融合國際前沿進展的《現(xiàn)代食品檢測技術》教學研究

王彥，張文

融合國際前沿進展的《現(xiàn)代食品檢測技術》教學研究

王彥a，張文b

（江蘇大學 a.文學院 b.食品與生物工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

多種現(xiàn)代高新技術的興起推動了食品品質檢測領域的理論與技術發(fā)展，同時也需對課程教學進行針對性的改進。在《現(xiàn)代食品檢測技術》本科課程中引入國際前沿進展內容，作為傳統(tǒng)教材內容的有益補充，重點對“食品檢測領域智能包裝一體化同位檢測技術與多信息終端智能化分析技術”進行有效的教學嘗試，在研究背景、方案設計、樣品處理與實驗分析等環(huán)節(jié)進行深入淺出的教學，并通過多元化的考核方式鞏固教學成果。目前已實現(xiàn)300人次以上的課程教學，受教育者在本科和后繼研究生階段學習中可獲得明顯受益。這種融合法教學嘗試獲得了廣泛主觀好評，且在客觀上促進了教學質量提升，有效提升了學生后繼學習和科研能力。

食品檢測；智能包裝；多終端系統(tǒng)；實驗教學；創(chuàng)新教學

食品品質檢測是關系到食品安全的重要環(huán)節(jié)，其主要任務是利用物理、化學、生物等理論與技術，對食品物性、狀態(tài)、感官體驗、主要成分與微量成分含量進行分析測定。近年來，隨著多種現(xiàn)代高新技術興起，多學科交叉融合，可以快速、全面地獲得光、聲、電、磁等數(shù)據(jù)信息，進而對食品品質安全進行系統(tǒng)評估[1]。

目前，國內高校食品相關本科專業(yè)已廣泛開設了《現(xiàn)代食品檢測技術》等專業(yè)課程，主要涵蓋光譜分析、色譜及質譜分析、擬人感官視覺、智能聲學-力學檢測、MEMS電化學傳感、核酸探針和免疫學檢測等若干技術領域，所屬學科領域逐漸呈現(xiàn)出核心器件微型化和監(jiān)測系統(tǒng)云端化的特點[2]。針對《現(xiàn)代食品檢測技術》課程，傳統(tǒng)教學方法通?；诮滩倪M行講述，可以使學生學到應有的基礎知識。由于出版周期的限制，現(xiàn)有的教材內容難以跟蹤國際前沿進展，在一定程度上局限了教學質量的提高。

綜上，有必要在《現(xiàn)代食品檢測技術》本科課程中引入國際前沿進展內容，作為傳統(tǒng)教材內容的有益補充。前沿進展內容可以有效拓展學生的專業(yè)視野，使其獲得新鮮知識，彌補教材內容與前沿知識脫節(jié)的不足；同時可以在課程教學中獲得較好的區(qū)分度，使部分學有余力的學生能夠脫穎而出；可以培養(yǎng)學生獨立思考、深入學習的能力，成為本科基礎教學與研究生學習基礎科研能力的一個有效紐帶與重要過渡。

1 融合國際前沿進展的課程教學實現(xiàn)

根據(jù)《食品現(xiàn)代檢測技術》課程教學內容，主要對以下知識點進行講述：計算機視覺與高光譜、多光譜分析技術[3—4]；液相色譜與氣相色譜分析技術[5—6]；原子吸收法與等離子體質譜法分析技術[7—8]；MEMS傳感器電化學檢測技術[9]；核酸探針、PCR擴增分析與生物芯片技術[10—11]；計算機、智能手機等作為信息終端的智能化分析技術等[12—13]。國際前沿的融合教學主要集中在2個方面：基于新材料、新理論、新器件的新興技術[14]；傳統(tǒng)技術在信息化、物聯(lián)網(wǎng)背景下的新發(fā)展[15]。

針對食品檢測領域，涉及新材料的代表性工作主要包括：無污染智能包裝（如變色包裝、近場感應包裝等）的食品流通消費領域應用[16]；利用高分子仿生膜對食品有益成分作用機理的體外再現(xiàn)驗證[17]。涉及新理論的代表性工作主要包括：食品咀嚼感受特性的擬人化神經(jīng)元評估方法[18]；基于手機、智能手環(huán)等新興工具的分布式食品特征檢測過程與云端共享策略[19]。另外，微電極陣列、金屬有機框架熒光傳感器等新興器件也已在食品檢測領域嶄露頭角[20]。考慮到選課學生的知識結構與認知能力情況，著重對智能包裝一體化同位檢測技術（新材料）與多信息終端智能化分析技術（新理論）進行了有效教學：將基礎知識內容與上述領域代表性論文研究結果融合，以基礎知識內容促進對前沿論文的學習思考，同時以前沿論文反哺技術知識內容的掌握鞏固；以課堂講述、多媒體放映、小組討論與課后小論文的形式，實現(xiàn)立體教學。

2 教學實施方法設計

2.1 智能包裝一體化同位檢測技術

以“溶膠-凝膠基質比色傳感包裝用于魚類新鮮度監(jiān)測”為代表內容[21]，對前沿領域研究進行了教學，并對背景評估、方法設計、樣品處理與實驗結果等4個重要環(huán)節(jié)進行了著重闡述。

1）魚類具有豐富營養(yǎng)成分和愉悅口感，在日常飲食中被視為健康和高價值食物。捕獲（或養(yǎng)殖）魚類的處理和儲存條件會嚴重影響魚的新鮮度和質量，因此，魚類新鮮度監(jiān)測對于生產(chǎn)環(huán)節(jié)和消費環(huán)節(jié)非常重要。目前，研究魚類新鮮度主要通過感官評估或生化技術，通常需要較長分析時間和專業(yè)操作人員；智能包裝是一種新型高效方法，可通過在包裝上加入特異性標簽用于指示新鮮度和狀態(tài)。

2）選用溴甲酚綠作為指示劑，廉價的一次性濾紙作為標簽基底；考慮到浸涂法制備濾紙存在易碎傾向，并可能存在染料泄漏和濕度影響隱患，因此，在濾紙上施加溶膠-凝膠涂層，設計實現(xiàn)了具有高度穩(wěn)定性和優(yōu)良特異性的溶膠-凝膠感應標簽。

3）在超市購買活魚，在實驗室內進行采樣處理，去除魚皮和魚骨，將魚肉分成10 g的小塊，放入用透明保鮮膜密封的容器中進行新鮮度監(jiān)控；實驗在室溫下進行，為了確保監(jiān)測過程可信，平行測試3個樣品。直徑1 cm的溶膠-凝膠感應標簽置于容器頂部空間，每隔2 h記錄一次總揮發(fā)性堿性氮含量、pH值和感測標簽顏色。

4）實驗證明，溶膠-凝膠層能夠有效改善感應標簽的耐濕性，有助于減少水分對監(jiān)測精度的影響；感應標簽對魚肉樣品新鮮度具有靈敏響應，在樣品變質過程中顯示出由黃色過渡到綠色，并最終達到深藍色的強烈顏色變化；顏色變化與總揮發(fā)性堿性氮含量相關，且肉眼即可分辨。同時，可以使用感應標簽對新鮮度水平進行定量準確評估：伴隨樣品變質過程，總揮發(fā)性堿性氮含量逐漸增加，引發(fā)智能包裝膜顏色改變；魚類新鮮度水平與智能包裝膜顏色信息具有較明確的定量關系，即可利用顏色信息RGB值與總揮發(fā)性堿性氮含量的關系建立標準曲線，得到包含顏色信息與新鮮度信息的數(shù)學模型。在實際流通與消費環(huán)節(jié)，零售商、消費者或質檢人員使用手機APP等便捷工具提取變色標簽圖像，并同時拍攝外包裝的非變色校準圖像，通過對比變色標簽圖像、非變色校準圖像，有效克服環(huán)境光源影響與手機拍攝性能差異，從而準確地獲得魚類新鮮度水平定量信息。

2.2 多信息終端智能化分析技術前沿進展教學

以“基于手機控制的智能微波消解檢測”為代表內容[22]，對所在前沿研究進行了介紹，并對研究背景、儀器設計、傳感器設計和實驗結果等4個主要環(huán)節(jié)進行了重點教學。

1）在一個典型測量過程中，首先考慮合適的預處理，從而在食品樣品中提取目標元素。加熱、灰化、微波和超聲波消解方法是比較常用的預處理方法，然而往往需要復雜操作和昂貴儀器，不利于開展現(xiàn)場檢測。得益于固態(tài)微波器件、電化學傳感器和智能手機的發(fā)展，有望出現(xiàn)簡化和廉價的方法：固態(tài)微波器件可以為微波消解實現(xiàn)智能匹配，改善消解過程中的動態(tài)響應；與磁控管相比，這種固態(tài)器件由于體積小、效率高，更適合于多微波通道消化；獨立控制的微波通道產(chǎn)生微波功率的梯度斜率，有助于提高消解效率。電化學傳感器與智能手機等個人信息終端的配合，則可以提供完整的分析和通信功能。

2）基于智能手機的電化學檢測平臺包括一個傳感器模塊、一個無線恒電位儀、一個固態(tài)微波消解裝置和必要的流控部件。無線恒電位儀通過Wi-Fi與智能手機連接，并根據(jù)手機端命令進行了流體操作、消解程序和電化學測量。固態(tài)微波消解裝置有一個三通道微波源和3個獨立微波腔。對于微波源的每個通道，其輸出可獨立設置為低電平或高電平。消解環(huán)存在于微波腔中。目標樣品在可編程微波消解回路中消解，在冷卻回路中冷卻，然后在測試腔中進行分析。

3）三電極系統(tǒng)和pH電極采用標準半導體技術在硅片上制造：在干熱氧氣中，硅片外表面生長絕緣層，采用磁控濺射技術獲得了金層和鉑層，使用光刻掩模來繪制電極布局；采用其中一個鉑電極不加修飾，作為對電極；對于其他2個鉑電極，分別使用Ag/AgCl糊和聚甘氨酸薄膜進行功能修飾，作為參比電極和pH電極；采用納米修飾金微盤電極作為工作電極，并封裝在聚丙烯測量單元中。

4）魚肉樣品切成小塊并加入10倍質量去離子水，使用破壁料理機處理。獲得產(chǎn)物直接由系統(tǒng)自動化消解并檢測。2組鯽魚樣品（分別來源于江水和湖水養(yǎng)殖）重金屬含量存在顯著差異。2組草魚樣品（分別來源于江水和湖水養(yǎng)殖）的鎘、鉛、汞含量相近，且明顯低于鯽魚樣品。該方法對魚肉中鎘、鉛、汞具有較寬的檢測范圍。

具體實施上述方法操作：在課堂上以PPT的形式介紹原理和操作步驟，同時配合提前錄制的實驗視頻進行講解；將學生分為5人一組，利用調整到周末的課程，在老師的指導下于教學實驗室親自動手完成實驗操作。

3 考核方法與實施效果評估

針對融合國際前沿進展的《現(xiàn)代食品檢測技術》教學部分，考核方式更傾向于柔性和多元化的模式，主要通過立體、翔實的考核要求實現(xiàn)：預習考核，在進行課程教學之前，學生針對相關常見知識點進行預習，反饋預習中的難點，教師對預習過程進行考核；課程基本知識考核：在課堂教學中，教師對已有基礎知識點進行講述，通過隨堂采用提問、快速作業(yè)報告的形式，對基本知識進行考核；前沿進展認知考核，在完成前沿進展講述后，學生以分組討論、課堂答疑的形式，對先進理論與方法進行初步掌握，通過提交討論報告的方式完成考核；主觀能動考核，在完成基礎知識與前沿知識講述后，將學生分為小組，每組5人，組長通過PPT等形式進行課堂匯報（限時7 min），介紹對融合教學的課程內容認知與研究方向的收獲等，根據(jù)課堂匯報內容對小組成員進行問答考核（限時3 min）。

《現(xiàn)代食品檢測技術》課程主要面向食品相關專業(yè)本科三年級學生、其他專業(yè)大四學生和一年級碩士研究生。上述融合教學方法已開展3年以上，通過實際教學，普遍評價“可以獲得新鮮的知識”，反響良好；學生對這種融合教學方式積極性很高，目前選修教學人數(shù)已超過300。特別地，在面向食品科學與工程專業(yè)三年級本科生教學中，獲得了格外突出的教學成果：在本科生總人數(shù)未發(fā)生明顯改變前提下（均為3個班，90人左右），教改前選修人數(shù)為51，教改后選修人數(shù)為77，選修率提高了50%以上；在選修教學結束后，有42人對課程講述的國際前沿進展表現(xiàn)出濃厚興趣，提前進入實驗室學習相關知識；在提前進入實驗室環(huán)境的學生中，35人參加了校設大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目，并已有28人順利結題，對比教改前創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目成績（20人參與，11人結題）實現(xiàn)了較大提升。同時，教改工作也對選課學生進一步深造呈現(xiàn)出推動作用：教改前選課學生繼續(xù)攻讀研究生12人，深造比例低于25%（12/51）；教改后有32人通過推免/考試方式進入研究生階段學習，深造比例高于40%（32/77），并已發(fā)表50余篇科研論文，6人獲得了國家獎學金。上述成果可能得益于3個方面：將國際前沿進展融合于課程教學中，解決了配套教材內容老化、更新不及時的問題，改善了教學效果；通過多元化的教學與考核方式，提高了學生的自主學習興趣，引導學生構建自學研究與團隊合作融合的學習方式；有效地對認知結構與能力進行了篩選，使部分學有余力學生明晰了學習目標和研究興趣，在后繼研究生階段實現(xiàn)“有的放矢，不走彎路”。

4 結語

食品檢測技術是保障食品質量與安全的重要手段。隨著技術領域與深度日新月異的發(fā)展，對《現(xiàn)在食品檢測技術》本科課程教學提出了更多的要求與挑戰(zhàn)。嘗試將領域內前沿進展融入本科教學實踐中，以教材知識為基礎，以前沿知識為補充，構建完善的教學體系；通過立體化、多元化的教學與考核過程，使學生熟悉基礎知識，并認知了解本領域前沿發(fā)展的關鍵環(huán)節(jié)。這種教學嘗試取得了一定成果，收到了廣泛主觀好評，客觀教學質量提升，同時可以切實有效提升學生在后繼研究生階段進行科學研究的能力。

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Teaching of ''Modern Food Detection'' Integrating International Frontier Progress

WANG Yana, ZHANG Wenb

(a.School of Liberal Arts b.School of Food & Biological Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

The rise of a variety of modern high technologies has promoted the development of theory and technology in the field of food quality detection, which also requires targeted improvement of course teaching at the same time. The frontier progress was introduced to the ''Modern Food Detection'' as a useful supplement to the traditional teaching materials. The focus was an effective teaching attempt of ''the integrated co-location detection technology of intelligent packaging and the intelligent analysis technology of multi-information terminals in the field of food detection'', and a simple but profound teaching was carried out in the research background, scheme design, sample processing and experimental analysis. Then, the teaching results were consolidated through diversified assessment methods. The teaching course of more than 300 persons was realized, and the educatees could get obvious benefits in undergraduate and post-graduate studies. This integrated teaching attempt has won wide subjective praise, and objectively promotes the improvement of teaching quality, and effectively improves students' subsequent learning and scientific research ability.

food detection; intelligent packaging; multi-terminal system; experimental teaching; innovative teaching

TS207

A

1001-3563(2022)01-0183-04

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.01.023

2021-06-28

國家自然科學基金（31972153）；江蘇省高校優(yōu)勢學科建設工程項目（4013000009）

王彥（1971—），女，江蘇大學講師，主要研究方向為教育心理學。

張文（1979—），男，博士，江蘇大學副教授、博導，主要研究方向為光電柔性傳感器。