聚焦專業(yè)能力培養(yǎng)，強化知識融合的實驗教學(xué)設(shè)計

陳小旋，李 蕾，張小芬，蔡晨曦，郭東北，李紅衛(wèi)

（廈門大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院，福建廈門 361102）

0 引言

營養(yǎng)與食品衛(wèi)生學(xué)研究飲食與健康的關(guān)系，探討疾病預(yù)防控制、健康保護和促進的措施，為相關(guān)政策和法律法規(guī)提供依據(jù)等，是預(yù)防醫(yī)學(xué)重要的主干課程。對于營養(yǎng)與食品衛(wèi)生學(xué)科專業(yè)能力的培養(yǎng)，實驗教學(xué)與理論教學(xué)并重［1-2］。我校營養(yǎng)與食品衛(wèi)生學(xué)實驗／實踐為48 學(xué)時的獨立實驗課，主要由食物營養(yǎng)成分測定與評價、食品安全測評、現(xiàn)場工作案例討論3 部分組成，項目中50%為綜合性實驗，20%為探索設(shè)計性實驗，30%為現(xiàn)場實踐與虛擬仿真實驗。近年隨著一流專業(yè)、一流課程的建設(shè)，人才培養(yǎng)目標不斷提升，課程的教學(xué)目標鎖定“高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度”的金課標準［3］，圍繞專業(yè)實際問題設(shè)計實驗項目，加深學(xué)生對理論和實踐的理解，強化實驗原理和方法的掌握與綜合運用，鍛煉解決復(fù)雜專業(yè)問題的能力，培育學(xué)生基本科研思維和基礎(chǔ)科研能力。

課程深入挖掘?qū)I(yè)實驗的原理，將知識點在不同層面整合、串聯(lián)、遷移，同時納入科研設(shè)計思路，形成多項圍繞主線的綜合實驗，加深學(xué)生對實驗整體設(shè)計的理解和體驗，進而達到由點到面，逐點深入的教學(xué)效果。為探索打造一流實驗課程的教學(xué)模式，以食品中含氮物質(zhì)測定為例，打破單項實驗的彼此分割，以知識內(nèi)在聯(lián)系為主線，揉合食品中蛋白質(zhì)含量測定、食品中揮發(fā)性鹽基氮（TVBN）含量測定、食品中亞硝酸鹽及硝酸鹽含量測定3 項學(xué)科經(jīng)典實驗進行實驗教學(xué)探索。

1 實驗設(shè)計

1.1 實驗原理

（1）食品中蛋白質(zhì)含量測定原理。食品中的蛋白質(zhì)經(jīng)催化加熱分解，產(chǎn)生的氨與硫酸結(jié)合為硫酸銨。堿化蒸餾使氨游離，用硼酸吸收后以硫酸或鹽酸標準滴定溶液滴定，根據(jù)酸的消耗量計算氮含量，再乘以換算系數(shù)，即為蛋白質(zhì)的含量。

（2）食品中揮發(fā)性鹽基氮（TVBN）含量測定原理。動物性食品在腐敗過程中，酶和細菌使蛋白質(zhì)分解而產(chǎn)生氨以及胺類等具有揮發(fā)性的堿性含氮物質(zhì)。揮發(fā)性鹽基氮在堿性溶液中蒸出，經(jīng)硼酸溶液吸收后，用標準酸溶液滴定計算其含量。

（3）食品中亞硝酸鹽及硝酸鹽含量測定原理。亞硝酸鹽是常用的肉制品加工發(fā)色劑和保護劑，過量食用引發(fā)食物中毒或死亡。試樣經(jīng)沉淀蛋白質(zhì)、除去脂肪后，提純獲得待測亞硝酸及硝酸鹽類離子溶液，運用離子色譜儀以氫氧化鉀溶液為淋洗液，陰離子交換柱分離，電導(dǎo)檢測器檢測各組分保留時間，外標法定量。

（4）3 項實驗的內(nèi)在聯(lián)系。凱氏定氮法是百年經(jīng)典方法，被食品安全國家標準采用［4］，具有使用范圍廣，結(jié)果準確，重復(fù)性好的優(yōu)越性。該方法最終以樣品總氮量乘以相應(yīng)的蛋白質(zhì)換算系數(shù)計算食品的粗蛋白含量，既無法區(qū)別樣品中的非蛋白質(zhì)含氮物質(zhì)，也不適用于添加非蛋白質(zhì)含氮物質(zhì)的樣品測定。上述3 項實驗分別檢測樣品中總氮量、內(nèi)源性非蛋白質(zhì)氮含量、外源性人為添加物的氮含量，圍繞總氮量，彼此內(nèi)在聯(lián)系。實驗方法上，前2 者采用凱氏定氮法，第3 者采用離子色譜法，都是學(xué)科研究的傳統(tǒng)實驗手段，是學(xué)生必須掌握的技能。3 者有機融合為綜合性實驗“食品中含氮物質(zhì)測定”。

1.2 實驗?zāi)康呐c實驗樣品的選擇

實驗樣品通常根據(jù)實驗原理和實驗?zāi)康亩x擇。食品中含氮物質(zhì)測定的目的是檢測食品中蛋白質(zhì)、揮發(fā)性鹽基氮、亞硝酸鹽及硝酸鹽含量，評價食物的單一營養(yǎng)成分，評估食品加工過程中的腐敗變質(zhì)程度，考察食品添加劑的添加限量及其可能帶來的人體健康風(fēng)險。該實驗綜合納入多個檢測指標，不同組學(xué)生可將較成熟的實驗方法與實際專業(yè)問題聯(lián)系，進而制定實驗方案，選擇實驗樣品，達到不同層面的研究目的。例如，選擇火腿腸為樣品檢測其蛋白質(zhì)含量、評估其腐敗變質(zhì)程度、評價其亞硝酸鹽及硝酸鹽的食品衛(wèi)生狀況；選擇火腿腸和臘腸為樣品比較2 者的蛋白質(zhì)含量，評估兩種加工方式中食品的衛(wèi)生安全狀態(tài)；選擇合理儲存的火腿腸和誘發(fā)腐敗變質(zhì)的火腿腸為樣品，評價火腿腸存放過程中蛋白質(zhì)的降解規(guī)律，評價食品添加劑的防腐作用［5-6］。

1.3 實驗技術(shù)路線的設(shè)計

實驗的3 個檢測指標不僅原理存在聯(lián)系，而且檢測方法也相互關(guān)聯(lián)。實驗基本技術(shù)路線著重體現(xiàn)實驗的整體性，以四分法取適當量的火腿腸樣品，均分為A、B、C 3 份進行實驗（見圖1）。著重體現(xiàn)實驗的整體性，通過提問引導(dǎo)學(xué)生在整體框架中發(fā)現(xiàn)彼此之間的關(guān)聯(lián)，理解實驗整體設(shè)計和擬解決的專業(yè)問題。有意增加了離子色譜法測定食品亞硝酸鹽及硝酸鹽含量，使學(xué)生深入理解凱氏定氮法的應(yīng)用局限，進而理解食物成分與食品加工衛(wèi)生標準的檢測意義。

圖1 食品中含氮物質(zhì)測定實驗技術(shù)路線

該項目為學(xué)生提供了開放設(shè)計的載體，呈現(xiàn)科學(xué)研究的探索性。在實驗基本技術(shù)路線的基礎(chǔ)上，學(xué)生根據(jù)不同樣品對方案再細化，以解決不同層面的專業(yè)性問題，從而體驗科研設(shè)計思想，建立基本的科研思維。實驗技術(shù)路線的設(shè)計還可根據(jù)非蛋白質(zhì)氮的存在形式，比如氨基酸或三聚氰胺，拓展實驗內(nèi)容或替換實驗方法，擴大難度和廣度。

1.4 硬件條件對教學(xué)進度的支撐

高階的專業(yè)實驗應(yīng)是依托解決專業(yè)問題，既融合多種方法實現(xiàn)研究目的，又納入科研新方法，新設(shè)備［7］。實驗教學(xué)的硬件條件支撐專業(yè)教學(xué)實驗的創(chuàng)新與挑戰(zhàn)。我院公共衛(wèi)生與預(yù)防醫(yī)學(xué)專業(yè)福建省實驗教學(xué)示范中心為本實驗提供了寬敞的實驗場地和充足的大型儀器設(shè)備（見圖2），消除了傳統(tǒng)方法中耗時長、高溫強酸操作不便、消化難度大等教學(xué)實施不利因素［8］，提高教學(xué)效率，促成該實驗由學(xué)生自主優(yōu)化，在多個實驗室交叉輪轉(zhuǎn)實施。實驗整體進度如表1所示。

表1 食品中含氮物質(zhì)測定實驗進度表

圖2 食品中含氮物質(zhì)測定實驗用儀器

2 教學(xué)模式

聚焦能力培養(yǎng)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，課程擯棄“課前大包大攬，課內(nèi)按部就班”的模式，采用小班小組輪轉(zhuǎn)，以“學(xué)”為中心的混合式教學(xué)，促成學(xué)生全過程自主參與，教師全過程引導(dǎo)［9-11］。

2.1 課前準備

課前訓(xùn)練學(xué)生自主學(xué)習(xí)和組織實施的能力。在廈門大學(xué)課程中心平臺發(fā)布學(xué)習(xí)資料和儀器操作視頻，介紹項目的背景、目的，拋出問題“對于添加外源含氮物質(zhì)的食品，如何準確測定其蛋白質(zhì)含量”“如何評價動物性食品的鮮度”。學(xué)生課前1 周提交預(yù)習(xí)報告和實驗分工進度表，教師重點考察學(xué)生對項目原理的理解、整體流程的設(shè)計和組織實施方案。預(yù)習(xí)報告通過的小組方可進行后續(xù)學(xué)習(xí)。

2.2 分工實施與質(zhì)量控制

課堂上，教師講解實驗?zāi)康?、基本技術(shù)路線，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)專業(yè)問題。學(xué)生自行擬定待研究的實驗項目，優(yōu)化實驗方案。教師引導(dǎo)建立實驗質(zhì)量控制，小組方案設(shè)試劑空白、平行樣重復(fù)、空白加標、樣品加標實驗，每兩組之間平行重復(fù)。學(xué)生自主實施方案，掌握實驗步驟、儀器操作使用、過程記錄、數(shù)據(jù)整理、問題歸納、結(jié)果計算與判斷等，提升實驗操作素質(zhì)，進而實現(xiàn)問題求解。教師重點監(jiān)督學(xué)生的操作規(guī)范、執(zhí)行的條理與進度、團隊協(xié)作、安全意識等，通過糾錯、把關(guān)實驗質(zhì)量使學(xué)生發(fā)現(xiàn)錯誤，加深理解，逐漸形成全局觀念，意識到實驗設(shè)計與研究目的、實驗優(yōu)化與方法的關(guān)聯(lián)。

2.3 問題引導(dǎo)式教學(xué)

在教學(xué)過程中重視設(shè)置針對性的思考題，引發(fā)學(xué)生對實驗原理、方案設(shè)計、操作方法的深度思考。以“火腿腸的蛋白質(zhì)含量高，你信嗎”導(dǎo)入實驗任務(wù)；在操作指導(dǎo)中分階段提出針對性問題，如：①原子吸收法檢測食物中重金屬含量，使用微波消解儀處理樣品，為何本實驗不用此法消解食物樣品？又為何測定TVBN含量時不進行樣品的消化？②蛋白質(zhì)含量測定時用氫氧化鈉蒸餾，TVBN 含量測定時則加入氧化鎂蒸餾，這是為什么？③為什么蛋白質(zhì)含量與TVBN含量的計算公式有差別？④樣品中有多少蛋白質(zhì)腐敗變質(zhì)？⑤“食物含有亞硝酸鹽就會中毒嗎？”采用引趣、激疑、懸念等方式引導(dǎo)問題，激發(fā)學(xué)生探究的熱情，為課程后續(xù)的設(shè)計性實驗做鋪墊。

2.4 項目總結(jié)與討論

實驗報告著重強化學(xué)生思考與分析：①總結(jié)方法學(xué)的收獲與技能的提高，討論分析不理想結(jié)果，步驟優(yōu)化與調(diào)整的效果；②討論項目所設(shè)定的問題是否得到了解決，實驗結(jié)果如何評價；③展示對實驗／實踐全程理解與掌握，詳盡闡述實施階段與預(yù)習(xí)階段對具體內(nèi)容的理解差異，體會“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行”，進而體悟解決問題的思想；④教師在批閱報告后，組織課堂討論、點評、答疑，引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)提煉、修正錯誤、舉一反三。條件允許可鼓勵學(xué)生重復(fù)實驗。

3 特色與成效

（1）實驗特色。①聚焦能力培養(yǎng)，圍繞專業(yè)問題，提升實驗任務(wù)的高階性和挑戰(zhàn)度，培養(yǎng)學(xué)生綜合分析和解決問題的能力；②聚焦實驗原理，突出方法和檢測指標之間的聯(lián)系，加強學(xué)生深度理解；③突破傳統(tǒng)方法局限，解決專業(yè)問題的路徑可拓展、可升級、可創(chuàng)新；④問題引導(dǎo)式教學(xué)引發(fā)思考，學(xué)生主動參與性強；⑤綜合了學(xué)科經(jīng)典實驗方法，可應(yīng)用于實際研究，成為學(xué)生開展設(shè)計性實驗、畢業(yè)設(shè)計的基礎(chǔ)，努力打造具備高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度的“金課”。

（2）教學(xué)成效。①學(xué)生掌握了檢測原理和方法，深入學(xué)習(xí)實驗質(zhì)量控制的手段，技能素質(zhì)獲得提高；②學(xué)生在技術(shù)路線的優(yōu)化設(shè)計中體驗解決問題的過程，實現(xiàn)舉一反三；③打破傳統(tǒng)方法的應(yīng)用局限，學(xué)生開闊思維；④分組開展全過程自主實驗，增進學(xué)生組織協(xié)調(diào)和團隊合作能力；⑤初步建立了科研思維。

4 結(jié)語

高質(zhì)量的專業(yè)實驗教學(xué)不僅是技術(shù)方法的教與學(xué)，更是需要教師團隊積累豐富的科研和教學(xué)經(jīng)驗，深入思考，熱情投入，對教學(xué)模式充分理解和靈活運用［12］，在帶領(lǐng)學(xué)生解決問題的過程中傳遞方法論的思想，方可彰顯教學(xué)實驗的魅力。

2020 年新型冠狀病毒肺炎全球流行，提示公共衛(wèi)生與預(yù)防醫(yī)學(xué)專業(yè)人才應(yīng)具備綜合分析的系統(tǒng)思維和解決復(fù)雜性專業(yè)問題的全局把控能力［13-14］。新的社會發(fā)展形勢與國家健康發(fā)展戰(zhàn)略對該專業(yè)人才的能力也提出更高的要求［15］。我校預(yù)防醫(yī)學(xué)專業(yè)獲批2020年度國家級一流本科專業(yè)建設(shè)點，其中一項重要的建設(shè)任務(wù)是堅持立德樹人，著重培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新人才［16］，在推進教學(xué)改革中將注重在實戰(zhàn)中加強創(chuàng)新和應(yīng)用能力培養(yǎng)，強化探索“理論+實踐+現(xiàn)場”的能力培養(yǎng)路徑。食品中含氮物質(zhì)測定實驗精巧設(shè)計，以任務(wù)引導(dǎo)、啟發(fā)學(xué)生探索專業(yè)問題的解決方案，訓(xùn)練綜合應(yīng)用能力，培養(yǎng)解決問題的思維，使之具備自我更新的能力，體悟所學(xué)專業(yè)的實際工作意義，為相關(guān)專業(yè)的實驗教學(xué)提供參考借鑒。