以大型科研儀器為支撐的“食品物性學(xué)”課程教學(xué)體系的構(gòu)建

李文浩，單媛媛，欒廣忠

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 楊凌，712100)

大型科研設(shè)備是用于科學(xué)研究的儀器設(shè)施、其精密度高、測試結(jié)果可靠、維護和使用成本高、貨幣價值也相對昂貴。不同時期研發(fā)和生產(chǎn)的科研儀器代表和決定著該階段最先進的科學(xué)研究水平和科技創(chuàng)新能力。大型科研儀器設(shè)備的功能首先體現(xiàn)在科學(xué)研究領(lǐng)域：大型儀器設(shè)備通常作為驗證科學(xué)家的科研思想，實現(xiàn)研究目的，產(chǎn)出科研成果的重要工具。除了作為科研工具，高水平的大型設(shè)備已被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療診斷及病情監(jiān)測、食品安全檢驗控制、旅客危險品檢測、氣象監(jiān)測、大氣污染監(jiān)測、土壤監(jiān)測等諸多領(lǐng)域。同時，大型設(shè)備已悄然進入各種各樣的工廠企業(yè)，在企業(yè)生產(chǎn)、倉儲、流通及銷售的各個環(huán)節(jié)，大大節(jié)約了生產(chǎn)成本。這些富含高科技元素的設(shè)備也出現(xiàn)在人們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷?，在保障人民群眾高效率和高質(zhì)量的生活方面扮演了重要角色。近年來，我國高校教育水平和科研水平不斷提高，高端大型設(shè)備在教學(xué)和科研水平中的支撐作用也日漸凸顯，高效率、高水平地發(fā)揮大型設(shè)備在教學(xué)和科研中的作用對于培養(yǎng)食品專業(yè)學(xué)生的專業(yè)技能、專業(yè)素養(yǎng)和創(chuàng)新實踐能力具有重要意義?！笆称肺镄詫W(xué)”是食品科學(xué)與工程和食品質(zhì)量與安全專業(yè)的重要課程，是一門揭示食品及其加工原料，以及食品加工過程中物料物理屬性變化的學(xué)科[1-2]，其知識涵蓋范圍較廣，包括食品的力學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)，而對于食品物理參數(shù)的獲取需要依靠相應(yīng)科研設(shè)備，因此所涉及的大型科研設(shè)備種類也較多。所以，本門課程在強化相關(guān)大型科研設(shè)備的基本理論教學(xué)基礎(chǔ)上，加強在食品和相關(guān)科研及生產(chǎn)領(lǐng)域的實際訓(xùn)練，具有獨特的理論和實踐優(yōu)勢。

1 “食品物性學(xué)”的課程內(nèi)容和特點

食品作為人類營養(yǎng)物質(zhì)與功能性成分的載體，具備天然和特定的尺寸、外形、色澤、口感以及咀嚼性等物理特性，而這些物理特征往往是消費者選擇食品的直接依據(jù)。食品物性學(xué)正是以研究食品及其加工原材料本身，以及食品加工過程中物料物理性質(zhì)的學(xué)科。充分了解和掌握食品物性學(xué)相關(guān)知識對于揭示食品本身，以及加工、烹飪有關(guān)的物理特性，建立食品品質(zhì)客觀評價分析方法，闡明食品品質(zhì)變化的分子變化機理，為改善食品風(fēng)味提供理論依據(jù)方面具有重要的意義[1]。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)委員會明確將“食品物性學(xué)”課程確定為食品科學(xué)與工程專業(yè)的必修課程，也是食品質(zhì)量與安全專業(yè)重要的主干課程。同時，也有較多學(xué)校將該課程列入食品專業(yè)研究生培養(yǎng)方案和培養(yǎng)目錄中作為學(xué)位課或?qū)I(yè)選修課。

食品物性學(xué)主要研究內(nèi)容是食品、食品原料，以及食品物料在加工貯藏過程中所涉及的力、光、熱、電等基本理論和相應(yīng)的研究方法。從知識構(gòu)成體系上來看，食品物性學(xué)屬于物理學(xué)的研究范疇，而與基礎(chǔ)物理學(xué)的區(qū)別之處在于研究對象的特殊性。食品及其原料作為一類特定的物體，具有來源的廣泛性、形態(tài)的多樣性、成分的復(fù)雜性和易變性等特殊之處，應(yīng)用經(jīng)典物理學(xué)理論和研究手段來揭示食品物理性質(zhì)顯得十分局限和不足，需要建立針對食品這一研究對象的理論知識體系以及研究手段。食品物性學(xué)知識體系的構(gòu)建最早始于1929年建立的流變學(xué)學(xué)科，發(fā)展至今基本形成了屬于自身的完整知識結(jié)構(gòu)。課程以“普通物理學(xué)”、“高分子物理學(xué)”、“食品工程原理”、“物理化學(xué)”、“食品化學(xué)”等課程相關(guān)知識為支撐，涉及知識面較廣，其知識體系還在進一步完善中。我國最早從1988年開始，在中國農(nóng)業(yè)大學(xué)開設(shè)“食品物性學(xué)”課程，并于1998年出版第一部“食品物性學(xué)”教材[1]。經(jīng)過多年發(fā)展，開設(shè)該課程的院校逐年增加，教材也有多個版本不斷更新，已取得了一定的階段性成果。但國內(nèi)現(xiàn)有“食品物性學(xué)”教材中不少知識點還是直接借鑒和運用“高分子物理學(xué)”和“食品工程原理”等經(jīng)典課程的內(nèi)容和原理，面對日益復(fù)雜多樣的食品體系，進一步提升完善的空間還很大。

2 “食品物性學(xué)”教學(xué)中應(yīng)用大型科研設(shè)備的必要性和重要性

為了清晰、明確和深入地揭示食品力學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)等物理屬性，需要扎實的基礎(chǔ)理論知識作為支撐，同時需要憑借特定的科研儀器定量測定獲得數(shù)據(jù)信息，并將二者結(jié)合進行分析和闡釋，從而為科學(xué)研究、工藝改進、食品加工生產(chǎn)等提供依據(jù)。因此，“食品物性學(xué)”的教學(xué)設(shè)置也很自然的分為理論教學(xué)和實驗教學(xué)兩部分。具體教學(xué)過程中，實驗內(nèi)容的設(shè)置應(yīng)嚴格地與理論教學(xué)內(nèi)容相對應(yīng)。完整的“食品物性學(xué)”實驗教學(xué)內(nèi)容應(yīng)該包括：食品尺寸，食品色澤，食品硬度；食品流變學(xué)分析包括液態(tài)食品黏度、固態(tài)或半固態(tài)食品黏彈性、食品質(zhì)構(gòu)特性分析；食品熱學(xué)特性分析；食品的光譜學(xué)分析；食品電物性以及食品加工中電物性的應(yīng)用等[1,3]。

液態(tài)食品的核心力學(xué)參數(shù)“黏度“的分析可采用的大型科研設(shè)備有流變儀、黏度計、快速黏度分析儀等；顆粒狀食品尺寸的分析需要激光粒度分析儀；食品色澤的分析需要色彩色差計或比色計等；食品硬度分析需要質(zhì)構(gòu)儀或食品硬度計；固態(tài)或半固態(tài)食品物性學(xué)參數(shù)分析需要流變儀、粉質(zhì)儀、拉伸儀、吹泡儀等；食品熱學(xué)特性分析可用差示掃描量熱儀或熱重分析儀等；食品的光譜學(xué)分析可采用近紅外分析儀和拉曼光譜儀等；在電物性學(xué)教學(xué)中可以結(jié)合電磁波、靜電場、電滲透、微波、遠紅外、電脈沖和電阻抗等現(xiàn)代食品加工或保鮮手段技術(shù)或設(shè)備進行演示。

可以看出，食品物性學(xué)教學(xué)相關(guān)的大型設(shè)備代表和體現(xiàn)了食品物理性能分析方面的最新手段或食品加工高新技術(shù)。顯然，種類如此繁多的儀器設(shè)施不可能在有限的實驗教學(xué)課堂上一一展示或?qū)W習(xí)，需要結(jié)合各高校實際情況進行設(shè)置。另外，很多時候教材中也沒有對以上設(shè)備一一列出，需要在理論課堂教學(xué)中加以必要的穿插講解，幫助學(xué)生更加深入的學(xué)習(xí)和了解食品物性學(xué)知識在食品科研和生產(chǎn)領(lǐng)域的重要性和具體應(yīng)用案例。

3 以大型科研儀器為支撐的“食品物性學(xué)”教學(xué)體系的構(gòu)建途徑

3.1 建設(shè)“食品物性學(xué)”大型設(shè)備教學(xué)平臺

實驗教學(xué)是高校教學(xué)的重要組成部分，也是培養(yǎng)“厚基礎(chǔ)、強能力、寬適應(yīng)”的創(chuàng)新型和創(chuàng)業(yè)型高素質(zhì)人才的重要手段。而齊全充足的科研儀器是有效開展實驗教學(xué)的重要基礎(chǔ)條件。近年來，國家加大了對高等教育在經(jīng)費和政策層面上的支持和投入力度，尤其是在“雙一流”高校建設(shè)、“以本為本”、“四個回歸”等政策的實施和引導(dǎo)下，高校大型儀器設(shè)備的種類、數(shù)量和規(guī)模有了跨越式和持續(xù)性的發(fā)展和增長。

同時，國家也多次出臺政策鼓勵和要求各級各類高校以及科研院所建立科研儀器共享平臺。2014年，國務(wù)院頒布了國發(fā)[2014]70號文《關(guān)于國家重大科研基礎(chǔ)設(shè)施和大型科研儀器向社會開放的意見》，要求全國范圍內(nèi)高校和科研機構(gòu)加強國家重大科研基礎(chǔ)設(shè)施和大型科研儀器的專業(yè)化服務(wù)能力，加快推進科研設(shè)施與儀器向社會開放，進一步提高科技資源利用效率。國發(fā)〔2017〕37號文《關(guān)于強化實施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略進一步推進大眾創(chuàng)業(yè)萬眾創(chuàng)新深入發(fā)展的意見》，再次要求“推動財政資金購置的儀器設(shè)備向社會開放”。各管理機構(gòu)、高校和科研院所也相應(yīng)建立了大型設(shè)備共享平臺、共享機制及考核績效機制，從政策層面確保了大型設(shè)備共享的順利推進和實施。這些政策和資源，對于構(gòu)建大型科研儀器為支撐和補充的教學(xué)體系帶來了前所未有的機遇。

開設(shè)“食品物性學(xué)”課程的高校要及時抓緊抓牢政策機遇，配備基本教學(xué)儀器，建立實驗平臺。同時，應(yīng)積極主動利用各級、各類科研共享平臺，整合利用好校級、院級科研平臺，貫通各個學(xué)院之間與“食品物性學(xué)”教學(xué)緊密相關(guān)的科研儀器設(shè)備的調(diào)配使用，協(xié)調(diào)好大型設(shè)備在科研和教學(xué)方面的關(guān)系及使用時間上的沖突，深入共享，以提升儀器利用與人才培養(yǎng)的效率。

3.2 建立科研儀器基礎(chǔ)理論與專業(yè)知識緊密結(jié)合的理論教學(xué)體系

進一步豐富理論教學(xué)內(nèi)容，將必要的大型儀器使用原理、儀器的部件組成及其在科研和生產(chǎn)中的應(yīng)用在課堂進行延伸講解?！笆称肺镄詫W(xué)”課程理論性較強，對知識點的描述較為抽象，學(xué)生不易理解，甚至部分學(xué)生會覺得空洞乏味，產(chǎn)生厭學(xué)心理，因此也長期被學(xué)生認為是食品專業(yè)中學(xué)習(xí)難度大、不易理解和掌握的課程之一[4]。在理論教學(xué)中適時將所講授的理論知識所對應(yīng)的大型科研設(shè)備列出，對其結(jié)構(gòu)組成、使用原理以及在食品領(lǐng)域中的實際用途進行拓展性講解，這樣可以將本來較為抽象的知識變得更加生動具體，即擴展了知識和視野，又能提高學(xué)生的興趣和積極性。

3.3 優(yōu)化組合，以小組模式提高實驗效率

由于大型實驗儀器資源的有限性、設(shè)備本身的精密性和易損性、測試特定物性參數(shù)的時效性，因此，確保在有限的課堂時間里讓每一位學(xué)生都親手操作大型儀器是一項具有一定挑戰(zhàn)性的工作。為了達到最佳的教學(xué)效果和學(xué)習(xí)效果，可以將學(xué)生分為3～5人的小組輪流進行操作。一組進行操作的同時，其他小組可以進行樣品處理、數(shù)據(jù)處理等方面的工作。甚至可以在同一堂課上安排不同種類的大型設(shè)備，不同小組同學(xué)進行輪流操作，充分利用課堂時間。當然，這樣的教學(xué)模式需要增加教師數(shù)量，加大工作時間的投入。

3.4 加強高水平“食品物性學(xué)”實驗教師隊伍建設(shè)

教師是知識的傳播者，也是知識的創(chuàng)造者，教師業(yè)務(wù)素質(zhì)和能力的高低對人才培養(yǎng)效果有決定性的作用，所以需要建立強有力的“食品物性學(xué)”教學(xué)團隊。實驗教學(xué)與理論教學(xué)有所不同，“食品物性學(xué)”理論課程的教學(xué)需要授課教師在所授課程及其交叉基礎(chǔ)課程(包括“高分子物理學(xué)”、“物理化學(xué)”、“食品工程原理”、“食品化學(xué)”等)領(lǐng)域積累牢固的專業(yè)知識，再采用清晰的表達方式和恰當?shù)慕虒W(xué)方式向?qū)W生講授。而實驗授課除具備理論授課的基本能力和技巧以外，還需要熟悉實驗儀器的組成、原理、使用、維護和實驗結(jié)果的預(yù)判能力[5]。對實驗儀器的組成和維護不一定是理論課程教師所擅長的領(lǐng)域，需要工程師、儀器管理老師和實驗師等教輔人員的配合。因此，需要建立以教師、工程師和實驗員共同參與和緊密合作的實驗教學(xué)團隊。

圖1 以大型科研儀器為支撐的“食品物性學(xué)” 教學(xué)體系的構(gòu)建途徑Fig.1 Construction pathway of teaching system of “Physical Properties of Foods” based on scientific research instruments

4 本項目取得的階段性教學(xué)效果

4.1 學(xué)生學(xué)習(xí)興趣進一步提高，學(xué)習(xí)目標進一步明確

西北農(nóng)林科技大學(xué)一直將“食品物性學(xué)”列為食品科學(xué)與工程專業(yè)和食品質(zhì)量安全專業(yè)選修課，但由于課程理論性強、知識點抽象、各章節(jié)知識點相對獨立等特點，導(dǎo)致多年來學(xué)生選課率較低、課堂參與度低。通過以上教學(xué)改革措施的推行，選課率目前已連續(xù)3學(xué)年獲得15%左右的提升(圖2)，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣大增，課堂上師生互動頻繁、課后與老師溝通交流明顯增多，確保了學(xué)生專業(yè)知識的系統(tǒng)性。

圖2 食品科學(xué)與工程專業(yè)和食品質(zhì)量與安全專業(yè) 近3年“食品物性學(xué)”選課率Fig.2 Course selection rate of “Physical Properties of Foods” in the majors of Food Science and Technology and Food Quality and safety

4.2 學(xué)生專業(yè)知識體系更加完備

“食品物性學(xué)”在整個食品學(xué)科和專業(yè)人才培養(yǎng)體系處于重要的橋梁地位，對“食品工程學(xué)”和“食品化學(xué)”相關(guān)知識體系的融合交叉起到了很好的紐帶作用，“食品工藝學(xué)”亦屬于“動態(tài)食品化學(xué)”，可見該課程在人才培養(yǎng)體系中的重要性。目前，通過課程組教師持續(xù)不斷的改進和提升，已構(gòu)建了完善的以大型科研儀器為支撐的知識結(jié)構(gòu)體系和知識傳播途徑，進而幫助學(xué)生形成完備的食品學(xué)科知識體系。

4.3 學(xué)生科研能力得到有效提升

研究型大學(xué)對學(xué)生創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)有較高的要求，以培養(yǎng)高層次創(chuàng)新型精英人才為目標。食品專業(yè)屬于自然科學(xué)領(lǐng)域的學(xué)科，學(xué)科知識體系的更新升級乃至食品工業(yè)的發(fā)展離不開科學(xué)研究和生產(chǎn)實踐的不斷積累。在對知識探索更新的過程中，離不開科研儀器的輔助，通過本門課程大量科研儀器設(shè)備相關(guān)原理、功能及操作方面系統(tǒng)的學(xué)習(xí)和親身體驗，使學(xué)生在本科學(xué)習(xí)階段得到了有效的科研實踐訓(xùn)練，為學(xué)生進一步深造和未來的研究工作奠定了堅實的基礎(chǔ)。

5 構(gòu)建以大型儀器為支撐的“食品物性學(xué)”教學(xué)體系中存在的問題

5.1 課時數(shù)量不足

”食品物性學(xué)“作為食品科學(xué)與工程專業(yè)的重要學(xué)科基礎(chǔ)課，各高校課時數(shù)普遍為32左右，其中實驗課時數(shù)不足10學(xué)時。建設(shè)以大型儀器設(shè)備為基礎(chǔ)的教學(xué)體系需要在課堂上講解儀器的組成、原理、使用范圍和維護等方面的知識，最后還需要進行實際操作，而且一些貴重儀器具有嚴格的操作規(guī)范，初次操作需要老師進行逐步演示并留心觀察。所以相對較少的課時對于建立涉及眾多大型儀器的授課體系非常不利。需要積極爭取調(diào)整專業(yè)培養(yǎng)方案，并進一步優(yōu)化課程教學(xué)大綱來達到與課程改革目標相適應(yīng)的課時數(shù)量和教學(xué)內(nèi)容。

5.2 部分學(xué)校“食品物性學(xué)”未被列為必修課

雖然教育部教學(xué)指導(dǎo)委員會將“食品物性學(xué)”列為食品科學(xué)與工程專業(yè)的必修課，但是在學(xué)分制的大背景下，一些學(xué)校將其列為選修課，導(dǎo)致未選該課程的學(xué)生缺乏必要的食品專業(yè)基礎(chǔ)知識，難以達到最佳的人才培養(yǎng)效果。需要進一步加強對學(xué)生的鼓勵和引導(dǎo)，并認真落實本項目的相關(guān)改革措施、提高教學(xué)效果、提升學(xué)習(xí)興趣，增強學(xué)生選課的內(nèi)在積極性。

5.3 大型設(shè)備資源的有限性與學(xué)生數(shù)量眾多的矛盾

在有限的時間里如何高效地讓每一位學(xué)生都有操作大型設(shè)備的機會，是學(xué)生理論與實踐相結(jié)合，提升科研實踐素養(yǎng)，增強創(chuàng)新能力的根本保障。這一矛盾的解決需要時間、教師數(shù)量以及教師精力投入等多方面的保障。