以大型科研儀器為支撐的“食品物性學”課程教學體系的構建

李文浩，單媛媛，欒廣忠

(西北農林科技大學 食品科學與工程學院，陜西 楊凌，712100)

大型科研設備是用于科學研究的儀器設施、其精密度高、測試結果可靠、維護和使用成本高、貨幣價值也相對昂貴。不同時期研發和生產的科研儀器代表和決定著該階段最先進的科學研究水平和科技創新能力。大型科研儀器設備的功能首先體現在科學研究領域：大型儀器設備通常作為驗證科學家的科研思想，實現研究目的，產出科研成果的重要工具。除了作為科研工具，高水平的大型設備已被廣泛應用于醫療診斷及病情監測、食品安全檢驗控制、旅客危險品檢測、氣象監測、大氣污染監測、土壤監測等諸多領域。同時，大型設備已悄然進入各種各樣的工廠企業，在企業生產、倉儲、流通及銷售的各個環節，大大節約了生產成本。這些富含高科技元素的設備也出現在人們日常生活的方方面面，在保障人民群眾高效率和高質量的生活方面扮演了重要角色。近年來，我國高校教育水平和科研水平不斷提高，高端大型設備在教學和科研水平中的支撐作用也日漸凸顯，高效率、高水平地發揮大型設備在教學和科研中的作用對于培養食品專業學生的專業技能、專業素養和創新實踐能力具有重要意義。“食品物性學”是食品科學與工程和食品質量與安全專業的重要課程，是一門揭示食品及其加工原料，以及食品加工過程中物料物理屬性變化的學科[1-2]，其知識涵蓋范圍較廣，包括食品的力學、光學、熱學、電學，而對于食品物理參數的獲取需要依靠相應科研設備，因此所涉及的大型科研設備種類也較多。所以，本門課程在強化相關大型科研設備的基本理論教學基礎上，加強在食品和相關科研及生產領域的實際訓練，具有獨特的理論和實踐優勢。

1 “食品物性學”的課程內容和特點

食品作為人類營養物質與功能性成分的載體，具備天然和特定的尺寸、外形、色澤、口感以及咀嚼性等物理特性，而這些物理特征往往是消費者選擇食品的直接依據。食品物性學正是以研究食品及其加工原材料本身，以及食品加工過程中物料物理性質的學科。充分了解和掌握食品物性學相關知識對于揭示食品本身，以及加工、烹飪有關的物理特性，建立食品品質客觀評價分析方法，闡明食品品質變化的分子變化機理，為改善食品風味提供理論依據方面具有重要的意義[1]。教育部高等學校食品科學與工程專業教學指導委員會明確將“食品物性學”課程確定為食品科學與工程專業的必修課程，也是食品質量與安全專業重要的主干課程。同時，也有較多學校將該課程列入食品專業研究生培養方案和培養目錄中作為學位課或專業選修課。

食品物性學主要研究內容是食品、食品原料，以及食品物料在加工貯藏過程中所涉及的力、光、熱、電等基本理論和相應的研究方法。從知識構成體系上來看，食品物性學屬于物理學的研究范疇，而與基礎物理學的區別之處在于研究對象的特殊性。食品及其原料作為一類特定的物體，具有來源的廣泛性、形態的多樣性、成分的復雜性和易變性等特殊之處，應用經典物理學理論和研究手段來揭示食品物理性質顯得十分局限和不足，需要建立針對食品這一研究對象的理論知識體系以及研究手段。食品物性學知識體系的構建最早始于1929年建立的流變學學科，發展至今基本形成了屬于自身的完整知識結構。課程以“普通物理學”、“高分子物理學”、“食品工程原理”、“物理化學”、“食品化學”等課程相關知識為支撐，涉及知識面較廣，其知識體系還在進一步完善中。我國最早從1988年開始，在中國農業大學開設“食品物性學”課程，并于1998年出版第一部“食品物性學”教材[1]。經過多年發展，開設該課程的院校逐年增加，教材也有多個版本不斷更新，已取得了一定的階段性成果。但國內現有“食品物性學”教材中不少知識點還是直接借鑒和運用“高分子物理學”和“食品工程原理”等經典課程的內容和原理，面對日益復雜多樣的食品體系，進一步提升完善的空間還很大。

2 “食品物性學”教學中應用大型科研設備的必要性和重要性

為了清晰、明確和深入地揭示食品力學、光學、熱學、電學等物理屬性，需要扎實的基礎理論知識作為支撐，同時需要憑借特定的科研儀器定量測定獲得數據信息，并將二者結合進行分析和闡釋，從而為科學研究、工藝改進、食品加工生產等提供依據。因此，“食品物性學”的教學設置也很自然的分為理論教學和實驗教學兩部分。具體教學過程中，實驗內容的設置應嚴格地與理論教學內容相對應。完整的“食品物性學”實驗教學內容應該包括：食品尺寸，食品色澤，食品硬度；食品流變學分析包括液態食品黏度、固態或半固態食品黏彈性、食品質構特性分析；食品熱學特性分析；食品的光譜學分析；食品電物性以及食品加工中電物性的應用等[1,3]。

液態食品的核心力學參數“黏度“的分析可采用的大型科研設備有流變儀、黏度計、快速黏度分析儀等；顆粒狀食品尺寸的分析需要激光粒度分析儀；食品色澤的分析需要色彩色差計或比色計等；食品硬度分析需要質構儀或食品硬度計；固態或半固態食品物性學參數分析需要流變儀、粉質儀、拉伸儀、吹泡儀等；食品熱學特性分析可用差示掃描量熱儀或熱重分析儀等；食品的光譜學分析可采用近紅外分析儀和拉曼光譜儀等；在電物性學教學中可以結合電磁波、靜電場、電滲透、微波、遠紅外、電脈沖和電阻抗等現代食品加工或保鮮手段技術或設備進行演示。

可以看出，食品物性學教學相關的大型設備代表和體現了食品物理性能分析方面的最新手段或食品加工高新技術。顯然，種類如此繁多的儀器設施不可能在有限的實驗教學課堂上一一展示或學習，需要結合各高校實際情況進行設置。另外，很多時候教材中也沒有對以上設備一一列出，需要在理論課堂教學中加以必要的穿插講解，幫助學生更加深入的學習和了解食品物性學知識在食品科研和生產領域的重要性和具體應用案例。

3 以大型科研儀器為支撐的“食品物性學”教學體系的構建途徑

3.1 建設“食品物性學”大型設備教學平臺

實驗教學是高校教學的重要組成部分，也是培養“厚基礎、強能力、寬適應”的創新型和創業型高素質人才的重要手段。而齊全充足的科研儀器是有效開展實驗教學的重要基礎條件。近年來，國家加大了對高等教育在經費和政策層面上的支持和投入力度，尤其是在“雙一流”高校建設、“以本為本”、“四個回歸”等政策的實施和引導下，高校大型儀器設備的種類、數量和規模有了跨越式和持續性的發展和增長。

同時，國家也多次出臺政策鼓勵和要求各級各類高校以及科研院所建立科研儀器共享平臺。2014年，國務院頒布了國發[2014]70號文《關于國家重大科研基礎設施和大型科研儀器向社會開放的意見》，要求全國范圍內高校和科研機構加強國家重大科研基礎設施和大型科研儀器的專業化服務能力，加快推進科研設施與儀器向社會開放，進一步提高科技資源利用效率。國發〔2017〕37號文《關于強化實施創新驅動發展戰略進一步推進大眾創業萬眾創新深入發展的意見》，再次要求“推動財政資金購置的儀器設備向社會開放”。各管理機構、高校和科研院所也相應建立了大型設備共享平臺、共享機制及考核績效機制，從政策層面確保了大型設備共享的順利推進和實施。這些政策和資源，對于構建大型科研儀器為支撐和補充的教學體系帶來了前所未有的機遇。

開設“食品物性學”課程的高校要及時抓緊抓牢政策機遇，配備基本教學儀器，建立實驗平臺。同時，應積極主動利用各級、各類科研共享平臺，整合利用好校級、院級科研平臺，貫通各個學院之間與“食品物性學”教學緊密相關的科研儀器設備的調配使用，協調好大型設備在科研和教學方面的關系及使用時間上的沖突，深入共享，以提升儀器利用與人才培養的效率。

3.2 建立科研儀器基礎理論與專業知識緊密結合的理論教學體系

進一步豐富理論教學內容，將必要的大型儀器使用原理、儀器的部件組成及其在科研和生產中的應用在課堂進行延伸講解。“食品物性學”課程理論性較強，對知識點的描述較為抽象，學生不易理解，甚至部分學生會覺得空洞乏味，產生厭學心理，因此也長期被學生認為是食品專業中學習難度大、不易理解和掌握的課程之一[4]。在理論教學中適時將所講授的理論知識所對應的大型科研設備列出，對其結構組成、使用原理以及在食品領域中的實際用途進行拓展性講解，這樣可以將本來較為抽象的知識變得更加生動具體，即擴展了知識和視野，又能提高學生的興趣和積極性。

3.3 優化組合，以小組模式提高實驗效率

由于大型實驗儀器資源的有限性、設備本身的精密性和易損性、測試特定物性參數的時效性，因此，確保在有限的課堂時間里讓每一位學生都親手操作大型儀器是一項具有一定挑戰性的工作。為了達到最佳的教學效果和學習效果，可以將學生分為3～5人的小組輪流進行操作。一組進行操作的同時，其他小組可以進行樣品處理、數據處理等方面的工作。甚至可以在同一堂課上安排不同種類的大型設備，不同小組同學進行輪流操作，充分利用課堂時間。當然，這樣的教學模式需要增加教師數量，加大工作時間的投入。

3.4 加強高水平“食品物性學”實驗教師隊伍建設

教師是知識的傳播者，也是知識的創造者，教師業務素質和能力的高低對人才培養效果有決定性的作用，所以需要建立強有力的“食品物性學”教學團隊。實驗教學與理論教學有所不同，“食品物性學”理論課程的教學需要授課教師在所授課程及其交叉基礎課程(包括“高分子物理學”、“物理化學”、“食品工程原理”、“食品化學”等)領域積累牢固的專業知識，再采用清晰的表達方式和恰當的教學方式向學生講授。而實驗授課除具備理論授課的基本能力和技巧以外，還需要熟悉實驗儀器的組成、原理、使用、維護和實驗結果的預判能力[5]。對實驗儀器的組成和維護不一定是理論課程教師所擅長的領域，需要工程師、儀器管理老師和實驗師等教輔人員的配合。因此，需要建立以教師、工程師和實驗員共同參與和緊密合作的實驗教學團隊。

圖1 以大型科研儀器為支撐的“食品物性學” 教學體系的構建途徑Fig.1 Construction pathway of teaching system of “Physical Properties of Foods” based on scientific research instruments

4 本項目取得的階段性教學效果

4.1 學生學習興趣進一步提高，學習目標進一步明確

西北農林科技大學一直將“食品物性學”列為食品科學與工程專業和食品質量安全專業選修課，但由于課程理論性強、知識點抽象、各章節知識點相對獨立等特點，導致多年來學生選課率較低、課堂參與度低。通過以上教學改革措施的推行，選課率目前已連續3學年獲得15%左右的提升(圖2)，學生學習興趣大增，課堂上師生互動頻繁、課后與老師溝通交流明顯增多，確保了學生專業知識的系統性。

圖2 食品科學與工程專業和食品質量與安全專業 近3年“食品物性學”選課率Fig.2 Course selection rate of “Physical Properties of Foods” in the majors of Food Science and Technology and Food Quality and safety

4.2 學生專業知識體系更加完備

“食品物性學”在整個食品學科和專業人才培養體系處于重要的橋梁地位，對“食品工程學”和“食品化學”相關知識體系的融合交叉起到了很好的紐帶作用，“食品工藝學”亦屬于“動態食品化學”，可見該課程在人才培養體系中的重要性。目前，通過課程組教師持續不斷的改進和提升，已構建了完善的以大型科研儀器為支撐的知識結構體系和知識傳播途徑，進而幫助學生形成完備的食品學科知識體系。

4.3 學生科研能力得到有效提升

研究型大學對學生創新思維和創新能力的培養有較高的要求，以培養高層次創新型精英人才為目標。食品專業屬于自然科學領域的學科，學科知識體系的更新升級乃至食品工業的發展離不開科學研究和生產實踐的不斷積累。在對知識探索更新的過程中，離不開科研儀器的輔助，通過本門課程大量科研儀器設備相關原理、功能及操作方面系統的學習和親身體驗，使學生在本科學習階段得到了有效的科研實踐訓練，為學生進一步深造和未來的研究工作奠定了堅實的基礎。

5 構建以大型儀器為支撐的“食品物性學”教學體系中存在的問題

5.1 課時數量不足

”食品物性學“作為食品科學與工程專業的重要學科基礎課，各高校課時數普遍為32左右，其中實驗課時數不足10學時。建設以大型儀器設備為基礎的教學體系需要在課堂上講解儀器的組成、原理、使用范圍和維護等方面的知識，最后還需要進行實際操作，而且一些貴重儀器具有嚴格的操作規范，初次操作需要老師進行逐步演示并留心觀察。所以相對較少的課時對于建立涉及眾多大型儀器的授課體系非常不利。需要積極爭取調整專業培養方案，并進一步優化課程教學大綱來達到與課程改革目標相適應的課時數量和教學內容。

5.2 部分學校“食品物性學”未被列為必修課

雖然教育部教學指導委員會將“食品物性學”列為食品科學與工程專業的必修課，但是在學分制的大背景下，一些學校將其列為選修課，導致未選該課程的學生缺乏必要的食品專業基礎知識，難以達到最佳的人才培養效果。需要進一步加強對學生的鼓勵和引導，并認真落實本項目的相關改革措施、提高教學效果、提升學習興趣，增強學生選課的內在積極性。

5.3 大型設備資源的有限性與學生數量眾多的矛盾

在有限的時間里如何高效地讓每一位學生都有操作大型設備的機會，是學生理論與實踐相結合，提升科研實踐素養，增強創新能力的根本保障。這一矛盾的解決需要時間、教師數量以及教師精力投入等多方面的保障。