開放性“食品生物化學(xué)”實(shí)驗(yàn)的探索研究

李 倩，李會(huì)品，毛燁炫，馬陽(yáng)陽(yáng)，宋曉燕，孫靈霞

（河南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院，河南鄭州 450002）

食品生物化學(xué)是研究食品成分的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、形成、食品貯藏和加工以及在人體內(nèi)代謝過(guò)程中化學(xué)成分變化規(guī)律的一門綜合性學(xué)科，更是食品專業(yè)領(lǐng)域的帶頭學(xué)科。“食品生物化學(xué)”實(shí)驗(yàn)作為“食品生物化學(xué)”教學(xué)的重要組成部分，將學(xué)科的理論知識(shí)與實(shí)踐操作相結(jié)合，對(duì)學(xué)生知識(shí)體系的構(gòu)筑具有極其重要的意義。它不僅要求學(xué)生熟練掌握食品生物化學(xué)中相關(guān)反應(yīng)的基本原理和實(shí)驗(yàn)操作，熟悉實(shí)驗(yàn)所需要使用的儀器和試劑，更要求學(xué)生具備相當(dāng)?shù)膭?chuàng)新思維能力，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題并能通過(guò)查閱文獻(xiàn)等提出解決辦法，最終達(dá)到提高學(xué)生綜合素質(zhì)的目的[1]。在該課程開放式實(shí)驗(yàn)的設(shè)置中，如何利用“有機(jī)化學(xué)”課程的基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，又如何避免與后續(xù)“食品化學(xué)”課程的重復(fù)，將是課程組面臨的難點(diǎn)，就此問(wèn)題做一初步探索。

1 課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀

課程組于2018年起開始擔(dān)任河南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院的“食品生物化學(xué)”教學(xué)任務(wù)，實(shí)驗(yàn)大綱幾經(jīng)討論、修改、實(shí)踐，目前大綱為16 學(xué)時(shí)，共有9 個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，由3 個(gè)必做項(xiàng)目（淀粉的消化及還原糖含量的測(cè)定、蛋白質(zhì)的鹽析和透析、植物組織中DNA 的提?。?和6 個(gè)選做項(xiàng)目（雞蛋中卵磷脂的提取和鑒定、SDS-PAGE 電泳測(cè)蛋白質(zhì)分子量、底物濃度對(duì)酶促反應(yīng)速率的影響、氨基酸的紙層析、油脂過(guò)氧化值的測(cè)定、PCR 擴(kuò)增及DNA 電泳） 組成。在傳統(tǒng)課堂上，教師將實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)及需要注意的事項(xiàng)講授給學(xué)生，學(xué)生按照教材上的實(shí)驗(yàn)路線按部就班地進(jìn)行，如果對(duì)于實(shí)驗(yàn)原理等并不能很好地掌握，也就難以達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)的目標(biāo)。

那么，如何提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)積極性，使學(xué)生真正地能以主人翁意識(shí)參與到實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，培養(yǎng)其主動(dòng)性與獨(dú)立性？課程組設(shè)想在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中設(shè)置開放性探索實(shí)驗(yàn)，在教師布置完實(shí)驗(yàn)題目后，學(xué)生可通過(guò)獨(dú)立查閱文獻(xiàn)等提出解決問(wèn)題的實(shí)驗(yàn)方案，細(xì)化到每個(gè)實(shí)驗(yàn)步驟；此外，由于各組學(xué)生的實(shí)驗(yàn)方案不同，在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，可讓學(xué)生對(duì)不同實(shí)驗(yàn)的結(jié)果及難易程度進(jìn)行對(duì)比，獲得最優(yōu)實(shí)驗(yàn)流程。開放性探索實(shí)驗(yàn)更鼓勵(lì)學(xué)生通過(guò)文獻(xiàn)查閱、綜合分析、總結(jié)歸納等方式來(lái)對(duì)課堂知識(shí)與實(shí)踐操作相結(jié)合，要求學(xué)生有更多的自主學(xué)習(xí)能力和團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)，有利于學(xué)生綜合素質(zhì)的培養(yǎng)[2]。

2 開放性實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)

開放性實(shí)驗(yàn)是一個(gè)以問(wèn)題為導(dǎo)向的研究與實(shí)踐相結(jié)合的探索性項(xiàng)目，其目的在于激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)造性思維能力[3]。區(qū)別于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)有固定的實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟等，實(shí)驗(yàn)不再由教師給學(xué)生下達(dá)實(shí)驗(yàn)流程，學(xué)生可根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，在教師的指?dǎo)下，自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)流程、細(xì)化實(shí)驗(yàn)方案、分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果等。

項(xiàng)目的選題要注意食品科學(xué)專業(yè)與實(shí)踐生產(chǎn)之間的聯(lián)系和銜接，要以課堂的理論知識(shí)作為基礎(chǔ)，區(qū)別于有機(jī)化學(xué)和食品化學(xué)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)，具有實(shí)驗(yàn)的獨(dú)特性和不可取代性。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)難度也要適宜，不可過(guò)難，學(xué)生無(wú)法獨(dú)立操作；也不可過(guò)易，否則無(wú)法達(dá)到啟發(fā)學(xué)生思考的作用。總的來(lái)說(shuō)，開放性實(shí)驗(yàn)需具備綜合性、啟發(fā)性和原創(chuàng)性三大要素[4]。

3 開放性實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的具體實(shí)施

3.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容選擇

課程的開設(shè)時(shí)間在大二上學(xué)期，此時(shí)學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了“有機(jī)化學(xué)”“無(wú)機(jī)化學(xué)”等基礎(chǔ)化學(xué)課程，具有一定的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，能夠操作常見的化學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器，有能力開展一些簡(jiǎn)單的相對(duì)開放的實(shí)驗(yàn)。糖類又稱為碳水化合物，是自然界存在最為豐富的有機(jī)化合物，具有多種生理學(xué)作用，如為機(jī)體提供能量；作為其他生物大分子物質(zhì)物質(zhì)（如蛋白質(zhì)、核酸、脂類等） 生物合成的重要原料；也可作為生物體的結(jié)構(gòu)物質(zhì)（如纖維素是植物莖稈等職稱組織的結(jié)構(gòu)成分，幾丁質(zhì)是蝦、蟹等動(dòng)物硬殼組織的結(jié)構(gòu)成分）；糖蛋白、糖脂等具有細(xì)胞識(shí)別、免疫活性等多種生理活性功能。近年來(lái)，由于糖所具備的這些生理功能，所以對(duì)糖類物質(zhì)的研究也越來(lái)越受到重視。

因此，糖的測(cè)定作為一類經(jīng)典的食品生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中開展較為廣泛。此外，該實(shí)驗(yàn)涉及了理論教學(xué)中非常重要的酶解、氧化等多種反應(yīng)類型，適合進(jìn)行開放式教學(xué)，因此，課程組選擇大綱中的“淀粉的消化及還原糖含量的測(cè)定”這一實(shí)驗(yàn)進(jìn)行初步探索。

3.2 實(shí)驗(yàn)課前準(zhǔn)備

開放性探索實(shí)驗(yàn)需要教師和學(xué)生多方面共同的合作才能完成。首先，課程組根據(jù)教學(xué)管理制度，對(duì)實(shí)驗(yàn)實(shí)施中的各因素加以統(tǒng)籌。比如，由于學(xué)生獨(dú)立操作實(shí)驗(yàn)，必須在課前進(jìn)行安全教育以確保學(xué)生的人身安全。其次，教師在學(xué)習(xí)通提前布置實(shí)驗(yàn)任務(wù)，通過(guò)建立QQ 群或者微信群等，完成學(xué)生的分組及組內(nèi)任務(wù)分工。一組由3～4 人組成為宜。隨后，教師講解此次實(shí)驗(yàn)的具體內(nèi)容，講述實(shí)驗(yàn)過(guò)程中一些化學(xué)反應(yīng)，要求學(xué)生通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)或者圖書館等方式查閱文獻(xiàn)，待問(wèn)題明確后，各小組成員就可以開始設(shè)計(jì)具體的實(shí)驗(yàn)流程，包括實(shí)驗(yàn)的目的和原理、實(shí)驗(yàn)所需材料和儀器、實(shí)驗(yàn)步驟、結(jié)果的記錄與分析、實(shí)驗(yàn)中的注意事項(xiàng)等。各小組將上述內(nèi)容做成PPT 進(jìn)行方案匯報(bào)，由教師和學(xué)生共同討論其可行性并進(jìn)行優(yōu)化后，便可進(jìn)行下一步實(shí)驗(yàn)。

3.3 實(shí)驗(yàn)具體實(shí)施

在該實(shí)驗(yàn)中，首先通過(guò)酶對(duì)淀粉進(jìn)行水解。由于酶水解是溫和的、緩慢的，所以需要學(xué)生在固定的時(shí)間段進(jìn)行取樣，再對(duì)樣品中所含的還原糖進(jìn)行含量測(cè)定。通過(guò)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)方案匯報(bào)，確認(rèn)了3 種還原糖的測(cè)定方法：第1 種方法：直接滴定法。其原理是在加熱條件下，以次甲基藍(lán)為指示劑，以被測(cè)樣品溶液直接滴定已標(biāo)定過(guò)的費(fèi)林試液，樣品中的還原糖與費(fèi)林試劑中的酒石酸鉀鈉銅絡(luò)合物反應(yīng)，生成紅色的氧化亞銅沉淀，氧化亞銅再與試劑中的亞鐵氰化鉀反應(yīng)，生成可溶性化合物，到達(dá)終點(diǎn)時(shí)，稍過(guò)量的還原糖立即將次甲基藍(lán)還原，使藍(lán)色褪色，呈現(xiàn)出原樣品溶液的顏色，即為終點(diǎn)。根據(jù)樣品消耗體積，計(jì)算還原糖量。第2 種方法：高錳酸鉀滴定法。其原理是還原糖在堿性環(huán)境下將銅鹽還原為氧化亞銅，加硫酸鐵后，氧化亞銅被氧化為銅鹽，以高錳酸鉀溶液滴定氧化作用后生成的亞鐵鹽，根據(jù)高錳酸鉀消耗量計(jì)算氧化亞銅含量，再查表得還原糖量。第3 種方法：比色法。其原理是3,5 - 二硝基水楊酸與還原糖共熱后被還原成棕紅色的氨基化合物；在一定濃度范圍內(nèi)，還原糖的量和棕紅色物質(zhì)顏色的深淺程度呈一定比例關(guān)系，可以用分光光度計(jì)進(jìn)行測(cè)定[5]。學(xué)生可按照既定的實(shí)驗(yàn)步驟操作，記錄好實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

實(shí)驗(yàn)課的目的在于提高學(xué)生的動(dòng)手和解決問(wèn)題能力，也在于培養(yǎng)學(xué)生的科研嚴(yán)謹(jǐn)性，教師需向?qū)W生傳輸堅(jiān)決杜絕科研不端的理念。實(shí)驗(yàn)本身就是對(duì)課堂知識(shí)進(jìn)行實(shí)踐的過(guò)程，本來(lái)就是在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中尋找真理的方法，讓學(xué)生能夠充分發(fā)揮自身的能力，即使實(shí)驗(yàn)不完美或者失敗，也要告誡學(xué)生堅(jiān)決不能修改或杜撰實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，必須讓其思考原因，并且最終找到解決問(wèn)題的方案。

3.4 課后思考

實(shí)驗(yàn)操作結(jié)束，并不代表實(shí)驗(yàn)就完全結(jié)束，學(xué)生需要對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行討論，并且提出完善的方案。比如，3 種實(shí)驗(yàn)，操作哪個(gè)更簡(jiǎn)單？數(shù)據(jù)哪個(gè)更可靠？要注重學(xué)生各組之間實(shí)驗(yàn)操作的規(guī)范性及實(shí)驗(yàn)方案，尤其是細(xì)節(jié)之間的對(duì)比。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)學(xué)生更傾向于使用比色法進(jìn)行還原糖的測(cè)定。原因在于，前2 種方法所配試劑較為繁瑣，并且在滴定終點(diǎn)的確定上，人為因素干預(yù)較多，可能不同的學(xué)生所認(rèn)定的滴定終點(diǎn)的顏色都有些許的差別，因此也就導(dǎo)致了結(jié)果的差異較大。而比色法的優(yōu)點(diǎn)就在于借助紫外分光光度計(jì)，大大消除了人為因素的影響，結(jié)果較為準(zhǔn)確。但其缺點(diǎn)就是需要繪制對(duì)照品的標(biāo)準(zhǔn)曲線，實(shí)驗(yàn)時(shí)間相對(duì)長(zhǎng)一些。總體來(lái)說(shuō)，3 種方法各有利弊，在學(xué)生走上工作崗位之后，在實(shí)際工作中，可根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)?zāi)康拇_定最為適宜的實(shí)驗(yàn)方法。

除了對(duì)此次實(shí)驗(yàn)的思考，還可與學(xué)生進(jìn)行深度探討。酶解是把淀粉逐步水解的過(guò)程，和酸水解的區(qū)別之處在哪里？從而引入酶催化的特點(diǎn)，具有溫和的反應(yīng)條件、極高的催化效率、高度的專一性，以及是受到各種因素受到調(diào)節(jié)和控制的，生物體可通過(guò)多種調(diào)節(jié)方式對(duì)酶的催化活性進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，從而使機(jī)體內(nèi)極其復(fù)雜的物質(zhì)代謝網(wǎng)絡(luò)能夠協(xié)調(diào)、正常地進(jìn)行。

另外，適量食用含糖較高的物質(zhì)（如淀粉、水果） 等可為人體提供能量和豐富的微量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，有利于人體生理健康。然而，如果人體攝入過(guò)量，多余的糖類物質(zhì)在體內(nèi)堆積，不能及時(shí)代謝，可引發(fā)肥胖甚至糖尿病的產(chǎn)生。那么，糖類在機(jī)體內(nèi)是如何代謝的？這就可與課程中的后續(xù)內(nèi)容——物質(zhì)代謝精準(zhǔn)對(duì)接。將物質(zhì)代謝有關(guān)理論知識(shí)與淀粉的水解案例相關(guān)聯(lián)，在具體實(shí)驗(yàn)中分析問(wèn)題，進(jìn)而幫助學(xué)生熟悉糖代謝、脂類代謝及二者之間的關(guān)系，有利于學(xué)生綜合素質(zhì)的發(fā)展與提高。

4 課程考核

考核不僅能夠鑒定課程組的教學(xué)效果是否達(dá)標(biāo)，也是衡量教學(xué)質(zhì)量和學(xué)習(xí)成果的重要方法。合理的實(shí)驗(yàn)課程考核既包括課前的文獻(xiàn)查閱、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、PPT 講解，也包括實(shí)驗(yàn)操作、報(bào)告和課后思考等。在該課程中，文獻(xiàn)查閱、PPT 講解、實(shí)驗(yàn)報(bào)告和課后思考各占比15%，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和操作各占比20%。另外，課題組教師對(duì)課堂部分進(jìn)行打分，學(xué)生對(duì)課前預(yù)習(xí)部分依據(jù)分工和貢獻(xiàn)度進(jìn)行互評(píng)打分，最終得出課程的成績(jī)。

5 結(jié)語(yǔ)

課程組將開放式實(shí)驗(yàn)引入“食品生物化學(xué)”的課堂當(dāng)中，師生間進(jìn)行不斷的溝通交流，學(xué)生各小組之間也進(jìn)行不斷的協(xié)同合作，不僅大大改善了師生關(guān)系，讓教師更能夠理解學(xué)生的思維，做到與時(shí)俱進(jìn)、因材施教，大大提升了教師的教學(xué)效果；并且能夠提升學(xué)生的學(xué)習(xí)能動(dòng)性，讓其親身參與到教學(xué)過(guò)程中，學(xué)習(xí)熱情被激發(fā)，也就能夠更深刻地理解理論知識(shí)。實(shí)踐理論二者有機(jī)結(jié)合，相輔相成，最終達(dá)到熟練掌握知識(shí)點(diǎn)的目的。同時(shí)，匯報(bào)環(huán)節(jié)也相當(dāng)于一個(gè)小的翻轉(zhuǎn)課堂，讓學(xué)生走上講臺(tái)，能夠培養(yǎng)其表達(dá)能力，促進(jìn)了其綜合素質(zhì)的發(fā)展。

但是，由于該實(shí)驗(yàn)是開放性實(shí)驗(yàn)的初次嘗試，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程上仍存在一些問(wèn)題。比如，學(xué)生的差異性較大，尤其表現(xiàn)在其學(xué)習(xí)能動(dòng)性和自我管理學(xué)習(xí)上，有些學(xué)生難以按時(shí)完成文獻(xiàn)查閱工作，在小組內(nèi)的分工工作也不積極，這就對(duì)開放性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果有所影響。因此，教師在課前也不能完全放手，必須考慮如何對(duì)課前尤其是非課堂學(xué)習(xí)進(jìn)行有效的監(jiān)督和管理，或可以提問(wèn)形式抽查各小組進(jìn)展情況等。

綜上所述，將“食品生物化學(xué)”課程里及其重要的糖類物質(zhì)的檢測(cè)開展開放性實(shí)驗(yàn)，可以激發(fā)學(xué)生對(duì)“食品生物化學(xué)”的學(xué)習(xí)熱情與興趣，并深度挖掘其自主學(xué)習(xí)的潛能，對(duì)學(xué)生的綜合能力培養(yǎng)大有裨益。因此，課程組后續(xù)將開發(fā)更多的此類實(shí)驗(yàn)，也期望通過(guò)以點(diǎn)帶面，對(duì)學(xué)院其余實(shí)驗(yàn)課程提供參考，為更好地建設(shè)食品專業(yè)及工程認(rèn)證奠定基礎(chǔ)。