品相關(guān)專業(yè)學(xué)生本科課程對(duì)物理等知識(shí)的基礎(chǔ)相對(duì)薄弱，對(duì)一些教學(xué)中的難點(diǎn)理解不透徹，急需對(duì)教學(xué)方法進(jìn)行改革。根據(jù)學(xué)科最新發(fā)展態(tài)勢(shì)，加強(qiáng)啟發(fā)式教學(xué)及與實(shí)驗(yàn)、科研實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)方式，并借助虛擬仿真技術(shù)，豐富和改進(jìn)教學(xué)方法和手段，達(dá)到使學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容掌握、理解并融會(huì)貫通的目的。

食品物性學(xué)；教學(xué)方法；實(shí)驗(yàn)實(shí)踐；虛擬仿真

一、概述

（一）食品物性學(xué)開設(shè)現(xiàn)狀

日本、韓國(guó)、美國(guó)、荷蘭等國(guó)家的食品科學(xué)與工程專業(yè)是世界上較早開設(shè)《食品物性學(xué)》課程的國(guó)家。我國(guó)2001年在青島召開的教育部高等學(xué)校食品科學(xué)與工程專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委員會(huì)上，確定該課程為本專業(yè)本科的必修課程，在此之前，食品物性學(xué)僅在為數(shù)不多的幾所院校中作為研究生課程開設(shè)。截止目前，全國(guó)100多所開設(shè)食品工程相關(guān)專業(yè)的高等院校中，已有50多所院校開設(shè)《食品物性學(xué)》課程，可見近年來(lái)該門學(xué)科課程的發(fā)展之迅速。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)自1994年開設(shè)《食品物性學(xué)》研究生課程，是國(guó)內(nèi)最早開設(shè)該門課程的高校。該門課程的開設(shè)，彌補(bǔ)了食品工程專業(yè)與物理相關(guān)知識(shí)不足的狀況，對(duì)提升研究生專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)、實(shí)驗(yàn)研究技能等方面起到了很大的推動(dòng)作用。

（二）食品物性學(xué)教材及專門學(xué)術(shù)期刊

關(guān)于食品物性學(xué)的教材，國(guó)際上影響力較大的教材有Rao和Rizvi于1986年編著出版了《Engineering properties of fo ods》一書，并分別于1995、2005年再版；Serpil Sahin等于2006年編著出版了《Physical Properties of Foods》，整合了許多最新的食品物性學(xué)研究進(jìn)展。此外，還有一些有關(guān)食品流變學(xué)領(lǐng)域或者食品質(zhì)構(gòu)學(xué)領(lǐng)域的專著，如Borwankar和Shoemaker于1990年編著出版了《Rheology of Foods》，McKenna于2003年出版的《Texture in Food》，Rao和Anandha于2007年出版的《R heology of Fluid and Semisolid Foods:Principles and Applica tions》等。在國(guó)內(nèi)，1998年李里特教授編著的《食品物性學(xué)》，由中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社出版，該書是我國(guó)第一本專門介紹食品物性學(xué)知識(shí)的專業(yè)書，2002年被教育部審定為研究生教學(xué)用書。2010年著者對(duì)《食品物性學(xué)》進(jìn)行改編、刪節(jié)和添加，形成新版本科生用教材，并被列為普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材。其他有2005年李云飛等編著的《食品物性學(xué)》（2009再版），2006年屠康等編著的《食品物性學(xué)》，姜松、趙杰文等編著的高等教育“十三五”規(guī)劃教材《食品物性學(xué)》（2015年6月出版）。此外，1989年陳克復(fù)主編的《食品流變學(xué)及測(cè)量》，2010年張佳程主編的《食品質(zhì)地學(xué)》，均為流變學(xué)和質(zhì)地學(xué)領(lǐng)域的專著。

國(guó)際上關(guān)于食品物性學(xué)的專門學(xué)術(shù)期刊有Journal of Textu re Studies，此外在Journal of Food Science以及Journal of Food Engineering雜志中有Physical and Engineering Properties等關(guān)于食品物性學(xué)的專欄，但在國(guó)內(nèi)尚無(wú)該領(lǐng)域?qū)ｉT的學(xué)術(shù)期刊。由此可見，國(guó)內(nèi)單純關(guān)于食品物性研究的水平落后其他國(guó)家，尚需進(jìn)一步提高。但從關(guān)于食品物性學(xué)的教學(xué)、教改論文數(shù)量來(lái)看，中國(guó)知網(wǎng)檢索的2008年以來(lái)關(guān)于食品物性學(xué)的教學(xué)論文有18篇，多數(shù)是探討教學(xué)方法，著重教學(xué)效果的提高，其中有1篇是關(guān)于“食品物性學(xué)全英語(yǔ)教學(xué)改革與實(shí)踐”。

二、食品物性學(xué)教改必要性

食品物性學(xué)中涉及的物理性質(zhì)包括食品的力學(xué)性質(zhì)（主要指流變學(xué)性質(zhì)、質(zhì)構(gòu)學(xué)性質(zhì)），以及食品的光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)性質(zhì)。其中食品流變學(xué)性質(zhì)和質(zhì)構(gòu)性質(zhì)是食品物性學(xué)最基本、最重要的特性，在食品加工、評(píng)價(jià)、研究中必不可少，直接關(guān)系到食品的最終品質(zhì)。因此，該兩部分內(nèi)容的講授是全課程內(nèi)容的重中之重。食品的流變學(xué)是研究物質(zhì)在力作用下變形或流動(dòng)的科學(xué)，具體指食品的化學(xué)成分、分子構(gòu)造、結(jié)合狀態(tài)、組織構(gòu)造在力的作用下的變化規(guī)律，基礎(chǔ)理論和流體力學(xué)非常接近。大多數(shù)食品為復(fù)雜的非牛頓流體，其流動(dòng)狀態(tài)方程包括了應(yīng)力、應(yīng)變、流體速度、黏度等參數(shù)及它們之間的相關(guān)關(guān)系。在研究復(fù)雜黏彈體的流變學(xué)特性時(shí)，通常要建立相應(yīng)的力學(xué)模型。黏彈性食品的力學(xué)模型，包括二要素、三要素、四要素、六要素以及多要素模型，模型和力學(xué)性質(zhì)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，僅通過(guò)課程講述學(xué)生很難理解，因此通過(guò)實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐及虛擬仿真方法對(duì)食品物性學(xué)中的不僅是力學(xué)特性，也包括光、電、熱特性及關(guān)鍵原理進(jìn)行設(shè)計(jì)、計(jì)算、分析并表達(dá)具有重要意義。

三、新教學(xué)方法探索

文章以食品流變學(xué)、質(zhì)構(gòu)學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，食品電學(xué)性質(zhì)的實(shí)踐教學(xué)，以及面團(tuán)流變學(xué)的虛擬仿真教學(xué)為例，探索提高食品物性學(xué)教學(xué)效果和質(zhì)量的新方法。

（一）開展食品流變學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索

在食品流變學(xué)教學(xué)章節(jié)，針對(duì)非牛頓流體的五種形式：假塑性流體、脹塑性流體、塑性流體、觸變性流體、膠變性流體，選擇相應(yīng)的食品如淀粉糊、番茄沙司、牛奶糖、米粥等針對(duì)上述特性分別施加力的作用觀察和記錄粘度特性的變化，使學(xué)生更好的理解各種特性流體的本質(zhì)。在食品質(zhì)地學(xué)課程部分，也開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索。選擇兩類不同特性的固體食品-延性斷裂和脆性斷裂的食品，以及半固態(tài)食品共10余種，收集關(guān)于這些食品的質(zhì)地用語(yǔ)，和食品物性學(xué)課程中關(guān)于這些食品的特征用語(yǔ)相比較，讓學(xué)生學(xué)會(huì)正確使用食品質(zhì)地用語(yǔ)，并將其恰當(dāng)用于食品的感官評(píng)價(jià)中。此外，將這些食品在質(zhì)構(gòu)儀上進(jìn)行測(cè)試，觀察和分析在力的作用下食品的質(zhì)構(gòu)指標(biāo)變化和破斷曲線，將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與自己的科研訓(xùn)練項(xiàng)目相結(jié)合。

（二）開展實(shí)踐教學(xué)方法探索

結(jié)合科研領(lǐng)域研究熱點(diǎn)，在食品的光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)部分，開展科研實(shí)踐案例教學(xué)環(huán)節(jié)。重點(diǎn)圍繞食品的電學(xué)特性，針對(duì)食品的通電加熱、脈沖電場(chǎng)、靜電場(chǎng)處理現(xiàn)象和效果，綜合闡述電作用下食品的物性指標(biāo)變化，如，通電作用下水的移動(dòng)速度加快，極化作用產(chǎn)生介電損耗，導(dǎo)致物料溫度變化；脈沖電場(chǎng)作用下，食品物料中的微生物細(xì)胞跨膜電位發(fā)生變化，產(chǎn)生電崩潰或擊穿，從而起到殺菌作用；高壓靜電場(chǎng)下水發(fā)生過(guò)冷卻現(xiàn)象，凍結(jié)溫度降低，肉類食品貯藏品質(zhì)提高等。通過(guò)這樣的實(shí)際科研案例，有利于提升學(xué)生的總體科研領(lǐng)悟力和洞察力。

（三）開展虛擬仿真教學(xué)方法

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)依托虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫(kù)和網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)，構(gòu)建高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象，學(xué)生在虛擬環(huán)境中開展實(shí)驗(yàn)，達(dá)到教學(xué)大綱所要求的教學(xué)效果。根據(jù)教育部《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011-2020年）》內(nèi)容，2013年8月，教育部高等教育司提出開展國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作，并于同年公示了首批100所國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心入選名單，此次公示的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心中，教育部直屬高校50個(gè)，其他部委高校11個(gè)，軍隊(duì)院校3個(gè)，地方高校36個(gè)。截至目前，大部分高校已經(jīng)建設(shè)完成虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)室硬件及教學(xué)課件、軟件建設(shè)，并且在相關(guān)課程的教學(xué)中已投入使用。在食品物性學(xué)教學(xué)環(huán)節(jié)，有必要結(jié)合虛擬仿真教學(xué)方法，提高學(xué)生對(duì)食品流變性、質(zhì)構(gòu)性及其涉及到的彈性、黏性、黏彈性等物理特性的理解。例如，面團(tuán)調(diào)制過(guò)程中，不同的原料特性、組成、以及和面機(jī)不同的操作參數(shù)，對(duì)面團(tuán)流變性質(zhì)影響均較大，因此可以在面條加工虛擬仿真腳本制作中，重點(diǎn)對(duì)描述和面過(guò)程。通過(guò)人機(jī)界面設(shè)置原料參數(shù)：包括面粉性質(zhì)（面筋含量），水性質(zhì)（溫度、pH、硬度等），輔料種類及比例（食鹽、堿、糖、油、乳化劑、調(diào)味劑和營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化劑等）和面機(jī)類型、攪拌時(shí)間等。然后點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕，和面機(jī)開始攪拌。攪拌過(guò)程中，打開上蓋，觀察內(nèi)部攪拌現(xiàn)象（加入實(shí)際圖片、實(shí)際視頻鏈接）。此外，開始攪拌后，界面顯示面水作用機(jī)理展示按鈕，由圖演示加水后，面團(tuán)中的蛋白質(zhì)和水相互作用形成面筋，隨著原料中加水量、鹽、糖、油脂等輔助原料加入比例不同，形成面筋的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不同，外觀表現(xiàn)為面團(tuán)發(fā)軟或發(fā)硬，面團(tuán)性能受到影響。將不同配比形成的面團(tuán)進(jìn)行流變學(xué)特性分析時(shí)，其粉質(zhì)曲線參數(shù)也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，如吸水率、面團(tuán)形成時(shí)間、面團(tuán)穩(wěn)定度、面團(tuán)衰落度等等。將實(shí)際應(yīng)用過(guò)程進(jìn)行模擬，配合機(jī)理展示，得出與面團(tuán)流變性質(zhì)的關(guān)聯(lián)，學(xué)生易于理解、掌握。

四、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在食品物性學(xué)進(jìn)行過(guò)程中，結(jié)合實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐、以及虛擬仿真教學(xué)手段，改變了以往單一多媒體教學(xué)方式，鍛煉學(xué)生動(dòng)手、動(dòng)腦以及查閱整理資料、分析解決問(wèn)題的能力。重新凝練課程內(nèi)容，加深學(xué)生對(duì)課堂內(nèi)容的理解，加強(qiáng)教與學(xué)的互動(dòng)，促進(jìn)教師的有效引導(dǎo)和學(xué)生的自主學(xué)習(xí)有機(jī)結(jié)合，啟發(fā)學(xué)生的多元化創(chuàng)新性思維，提高教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)出創(chuàng)新型人才。

［1］李里特.食品物性學(xué)［M］.北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，2010.

［2］李云飛，殷涌光，徐樹來(lái)，等.食品物性學(xué)［M］.第2版援北京：中國(guó)輕工業(yè)出版社，2009.

［3］袁美蘭，趙利，蘇偉，等.高校食品科學(xué)與工程專業(yè)開設(shè)食品物性學(xué)的現(xiàn)狀和必要性［J］.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2010，23：36-37.

［4］姜松，趙杰文，食品物性學(xué)［M］.北京化學(xué)工業(yè)出版社，2015.

［5］教育部.教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011-2020年）［Z］.2012，3.

Physical Properties of Foods is a one of the crucial disciplinary basic courses in food science and engineering.From the study of rheology of food materials to texture profile of food materials，and then to optical，electrical，thermal and other food physical properties，it has developed into a fairly comprehensive curriculum sys原tem during nearly 100 years'development.As the undergraduates in the Food related major have a relatively weak basic knowledge in the field of physics，their understanding for the teaching difficulties is not thorough enough.So there is an urgent need for the teaching methods reformation.According to the latest discipline development trend，the heuristic teaching should be strengthened.The teaching means and methods should be enriched and improved，i.e.the combination of experiment and scientific practice with theory teaching，assisted by the virtual simulation technology.Thus enabling students to learn，understand，and digest the knowledge.

physical properties of foods；teaching means；scientific practice；virtual simulation technology

G642

A

2096-000X（2016）17-0081-02

中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)校級(jí)教改項(xiàng)目（編號(hào)：2015-029）

劉海杰（1973-），女，吉林省永吉縣人，副教授，博士，主要從事食品科學(xué)與工程方向教學(xué)與研究工作。