科教融匯及思政育人新路徑

摘 要： 在前期研究基礎(chǔ)上，為食品包裝技術(shù)實(shí)驗(yàn)課開設(shè)了明膠?淀粉復(fù)合膜制備和性能評估實(shí)驗(yàn)，引入綠色包裝材料最新科研成果，緊貼社會(huì)熱點(diǎn)環(huán)境保護(hù)，結(jié)合食品專業(yè)多學(xué)科知識(shí)，涵蓋產(chǎn)品研發(fā)全過程，全方位滲透思想政治教育。實(shí)驗(yàn)包括學(xué)生自行篩選復(fù)合膜配方、進(jìn)行質(zhì)量評估和數(shù)據(jù)分析、撰寫論文模式實(shí)驗(yàn)報(bào)告。3 年的教學(xué)實(shí)踐表明，該課程設(shè)計(jì)創(chuàng)新性強(qiáng)、綜合性高、學(xué)生認(rèn)可度高且教學(xué)成果豐富，能極大激發(fā)學(xué)生實(shí)驗(yàn)興趣和培養(yǎng)正確思想價(jià)值。

關(guān)鍵詞：食品包裝技術(shù)；創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)；科教融合；課程思政；明膠?淀粉復(fù)合膜

中圖分類號：S226；G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：2095-1795（2024）06-0133-05

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2024.06.023

0 引言

食品包裝技術(shù)和綠色包裝材料是現(xiàn)代食品工業(yè)的重要組成部分和研究熱點(diǎn)，是食品科學(xué)與工程、化學(xué)化工、材料科學(xué)工程等專業(yè)的必修課。但現(xiàn)有食品包裝技術(shù)實(shí)驗(yàn)課內(nèi)容較陳舊，與專業(yè)發(fā)展脫節(jié)較大。學(xué)生普遍認(rèn)為課程枯燥無味，缺乏學(xué)習(xí)積極性和能動(dòng)性[1]。

2019 年10 月，教育部發(fā)布《關(guān)于深化本科教育教學(xué)改革全面提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的意見》提出，推動(dòng)科研反哺教學(xué)，強(qiáng)化科研育人功能，推動(dòng)高校及時(shí)把最新科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生專業(yè)學(xué)習(xí)興趣。因此，引入本學(xué)科一些最新科研成果轉(zhuǎn)化為創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目非常重要。在課程中融入思想政治教育，每個(gè)實(shí)驗(yàn)階段加入相應(yīng)的思政元素，構(gòu)建全面覆蓋、互相支撐、全方面育人的課程體系，既能讓學(xué)生了解最新學(xué)科發(fā)展趨勢，培養(yǎng)科研能力和探究思維，又能潛移默化進(jìn)行思政教育，引導(dǎo)學(xué)生形成正確的人生觀和價(jià)值觀，在時(shí)間有限的教學(xué)活動(dòng)中實(shí)現(xiàn)知識(shí)德育雙豐收。

華南理工大學(xué)是一所以工見長、多學(xué)科協(xié)調(diào)發(fā)展的綜合性研究型大學(xué)。依托華南理工大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院優(yōu)質(zhì)科研資源和實(shí)驗(yàn)條件，將國家自然科學(xué)基金研究成果淀粉相變進(jìn)程中的智能調(diào)控及行為機(jī)制研究轉(zhuǎn)化為創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目明膠?淀粉復(fù)合膜制備和性能評估。課程內(nèi)容豐富，安排合理，學(xué)生普遍表現(xiàn)出極大的參與度和積極性，取得良好教學(xué)效果。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路和安排

1.1 設(shè)計(jì)思路

近年來全球環(huán)境問題日趨嚴(yán)峻，人們環(huán)保意識(shí)不斷增強(qiáng)，對食品包裝安全要求不斷提高，對綠色環(huán)保包裝的研究逐漸增多。

明膠是膠原蛋白降解產(chǎn)物，具有良好生物相容性和降解性，是廣泛應(yīng)用的高分子材料。淀粉是一種天然多糖，來源豐富、成本低廉、可降解和可再生，是新型包裝材料的主要組成基質(zhì)[2]。課題組前期研究表明，兩者和增塑劑混合可制成高性能包裝材料[3]。

本課程在科研成果基礎(chǔ)上，結(jié)合食品化學(xué)、食品物性學(xué)、感官評價(jià)和質(zhì)量管理等多學(xué)科知識(shí)，加入工匠精神和團(tuán)隊(duì)合作等思政目標(biāo)，以明膠?羥丙基淀粉復(fù)合膜研究開發(fā)為主線，設(shè)計(jì)了配方開發(fā)、質(zhì)量檢測和數(shù)據(jù)分析3 個(gè)模塊[4]。課程涵蓋整個(gè)產(chǎn)品研發(fā)生產(chǎn)評價(jià)體系，使學(xué)生熟悉科研方法和流程。而每個(gè)模塊又有獨(dú)立性，任一模塊均可進(jìn)行深入實(shí)驗(yàn)教學(xué)和思政教育[5]。課程設(shè)計(jì)如表1 所示。

1.2 教學(xué)安排

學(xué)生自行組合，3～4 名學(xué)生為一個(gè)實(shí)驗(yàn)小組，實(shí)驗(yàn)前查閱文獻(xiàn)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。復(fù)合膜制作完需24 h 完全干燥后才能進(jìn)行質(zhì)量檢測，因此實(shí)驗(yàn)課分兩次開設(shè)，總學(xué)時(shí)8～10 學(xué)時(shí)。第1 次課篩選明膠、羥丙基淀粉和甘油最佳混合配比并制備復(fù)合膜（4～5 學(xué)時(shí)）；第2 次課進(jìn)行質(zhì)量檢測，測定復(fù)合膜的感官指標(biāo)和機(jī)械性能，觀察微觀形貌（4～5 學(xué)時(shí)）。課后統(tǒng)計(jì)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合評估并提交一份論文模式的實(shí)驗(yàn)報(bào)告。要求學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，學(xué)會(huì)使用正交、繪圖、數(shù)據(jù)分析等各類軟件，能對結(jié)果進(jìn)行分析和取舍。

2 原料與儀器

2.1 材料

羥丙基淀粉，杭州普羅星淀粉有限公司；明膠（180LB8），羅賽洛明膠有限公司；甘油，湖南爾康制藥股份有限公司。

2.2 儀器

INSTRON 5565 型拉伸壓縮材料實(shí)驗(yàn)機(jī)， 美國INSTRON 公司；TLE204 型分析天平，美國METTLERTOLEDO 公司； Merlin 型掃描電鏡， 德國Carl ZeissAG 公司；DW-HL678 型?86 °C 超低溫冷凍儲(chǔ)存箱 ，長虹美菱股份有限公司；HWS-12 型電熱恒溫水浴鍋，上海一恒科學(xué)儀器有限公司；AM90 L-H 型數(shù)顯電動(dòng)攪拌機(jī)，上海昂尼儀器儀表有限公司；DKN412C 型烘箱，重慶雅馬拓科技有限公司；塑料培養(yǎng)皿，海門市春博生物實(shí)驗(yàn)器材廠。

3 試驗(yàn)方法

3.1 復(fù)合膜制備

按不同配比稱取相應(yīng)質(zhì)量的明膠、羥丙基淀粉、甘油和純凈水放入燒杯中，80 °C 恒溫水浴以100 r/min的攪拌速度攪拌1 h，得到混合均勻的膠液。

將膠液均勻倒入塑料培養(yǎng)皿中，室溫下放置2 h 待膠液凝固成型后放入烘箱37 °C 烘干24 h，得到明膠?羥丙基淀粉復(fù)合膜，供后續(xù)分析使用。

3.2 單因素試驗(yàn)

3.2.1 不同水添加量

固定甘油添加量30%、羥丙基淀粉添加量10%，以90%、110%、130% 和150% 水添加量為變量，按上述方法制備膠液，以流動(dòng)性、黏度和是否分層為觀測指標(biāo)，探究不同水添加量對制膜膠液的影響[6]。

3.2.2 不同甘油添加量

固定水添加量130%、羥丙基淀粉添加量10%，以10%、20%、30%、40% 和50% 甘油添加量為變量，制備及檢測同上。

3.2.3 不同羥丙基淀粉添加量

固定甘油添加量30%、水添加量130%，以10%、20%、30%、40% 和50% 淀粉添加量為變量，制備及檢測同上。

3.3 正交試驗(yàn)

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，進(jìn)行3 因素3 水平正交試驗(yàn)，以水添加量、甘油添加量、淀粉添加量為試驗(yàn)因素，制備1～9 號復(fù)合膜樣品，以拉伸強(qiáng)度為考察指標(biāo)，研究明膠?淀粉復(fù)合膜的最佳配方。另制備純明膠膜作為10 號樣品[7]。

3.4 質(zhì)量指標(biāo)測定

3.4.1 感官

根據(jù)GB/T 28117—2011 進(jìn)行外觀質(zhì)量和異嗅測試，檢查是否有氣泡、折皺、異常氣味，測量厚度[8]。

3.4.2 機(jī)械性能

根據(jù) GB/T 1040.3—2006，用拉伸壓縮實(shí)驗(yàn)機(jī)測試彈性模量和最大拉力[9]。將膜裁成13 mm×2 mm 的長條， 設(shè)置拉力機(jī)初始夾距50 mm， 探頭移動(dòng)速度100 mm/min。每組樣品重復(fù)測試5 次， 結(jié)果取平均值。

3.4.3 掃描電鏡

將樣品橫截面進(jìn)行噴金處理，在高壓25 kV，束流5×10?9 mA，真空度13.33 Pa，工作距離15 mm 的條件下，用掃描電子顯微鏡放大1 000 倍，掃描觀察微觀形貌。

3.5 數(shù)據(jù)處理

采用Prism 和CAD 作圖，SPSS 進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析。

4 結(jié)果與分析

4.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

4.1.1 不同水添加量

由表2 可知，當(dāng)甘油添加量和羥丙基淀粉添加量固定時(shí)，水添加量90% 的膠液流動(dòng)性差，黏度最高。隨著水添加量變大，膠液流動(dòng)性變好，黏度降低。說明當(dāng)水添加量不足時(shí)，羥丙基淀粉溶解不充分。選擇水添加量110%、130%、150% 進(jìn)行正交試驗(yàn)。

4.1.2 不同甘油添加量

由表3 可知，當(dāng)水添加量和羥丙基淀粉添加量固定時(shí)，甘油添加量10% 時(shí)樣品膠液出現(xiàn)分層。當(dāng)甘油添加量超過20% 時(shí)，樣品無分層，并且隨著甘油添加量增加樣品流動(dòng)性增大。甘油添加量50% 時(shí)，樣品流動(dòng)性最好，但黏度較低，溶液稀薄無法成膜。說明甘油添加量不足時(shí)，明膠與羥丙基淀粉之間缺少媒介無法充分相容。選擇甘油添加量20%、30%、40% 進(jìn)行正交試驗(yàn)。

4.1.3 不同羥丙基淀粉添加量

由表4 可知， 當(dāng)甘油添加量和水添加量固定時(shí)，羥丙基淀粉添加量在30% 及以下時(shí)，樣品無分層；當(dāng)羥丙基淀粉添加量40% 和50% 時(shí)，樣品出現(xiàn)分層。推測原因是因?yàn)槊髂z的溶解性比羥丙基淀粉好，當(dāng)羥丙基淀粉添加量增大，兩者相互作用增大，互溶性質(zhì)下降，出現(xiàn)分層。選擇羥丙基淀粉添加量10%、20%、30% 進(jìn)行正交試驗(yàn)。

4.2 正交試驗(yàn)結(jié)果與分析

正交試驗(yàn)因素水平和試驗(yàn)結(jié)果如表5 所示。對水添加量A、甘油添加量B 和淀粉添加量C 極差R 值進(jìn)行比較，3 個(gè)因素對明膠?淀粉復(fù)合膜拉伸應(yīng)力的影響順序Cgt; Bgt; A。最優(yōu)組合C1B3A2，即淀粉添加量10%、甘油添加量40% 和水添加量130%。

4.3 復(fù)合膜感官分析

10 個(gè)樣品均為淡黃色透明膜，無明顯氣泡，無多于產(chǎn)品總面積5% 的輕微間斷性折皺，無異常氣味，厚度0.151～0.300 mm，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.4 機(jī)械性能結(jié)果分析

由圖1 可知，6 號樣品的彈性模量最大，機(jī)械性能較好，與正交試驗(yàn)結(jié)論相符。推測是適宜的增塑劑、水和淀粉比例，使淀粉和明膠結(jié)合更緊密，相容性更好。隨著水添加量和甘油添加量增加，淀粉糊化和增塑劑熔融程度提高，淀粉分子與明膠分子之間相互作用力增強(qiáng)，分子運(yùn)動(dòng)降低，因此復(fù)合膜的抗拉強(qiáng)度逐漸減小。采用SPSS 對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，不同樣品之間有較明顯差別，具有顯著性差異。說明之前處方設(shè)計(jì)中各指標(biāo)設(shè)計(jì)合理，各樣本能夠拉開差異，學(xué)生操作容易成功，適合本科實(shí)驗(yàn)課教學(xué)。

4.5 掃描電鏡分析

如圖2 所示，各樣品均為均一整體膜結(jié)構(gòu)，未出現(xiàn)分層和未溶解顆粒，說明制備方法科學(xué)可行。樣品7 空泡最多，有大量孔隙，說明增加羥丙基淀粉和減少水分會(huì)降低內(nèi)容物相容性，導(dǎo)致成膜效果不佳。樣品4 出現(xiàn)明顯的凹凸、褶皺，可能是水分含量較低，使得淀粉顆粒無法均勻的鑲嵌于明膠的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中。樣品6 微觀形貌最好，整體相對光滑致密，基本無凹陷，與機(jī)械性能試驗(yàn)結(jié)果一致。各樣品微觀形貌差異較大，易于學(xué)生分析原因。

5 結(jié)束語

將科研成果轉(zhuǎn)化為創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的教學(xué)模式，能讓學(xué)生接觸前沿?zé)狳c(diǎn)問題，拓寬科研視野。如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、選用什么參考指標(biāo)、檢測哪些質(zhì)量項(xiàng)目，數(shù)據(jù)如何分析和處理，這些都需要學(xué)生自己查資料結(jié)合理論課知識(shí)來設(shè)計(jì)。課程開放度大，不確定因素多，在操作中經(jīng)常會(huì)遇到失敗，學(xué)生要勇于面對挫折，積極樂觀地分析和解決問題[10]。同時(shí)強(qiáng)化思政教育，以潤物細(xì)無聲的方式，培養(yǎng)學(xué)生責(zé)任擔(dān)當(dāng)、創(chuàng)新意識(shí)和環(huán)保理念[11]。

此類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課比，實(shí)驗(yàn)方案復(fù)雜、課時(shí)數(shù)長，對教師輔導(dǎo)要求高，儀器設(shè)備臺(tái)套數(shù)需求大，大型精密儀器使用多，對學(xué)生綜合知識(shí)和動(dòng)手能力要求高，開設(shè)一個(gè)合適的實(shí)驗(yàn)課程需要考慮的因素多，難度大。同時(shí)由于科研成果的直接接觸者或完成人中很多不是實(shí)驗(yàn)教學(xué)一線教師，對前沿成果轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)內(nèi)容尚不熟悉，如何將科研成果的亮點(diǎn)和課程教學(xué)大綱的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行結(jié)合，如何細(xì)化科研成果在課堂中實(shí)現(xiàn)的形式、流程和教學(xué)方法，在轉(zhuǎn)化時(shí)都需要充分考慮[12]。

課后調(diào)研的多名學(xué)生均認(rèn)為本實(shí)驗(yàn)課貼合專業(yè)特點(diǎn)和學(xué)科特色，對自己動(dòng)手制作這些與生活和應(yīng)用密切相關(guān)的產(chǎn)品興趣度高，熱情度大。目前已有3 屆本科生開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)并在此基礎(chǔ)上拓展，申請大創(chuàng)、攀登計(jì)劃、百步梯等學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目立項(xiàng)3 項(xiàng)，發(fā)表中文核心期刊論文3 篇，申請專利2 項(xiàng)，取得了可喜的教學(xué)成果。

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