案例引導(dǎo)式教學(xué)法 在食品物性學(xué)課程教學(xué)改革中的應(yīng)用

何光華 孫忱 劉少莉 肖功年

食品物性學(xué)課程是一門(mén)以食品及其原料的物理性質(zhì)為主要教學(xué)內(nèi)容的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，是食品科學(xué)的一個(gè)重要組成部分，也是一門(mén)理論性、專(zhuān)業(yè)性、實(shí)用性很強(qiáng)的課程。目前，該課程存在教材理論性偏強(qiáng)、學(xué)生對(duì)課程認(rèn)識(shí)不足、不會(huì)靈活應(yīng)用等問(wèn)題，嚴(yán)重影響到教學(xué)質(zhì)量的提升。本文針對(duì)教學(xué)現(xiàn)狀提出案例引導(dǎo)式教學(xué)法，通過(guò)篩選生產(chǎn)實(shí)踐中的典型案例，讓學(xué)生參與案例分析和討論，從而提高學(xué)生的理論知識(shí)水平和工程實(shí)踐能力，達(dá)到培養(yǎng)優(yōu)秀食品專(zhuān)業(yè)人才的目標(biāo)。

一、食品物性學(xué)課程概述

食品物性學(xué)課程的教學(xué)內(nèi)容包括食品及其原料的基本物理特性、質(zhì)地、流變特性、熱特性、光特性、電特性等，通過(guò)學(xué)習(xí)該課程，學(xué)生可以鞏固所學(xué)食品物理學(xué)、食品化學(xué)、食品生物學(xué)等方面的基礎(chǔ)知識(shí)，了解食品及其原料的組織結(jié)構(gòu)等特性，掌握和分析基本物理特性的測(cè)定原理與方法，探討及分析食品物理和化學(xué)特性間的相互關(guān)系，對(duì)食品工藝學(xué)、食品機(jī)械與設(shè)備、食品工廠設(shè)計(jì)與環(huán)境保護(hù)、食品安全與質(zhì)量控制等專(zhuān)業(yè)課程的學(xué)習(xí)具有指導(dǎo)作用。該課程的教學(xué)目標(biāo)是拓寬學(xué)生在食品科學(xué)與工程方面的知識(shí)，提高自主學(xué)習(xí)、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題、團(tuán)隊(duì)協(xié)作等方面的能力，為他們今后勝任食品工程實(shí)踐、新產(chǎn)品研發(fā)和創(chuàng)新等工作打下良好的基礎(chǔ)。

筆者是在企業(yè)工作23年后才來(lái)到學(xué)校任教，通過(guò)深入研究課程內(nèi)容后，發(fā)現(xiàn)食品物性學(xué)是一門(mén)非常實(shí)用的課程。為了能上好這門(mén)課，筆者梳理和收集了近幾年來(lái)企業(yè)在生產(chǎn)、研發(fā)和質(zhì)量管理過(guò)程中發(fā)生的與物性相關(guān)的案例，以案例引導(dǎo)式教學(xué)法進(jìn)行課程教學(xué)。通過(guò)講解和討論各種案例，引導(dǎo)學(xué)生了解國(guó)內(nèi)外食品物性學(xué)概況，理解物理特性與化學(xué)成分間的內(nèi)在關(guān)系，啟迪學(xué)生將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用于食品科學(xué)與工程實(shí)踐中，取得了不錯(cuò)的教學(xué)成效。

二、食品物性學(xué)課程教學(xué)現(xiàn)狀及存在問(wèn)題

正如前文所述，食品物性學(xué)課程的理論性、專(zhuān)業(yè)性、實(shí)用性均較強(qiáng)，對(duì)于本科生來(lái)說(shuō)，要想學(xué)好這門(mén)課程，不僅要有扎實(shí)的食品物理學(xué)、食品化學(xué)、食品生物學(xué)等方面的基礎(chǔ)知識(shí)，還需要有邏輯思維能力和理論聯(lián)系實(shí)際能力。通過(guò)幾屆學(xué)生的教學(xué)筆者發(fā)現(xiàn)，食品物性學(xué)課程主要存在以下三方面的問(wèn)題：

（一）教材理論性偏強(qiáng)

從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，國(guó)外興起關(guān)于食品物性方面的研究，國(guó)內(nèi)對(duì)食品物性的研究近些年才起步，存在教材體系不完善的問(wèn)題。由于課程內(nèi)容涉及到高等數(shù)學(xué)、食品工程原理、生物化學(xué)、高分子化學(xué)等多學(xué)科知識(shí)，較多章節(jié)中涉及數(shù)學(xué)方程和公式推導(dǎo)，理論性較強(qiáng)，對(duì)本科學(xué)生來(lái)說(shuō)理解和掌握相關(guān)知識(shí)存在一定難度，所以對(duì)本課程不感興趣。

（二）對(duì)課程認(rèn)識(shí)不足

食品物性學(xué)是一門(mén)發(fā)展較晚的學(xué)科，直到2001年才決定把其列入食品科學(xué)相關(guān)專(zhuān)業(yè)的主干課程，主要面向研究生開(kāi)設(shè)，對(duì)于本科生而言，大部分高校把其列為選修課。但是，當(dāng)前本科學(xué)生對(duì)這門(mén)課程存在認(rèn)知不高、定位不明確、重視度不夠等問(wèn)題，加上傳統(tǒng)的教學(xué)方法缺乏趣味，使得學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性不高。盡管許多校院的食品專(zhuān)業(yè)通過(guò)專(zhuān)業(yè)認(rèn)證，明確了食品物性學(xué)課程的培養(yǎng)目標(biāo)，但學(xué)生們不太關(guān)注課程目標(biāo)和畢業(yè)需要達(dá)到的能力要求，只關(guān)注于考試內(nèi)容和考核結(jié)果，造成自主學(xué)習(xí)意識(shí)差，無(wú)法深入理解課程的知識(shí)體系和重點(diǎn)內(nèi)容。

（三）死記硬背，不會(huì)靈活應(yīng)用

目前，大學(xué)生普遍存在的問(wèn)題是理論知識(shí)爛熟于胸，但是發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力偏弱，一旦有需要解決的問(wèn)題或科研任務(wù)不知該從何處下手。這主要是因?yàn)樵趯W(xué)習(xí)和記憶知識(shí)的過(guò)程中，學(xué)生單純靠死記硬背，未能將書(shū)本知識(shí)與實(shí)際相聯(lián)系，不但對(duì)知識(shí)記憶不深刻，而且難以靈活應(yīng)用。

三、食品物性學(xué)課程教學(xué)模式的改革與實(shí)踐

（一）把日常生活案例搬進(jìn)課堂，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

為了能讓學(xué)生對(duì)食品物性學(xué)課程有一個(gè)初步認(rèn)識(shí)，筆者在課程的開(kāi)篇案例中引入了“在淀粉中奔跑”視頻，講述了人在裝滿(mǎn)淀粉糊（淀粉與水的混合液體）的池子里，當(dāng)站在液體上面時(shí)，人就會(huì)陷入液體中，但是當(dāng)人快速奔跑時(shí)，腳與液面接觸處瞬間會(huì)變得如固體一樣堅(jiān)硬，支撐起人體的重量，當(dāng)腳步離開(kāi)時(shí)，接觸面又重新變回液體，從而輕松實(shí)現(xiàn)“水上漂”。這段視頻主要給同學(xué)們展現(xiàn)了神奇的非牛頓流體，利用這種非牛頓流體的特性可以制成柔性防彈衣，克服了傳統(tǒng)防彈衣堅(jiān)硬、沉重的缺點(diǎn)。

其實(shí)，這就是食品物性學(xué)中常見(jiàn)的剪切變稠現(xiàn)象，通過(guò)引入這個(gè)有意思的案例，可以很快地吸引學(xué)生的注意力。為了讓學(xué)生深刻理解并掌握這部分知識(shí)，教師還可以給學(xué)生布置課后作業(yè)，比如，要求每位學(xué)生都在家制作一種美食，品評(píng)后用語(yǔ)言描述其色、香、味、觸碰的感覺(jué)等特性，體驗(yàn)廚房中食品物性的變化，并且做成PPT在課堂上互相交流。在課堂上，同學(xué)們通過(guò)展示自己的作品，充分體會(huì)了食品物性學(xué)課程的專(zhuān)業(yè)性和實(shí)用性，學(xué)生參與度大大提高，課堂反響也很好。

（二）以生產(chǎn)實(shí)際需求為案例，開(kāi)拓學(xué)生的思維

眾所周知，利用食品的化學(xué)和力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行食品品質(zhì)測(cè)定費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且很難適應(yīng)當(dāng)前流水線(xiàn)高速作業(yè)的質(zhì)量管理模式，而利用食品色光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行測(cè)定，可以完成對(duì)食品成分的快速無(wú)損檢測(cè)，有利于實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)調(diào)控。那么這種快速檢測(cè)技術(shù)到底能給企業(yè)帶來(lái)哪些好處呢？

為了讓大家理解這一問(wèn)題，我們給同學(xué)們列舉了大家非常熟悉的一個(gè)產(chǎn)品——嬰幼兒配方乳粉的檢測(cè)。嬰幼兒配方乳粉的質(zhì)量和安全是全社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)，企業(yè)為嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)，投入了大量的財(cái)力和物力，產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)批批全項(xiàng)目檢驗(yàn)，目前的化學(xué)檢測(cè)法盡管結(jié)果準(zhǔn)確，但卻存在檢測(cè)步驟繁瑣、周期長(zhǎng)、成本高等問(wèn)題，而且這種事后檢測(cè)無(wú)法解決營(yíng)養(yǎng)成分含量波動(dòng)的問(wèn)題。那么能不能使用食品物性學(xué)課程中的快速檢測(cè)技術(shù)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題呢？答案是肯定的。根據(jù)雷霆等最新研究成果，基于近紅外光譜技術(shù)，運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變換預(yù)處理、蒙特卡洛交叉驗(yàn)證異常值剔除、隨機(jī)蛙跳和變量空間迭代收縮特征波長(zhǎng)提取、線(xiàn)性偏最小二乘回歸和非線(xiàn)性支持向量回歸預(yù)測(cè)等算法，建立了主要原料、配料液及成品粉的蛋白質(zhì)、脂肪、碳水化合物、水分等指標(biāo)的快速預(yù)測(cè)模型。該模型研究嬰幼兒配方乳粉主要原料營(yíng)養(yǎng)成分、價(jià)格、投入量與產(chǎn)品各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)（約束條件）的內(nèi)在關(guān)系，利用線(xiàn)性規(guī)劃算法建立成本優(yōu)化模型，確定成本最優(yōu)生產(chǎn)方案；通過(guò)模型預(yù)測(cè)控制算法和序列二次規(guī)劃算法，建立配料智能優(yōu)化控制模型，確定被控原料的最優(yōu)調(diào)整方案。通過(guò)預(yù)測(cè)、反饋和優(yōu)化控制模型，不僅可以使批次間的嬰幼兒配方乳粉主要營(yíng)養(yǎng)成分含量波動(dòng)更小，還可以降低生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的配料標(biāo)準(zhǔn)化、智能化控制。但是，目前在食品行業(yè)中生產(chǎn)過(guò)程智能制造技術(shù)的研究與應(yīng)用尚處于起步階段，配料的智能優(yōu)化控制則處于空白。

因此，食品物性學(xué)課程中的光譜檢測(cè)技術(shù)對(duì)于推動(dòng)食品行業(yè)及生產(chǎn)過(guò)程的精準(zhǔn)控制、降低生產(chǎn)成本具有重大意義。通過(guò)類(lèi)似的案例分析，可以使同學(xué)們對(duì)食品物性學(xué)的應(yīng)用產(chǎn)生全新的認(rèn)識(shí)。

（三）完善教案，注重學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)

本科生教育是培養(yǎng)做人的品格和修養(yǎng)的過(guò)程，應(yīng)當(dāng)注重學(xué)生心理、毅力、思維和能力的培養(yǎng)。針對(duì)食品物性學(xué)這門(mén)課程，筆者認(rèn)為要讓學(xué)生深刻理解其實(shí)際應(yīng)用原理和意義，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力、職業(yè)素養(yǎng)、環(huán)保意識(shí)等綜合能力。比如，引用《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）上發(fā)表的“‘愛(ài)心面條”案例，扁平面片水煮后，不僅會(huì)“比心”，還可以變成更復(fù)雜的管狀、螺旋狀、馬鞍狀、波浪狀等立體造型，通過(guò)面片的扁平化可以減少存儲(chǔ)和運(yùn)輸空間，降低運(yùn)輸成本，通過(guò)縮短烹飪時(shí)間，可以減少碳排放。這是食品物性學(xué)與材料科學(xué)、機(jī)械工程、數(shù)字制造和設(shè)計(jì)交叉融合的成果，為食物的可持續(xù)性發(fā)展提供了參考。同時(shí)，這項(xiàng)技術(shù)還可能會(huì)用在軟機(jī)器人和生物醫(yī)學(xué)設(shè)備中，教師可以用此案例引導(dǎo)同學(xué)們對(duì)食品物性的未來(lái)發(fā)展進(jìn)行深入思考。

此外，教師還可以通過(guò)加強(qiáng)食品物性學(xué)課程的實(shí)踐環(huán)節(jié)，提升學(xué)生的綜合能力。比如，可以將學(xué)生分成小組，由組長(zhǎng)帶領(lǐng)組員開(kāi)展“新產(chǎn)品創(chuàng)新創(chuàng)意研發(fā)”活動(dòng)，分工合作完成資料收集、PPT制作和匯報(bào)等工作，從而充分發(fā)揮學(xué)生們的主動(dòng)性和創(chuàng)造性，提高團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。教師還可以引入項(xiàng)目化的課程論文方式，讓學(xué)生們針對(duì)所學(xué)的知識(shí)，查閱參考文獻(xiàn)，分析實(shí)際生產(chǎn)中遇到的問(wèn)題，并提出解決方案，提高學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力。

綜上，案例引導(dǎo)式教學(xué)法是一種比較有效的教學(xué)方法，通過(guò)在食品物性學(xué)課程中引入富有針對(duì)性和啟發(fā)性的案例，可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，開(kāi)拓思維，培養(yǎng)綜合能力，提升學(xué)習(xí)效果。需要注意的是，教師在使用案例引導(dǎo)式教學(xué)法時(shí)，要重點(diǎn)關(guān)注問(wèn)題的選擇與分析，如果案例來(lái)源于實(shí)際需求，將有助于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情；問(wèn)題的分析也應(yīng)以學(xué)生為中心，讓學(xué)生通過(guò)分析問(wèn)題獲取知識(shí)、思維能力和成就感，從而激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)習(xí)的動(dòng)力。