食品分析綜合實驗頂石課程建設

孟利，雷虹，李夢洋，李沖偉

黑龍江大學生命科學學院（哈爾濱 150080）

自2016年我國成為華盛頓協議會員國以來，工程教育專業認證便正式與國際接軌。工程教育專業認證以學生為中心、成果導向和持續改進的思想為指導，為實現專業的培養目標，其畢業要求12條標準覆蓋研究、分析、設計、解決復雜工程問題的能力培養，強調數學、自然科學、工程基礎、專業知識及現代工具的綜合運用[1]。要求解決方案考慮到工程與社會、環境和可持續發展，符合職業規范，培養的人具有良好的團隊精神和溝通能力。如何將社會對專業人才的需求分解成可培養、可實現、可衡量的畢業要求，將高度發展的數學、物理、化學、生物學等自然科學知識應用于解決本領域復雜工程問題，推動專業科學發展和進步。以產出為核心，以培養目標、畢業要求、課程目標和課程教學為關鍵要素是認證工作的“主線”，建立面向產出的評價和持續改進機制是認證工作的“底線”[2]。

如何將分科學習的工程基礎課、專業基礎課、專業課的碎片化知識，整合運用到領域內的復雜工程問題，是以學生為中心的重要體現和學生實踐能力和職業能力培養的關鍵一環，也是建立面向產出的評價與持續改進機制關鍵[3]。頂石課程是近年來國內外高校本科教育改革重要轉變之一，其主要目的和核心內容主要集中在整合專業知識課程，學生通過課程對以往知識點進行整合、反思，起到理論學習與實際應用之間過渡和連接的作用，同時學生在解決復雜的工程問題中，培養學生良好的團隊精神和溝通能力[4]。基于此，以食品分析綜合實驗為例，從課程內涵、課程內容、教學方式改革、學生過程管理與評價和課程目標達成度評價5個方面介紹其探索與實踐情況，同時對頂石課程實施過程中存在的問題進行展望，以期為我國高校工程專業頂石課程的建設提供參考。

1 課程內涵

根據成果導向教育（outcomes-based education，OBE）教育理念，反向設計食品分析綜合實驗課程目標[5]。根據黑龍江大學學生培養定位和專業的優勢和特色，確立黑龍江大學食品科學與工程專業的培養目標是服務面向解決發酵食品及功能健康食品生產、研發領域復雜工程問題人才培養。

食品分析行業需要所培養的人才能系統地掌握食品分析方法、食品分析方法的建立理念，解決食品領域分析問題的思維方式，有能力運用數學、物理、化學、生物學和現代技術手段，將食品分析的社會需求轉化為可重復、可測量的化學、物理、生物領域的數據，并能夠正確收集、處理和解釋數據，解決食品分析領域的復雜工程問題，并能夠在此基礎上改革、創新，將上述學科的發展應用到食品領域，推動食品領域的創新和發展。食品分析綜合實驗是學生運用所學習的數學、化學、物理學、生物學知識，解決食品行業的分析檢測問題，是整合上述知識碎片，融會貫通，解決食品行業問題重要的能力轉化課程。

基于人才培養需求，所設置課程應具有高階性，對應工程認證中畢業要求中使用現代工具：能夠針對復雜工程問題，開發、選擇與使用恰當的技術、資源、現代工程工具和信息技術工具，包括對復雜工程問題的預測與模擬，并能夠理解其局限性；研究：能夠基于科學原理并采用科學方法對復雜工程問題進行研究，包括設計實驗，分析與解釋數據，并通過信息綜合得到合理有效的結論；溝通：能夠就復雜工程問題與業界同行及社會公眾進行有效溝通和交流，包括撰寫報告和設計文稿、陳述發言、清晰表達或回應指令，并具備一定的國際視野，能夠在跨文化背景下進行溝通和交流；個人和團隊：能夠在多學科背景下的團隊中承擔個體、團隊成員以及負責人的角色。

根據畢業要求，設置食品分析綜合實驗課，實驗項目14個，44學時，對應理論課食品分析48學時。該課程的前期課程基礎包括：食品分析課程的化學基礎課，如無機及分析化學、有機化學等，為學生提供化學反應基本原理知識及基本操作；數學基礎課，如高等數學、線型代數、生物統計學等，提供學生解決復雜工程問題時所需要的數學知識；物理基礎課，如大學物理、物理化學，為學生提供物性檢測技術及光學檢測技術基本知識；食品科學基礎課，如食品化學、食品加工工藝學、生物化學、食品營養學、微生物學，為學生提供食品分析方面復雜工程問題的專業基礎知識。食品分析課程為畢業論文、生產實習積累獨立開展實驗的實踐能力和識別和解決復雜工程問題的能力。

食品分析綜合實驗及其理論課設置其課程目標，以完成畢業要求的能力培養，其課程目標設置與畢業要求之間的對應關系如圖1所示。課程目標1，恰當使用化學分析、儀器分析、物性分析工具和手段，獲得數據并得出結論的能力；課程目標2，通過實驗加強數據記錄、計算、歸納、總結，規范撰寫實驗報告；課程目標3，設計實驗，評價方法及比較不同方法的能力；課程目標4，能在團隊中扮演個體、團隊成員及負責人的角色。

圖1 食品分析綜合實驗課程目標與畢業要求對應關系

2 課程內容

頂石課程是通過知識體系重構來培養學生的跨學科跨專業的綜合能力，食品科學與工程專業頂石課程分析、研判專業知識體系特點和所解決的社會需求[6]。根據食品分析綜合實驗的畢業要求和課程目標，設置食品分析綜合實驗內容，其內容隨著社會需求的更新而持續改進。其課程內容設置具有如下特點。

2.1 針對社會科技發展和需求，食品實驗項目持續改進

課程針對食品科學與工程專業學生大三學生特點，系統訓練學生駕馭分析技術的能力，包含滴定法、紫外-可見分光光度法、原子吸收分光光度法、熒光分光光度法、高效液相色譜法、流變儀、感官分析法等技術手段，逐步淘汰2009年左右新興食品分析技術項目，如農藥殘留快速檢測、食品摻假實驗、糧食中基本營養成分的紅外光譜分析等專業性不高的實驗項目。2015版培養方案確定14個實驗項目。2020年，使用超高效液相色譜測定食品中的呋喃丹，替代原有高效液相色譜法測定食品中的有機酸。

2.2 針對學生食品分析能力發展需求更新的實驗項目

針對培養目標，食品分析實驗任務之一是鍛煉學生獨立開展實驗時的規范性、分析方法基本數據的獲得及評價，因此，實驗設置方法相對簡單、學生比較熟悉的苯酚硫酸法測定糖含量的方法，設置回收率實驗，通過試驗學生學習到試驗方法評價的基本流程和設計方法。同時設置氨基酸分析的2種方法的精密度及顯著性比較，學生學習不同方法比較的試驗設計方法。

2.3 改進后的課程體系

學生將無機及分析化學、有機化學、生物統計學、生物化學、食品加工工藝學、食品化學、食品營養學課程上學習的知識應用于解決食品分析問題上，每個實驗項目對應訓練相應的課程目標，具體包含的實驗項目如表1所示，課程完成后，根據其對應的課程目標設計的實驗觀測點給出成績，根據實驗項目最終成績得到相應課程目標的達成度評價。

表1 食品分析綜合實驗課程內容設計

食品分析綜合實驗設置項目包括水分、蛋白、脂肪、礦物質、糖類、氨基酸、維生素、色素、農藥殘留、食品流變學特性、感官評價等，內容涵蓋基本成分分析、組分分析、農藥殘留、食品添加劑及物性性質分析。從技術手段上，包含滴定法、紫外-可見分光光度法、原子吸收分光光度法、熒光分光光度法、超高效液相色譜法、流變儀、感官分析法等。從數據分析上，包括精密度、回收率、方法差異比較、方差分析等。

3 教學方式改革

課程的首要任務是學生能夠通過課程的學習和實踐，融會貫通前期數學、化學、生物等工程基礎課，用于食品分析應用實踐上。現有食品分析手段的傳承，是食品分析課程學習的第一步，而食品分析思維方式的形成，現有分析手段的批判，新分析手段的吸收、學習、拓展與開發，是食品分析人才在未來職業發展潛力的重要衡量指標，是課程培養能力的重點和難點。在食品分析項目的情景下，采取問題式教學，促進學生整合、反思原有知識，將所學理論知識用于解決食品分析問題上，實現實驗結果的反思，新方法的評價實驗設計，數據分析等。學生食品分析能力得到深化和拓展[7]。

3.1 基于項目的學習方式

課程根據食品分析任務對專業要求內涵與復雜性，將食品分析涉及的項目歸納總結并挑選具有代表性的檢測項目，兼顧技術手段使用上的系統性，設置5個食品分析職場情景的教學環境，包括原料質量控制、實驗方法建立與評價、營養成分分析及分析儀器使用、食品添加劑的檢測、食品物性分析，共14個實驗，覆蓋現有食品分析技術手段、檢測項目，滿足相關企事業單位對食品分析人才需求。所培養學生在相關單位評價為上手快、基本理論知識扎實，可以應對行業發展需求。

3.2 基于問題的教學模式

面對食品分析任務，根據食品分析檢測任務，提出食品分析項檢測目的是什么，被分析對象有什么樣特點，與所在環境中的干擾物質有哪些，哪些特征可將被分析對象與所在的環境中的干擾物質中區分開來，這些特征由什么樣的儀器測定出來，如何量化等一系列問題的設定和解決。培養學生的探索能力和拓展能力，且具備將這些能力內化，應用于新方法的建立和評價當中，提高學生綜合運用專業技術知識解決復雜問題的能力[8]。

3.3 體驗及團隊協作式教學模式

項目中每一個實驗都為綜合性實驗，將實驗分為2人1組，分工合作，合理統籌，另外在項目的14個實驗中，將不同組的同學劃分為兩大組，分成樣品呈遞組和品嘗組2個團隊，并且角色互換。在呈遞組中進行樣品、編號、分工、呈送工作，品評組同學根據品評表打分，一輪之后，2組角色互換。學生在此過程中扮演不同角色，可以自己對自己所扮演的角色、職責和團隊中的作用進行描述，同時對整體團隊的運行進行描述。學會換位思考，確立好自身的作用和位置。在實驗實施過程中，交流，討論，配合。

在實驗內容上，學生體驗學生根據食品感官特點，確定食品感官評定的指標和權重，數據收集，數據分析、處理和得出結論的全過程。同時采用虛擬仿真實驗對電子鼻、電子舌、質構儀等一起進行模擬仿真操作，體會電子鼻、電子舌、感官評定之間的關系、優缺點及局限性。

4 學習過程管理與評價

對學生實驗實施評價采用過程化管理。所有實驗的準備經過精心策劃，為學生準備精準的試驗用具，規范的試驗指導，讓學生能夠通過預習和老師的講解，獨立自主地完成試驗操作。學生在操作過程中，可以逐一體驗老師設置的關鍵點。另外，2位指導教師控制關鍵操作點的關鍵操作安全與規范。對學生的評價進行細致分解，預習報告20分（預習報告的撰寫，上交是否及時10分，提問10分），實驗操作包括桌面的有序性，操作的規范性、數據記錄是否清晰、完整，實驗規劃的合理性及桌面衛生等。

實驗報告成績總分為30分（對應課程目標），是一個數據是否處理得當（10分），實驗現象是否記錄清楚（10分）、對實驗結果的評價與反思（10分）的評分體系。通過對學生實驗過程的關鍵點控制，包括：當堂預習報告的上交，批改發回，講解中的提問、實驗過程的關鍵環節指導，下課前對記錄的數據進行批閱、審核，實驗報告的批改、反饋等。這些對學生上課狀態進行了妥善管理和保障，給予學生獨立開展實驗的空間，收到良好的效果，通過評價、反饋，學生逐漸養成獨立、有序開展實驗的能力。

在體驗及團隊教學環節中，根據學生任務完成情況，對學生的表現進行打分。包括查閱資料的渠道及權威性（10分），方法的比較和選擇（10分），實驗方法的確立（10分），實驗步驟是否可行及內容是否完整（10分），實驗實施是否清晰（10分），數據是否完整，數據質量及數據處理是否規范（30分），對整個實驗的反思和改進（10分）。

5 教學反思和持續改進

設計問卷，調查教學過程中學生的學習體驗、意見和建議。另外根據相應的實驗設置與課程目標之間的關系，設計考核環節，計算課程目標的達成度，并對其達成情況進行反思，將改進方法交予專業教學指導小組。教師及專業教學指導小組對實驗內容和課程目標達成情況進行充分的評估，并探討改進方式和方法，制定改進措施和方案。

6 結語

學生通過食品分析綜合實驗的5個項目，綜合訓練了各類檢測方式、設備的實際操作，對每種方法的原理及局限性進行了反思，鍛煉了知識整合和應用的能力，形成了食品分析問題的解決思維邏輯，體驗了團隊配合模式，綜合提高了學生解決食品分析領域的能力。此次教學改革達到頂石課程“以學生為主體，以教師為主導，充分發揮學生的主動性”的教學理念，體現食品分析技術發展的需求，收到良好的教學效果。