開放性“食品生物化學”實驗的探索研究

李 倩，李會品，毛燁炫，馬陽陽，宋曉燕，孫靈霞

（河南農業大學食品科學技術學院，河南鄭州 450002）

食品生物化學是研究食品成分的組成、結構、性質、形成、食品貯藏和加工以及在人體內代謝過程中化學成分變化規律的一門綜合性學科，更是食品專業領域的帶頭學科。“食品生物化學”實驗作為“食品生物化學”教學的重要組成部分，將學科的理論知識與實踐操作相結合，對學生知識體系的構筑具有極其重要的意義。它不僅要求學生熟練掌握食品生物化學中相關反應的基本原理和實驗操作，熟悉實驗所需要使用的儀器和試劑，更要求學生具備相當的創新思維能力，進而發現實驗過程中出現的問題并能通過查閱文獻等提出解決辦法，最終達到提高學生綜合素質的目的[1]。在該課程開放式實驗的設置中，如何利用“有機化學”課程的基礎性實驗，又如何避免與后續“食品化學”課程的重復，將是課程組面臨的難點，就此問題做一初步探索。

1 課程實驗教學現狀

課程組于2018年起開始擔任河南農業大學食品科學技術學院的“食品生物化學”教學任務，實驗大綱幾經討論、修改、實踐，目前大綱為16 學時，共有9 個實驗項目，由3 個必做項目（淀粉的消化及還原糖含量的測定、蛋白質的鹽析和透析、植物組織中DNA 的提取） 和6 個選做項目（雞蛋中卵磷脂的提取和鑒定、SDS-PAGE 電泳測蛋白質分子量、底物濃度對酶促反應速率的影響、氨基酸的紙層析、油脂過氧化值的測定、PCR 擴增及DNA 電泳） 組成。在傳統課堂上，教師將實驗重點及需要注意的事項講授給學生，學生按照教材上的實驗路線按部就班地進行，如果對于實驗原理等并不能很好地掌握，也就難以達到培養學生綜合素質的目標。

那么，如何提高學生的實驗積極性，使學生真正地能以主人翁意識參與到實驗過程中，培養其主動性與獨立性？課程組設想在實驗教學中設置開放性探索實驗，在教師布置完實驗題目后，學生可通過獨立查閱文獻等提出解決問題的實驗方案，細化到每個實驗步驟；此外，由于各組學生的實驗方案不同，在實驗結束后，可讓學生對不同實驗的結果及難易程度進行對比，獲得最優實驗流程。開放性探索實驗更鼓勵學生通過文獻查閱、綜合分析、總結歸納等方式來對課堂知識與實踐操作相結合，要求學生有更多的自主學習能力和團隊合作意識，有利于學生綜合素質的培養[2]。

2 開放性實驗的特點

開放性實驗是一個以問題為導向的研究與實踐相結合的探索性項目，其目的在于激發學生的自主學習和創造性思維能力[3]。區別于傳統實驗有固定的實驗原理、實驗步驟等，實驗不再由教師給學生下達實驗流程，學生可根據實驗目的，在教師的指導下，自主設計實驗流程、細化實驗方案、分析實驗現象、記錄實驗結果等。

項目的選題要注意食品科學專業與實踐生產之間的聯系和銜接，要以課堂的理論知識作為基礎，區別于有機化學和食品化學的相關實驗，具有實驗的獨特性和不可取代性。同時，實驗難度也要適宜，不可過難，學生無法獨立操作；也不可過易，否則無法達到啟發學生思考的作用?？偟膩碚f，開放性實驗需具備綜合性、啟發性和原創性三大要素[4]。

3 開放性實驗在實驗教學中的具體實施

3.1 實驗內容選擇

課程的開設時間在大二上學期，此時學生已經學習了“有機化學”“無機化學”等基礎化學課程，具有一定的實驗基礎，能夠操作常見的化學實驗儀器，有能力開展一些簡單的相對開放的實驗。糖類又稱為碳水化合物，是自然界存在最為豐富的有機化合物，具有多種生理學作用，如為機體提供能量；作為其他生物大分子物質物質（如蛋白質、核酸、脂類等） 生物合成的重要原料；也可作為生物體的結構物質（如纖維素是植物莖稈等職稱組織的結構成分，幾丁質是蝦、蟹等動物硬殼組織的結構成分）；糖蛋白、糖脂等具有細胞識別、免疫活性等多種生理活性功能。近年來，由于糖所具備的這些生理功能，所以對糖類物質的研究也越來越受到重視。

因此，糖的測定作為一類經典的食品生物化學實驗，在實驗教學中開展較為廣泛。此外，該實驗涉及了理論教學中非常重要的酶解、氧化等多種反應類型，適合進行開放式教學，因此，課程組選擇大綱中的“淀粉的消化及還原糖含量的測定”這一實驗進行初步探索。

3.2 實驗課前準備

開放性探索實驗需要教師和學生多方面共同的合作才能完成。首先，課程組根據教學管理制度，對實驗實施中的各因素加以統籌。比如，由于學生獨立操作實驗，必須在課前進行安全教育以確保學生的人身安全。其次，教師在學習通提前布置實驗任務，通過建立QQ 群或者微信群等，完成學生的分組及組內任務分工。一組由3～4 人組成為宜。隨后，教師講解此次實驗的具體內容，講述實驗過程中一些化學反應，要求學生通過互聯網或者圖書館等方式查閱文獻，待問題明確后，各小組成員就可以開始設計具體的實驗流程，包括實驗的目的和原理、實驗所需材料和儀器、實驗步驟、結果的記錄與分析、實驗中的注意事項等。各小組將上述內容做成PPT 進行方案匯報，由教師和學生共同討論其可行性并進行優化后，便可進行下一步實驗。

3.3 實驗具體實施

在該實驗中，首先通過酶對淀粉進行水解。由于酶水解是溫和的、緩慢的，所以需要學生在固定的時間段進行取樣，再對樣品中所含的還原糖進行含量測定。通過學生的實驗方案匯報，確認了3 種還原糖的測定方法：第1 種方法：直接滴定法。其原理是在加熱條件下，以次甲基藍為指示劑，以被測樣品溶液直接滴定已標定過的費林試液，樣品中的還原糖與費林試劑中的酒石酸鉀鈉銅絡合物反應，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，生成可溶性化合物，到達終點時，稍過量的還原糖立即將次甲基藍還原，使藍色褪色，呈現出原樣品溶液的顏色，即為終點。根據樣品消耗體積，計算還原糖量。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，根據高錳酸鉀消耗量計算氧化亞銅含量，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，還原糖的量和棕紅色物質顏色的深淺程度呈一定比例關系，可以用分光光度計進行測定[5]。學生可按照既定的實驗步驟操作，記錄好實驗現象，完成實驗報告。

實驗課的目的在于提高學生的動手和解決問題能力，也在于培養學生的科研嚴謹性，教師需向學生傳輸堅決杜絕科研不端的理念。實驗本身就是對課堂知識進行實踐的過程，本來就是在實驗過程中尋找真理的方法，讓學生能夠充分發揮自身的能力，即使實驗不完美或者失敗，也要告誡學生堅決不能修改或杜撰實驗數據，必須讓其思考原因，并且最終找到解決問題的方案。

3.4 課后思考

實驗操作結束，并不代表實驗就完全結束，學生需要對實驗結果進行比對，對實驗過程中出現的問題進行討論，并且提出完善的方案。比如，3 種實驗，操作哪個更簡單？數據哪個更可靠？要注重學生各組之間實驗操作的規范性及實驗方案，尤其是細節之間的對比。

通過實驗，發現學生更傾向于使用比色法進行還原糖的測定。原因在于，前2 種方法所配試劑較為繁瑣，并且在滴定終點的確定上，人為因素干預較多，可能不同的學生所認定的滴定終點的顏色都有些許的差別，因此也就導致了結果的差異較大。而比色法的優點就在于借助紫外分光光度計，大大消除了人為因素的影響，結果較為準確。但其缺點就是需要繪制對照品的標準曲線，實驗時間相對長一些。總體來說，3 種方法各有利弊，在學生走上工作崗位之后，在實際工作中，可根據不同的實驗目的確定最為適宜的實驗方法。

除了對此次實驗的思考，還可與學生進行深度探討。酶解是把淀粉逐步水解的過程，和酸水解的區別之處在哪里？從而引入酶催化的特點，具有溫和的反應條件、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節和控制的，生物體可通過多種調節方式對酶的催化活性進行調節控制，從而使機體內極其復雜的物質代謝網絡能夠協調、正常地進行。

另外，適量食用含糖較高的物質（如淀粉、水果） 等可為人體提供能量和豐富的微量營養物質，有利于人體生理健康。然而，如果人體攝入過量，多余的糖類物質在體內堆積，不能及時代謝，可引發肥胖甚至糖尿病的產生。那么，糖類在機體內是如何代謝的？這就可與課程中的后續內容——物質代謝精準對接。將物質代謝有關理論知識與淀粉的水解案例相關聯，在具體實驗中分析問題，進而幫助學生熟悉糖代謝、脂類代謝及二者之間的關系，有利于學生綜合素質的發展與提高。

4 課程考核

考核不僅能夠鑒定課程組的教學效果是否達標，也是衡量教學質量和學習成果的重要方法。合理的實驗課程考核既包括課前的文獻查閱、實驗設計、PPT 講解，也包括實驗操作、報告和課后思考等。在該課程中，文獻查閱、PPT 講解、實驗報告和課后思考各占比15%，實驗設計和操作各占比20%。另外，課題組教師對課堂部分進行打分，學生對課前預習部分依據分工和貢獻度進行互評打分，最終得出課程的成績。

5 結語

課程組將開放式實驗引入“食品生物化學”的課堂當中，師生間進行不斷的溝通交流，學生各小組之間也進行不斷的協同合作，不僅大大改善了師生關系，讓教師更能夠理解學生的思維，做到與時俱進、因材施教，大大提升了教師的教學效果；并且能夠提升學生的學習能動性，讓其親身參與到教學過程中，學習熱情被激發，也就能夠更深刻地理解理論知識。實踐理論二者有機結合，相輔相成，最終達到熟練掌握知識點的目的。同時，匯報環節也相當于一個小的翻轉課堂，讓學生走上講臺，能夠培養其表達能力，促進了其綜合素質的發展。

但是，由于該實驗是開放性實驗的初次嘗試，在實驗過程上仍存在一些問題。比如，學生的差異性較大，尤其表現在其學習能動性和自我管理學習上，有些學生難以按時完成文獻查閱工作，在小組內的分工工作也不積極，這就對開放性實驗的教學效果有所影響。因此，教師在課前也不能完全放手，必須考慮如何對課前尤其是非課堂學習進行有效的監督和管理，或可以提問形式抽查各小組進展情況等。

綜上所述，將“食品生物化學”課程里及其重要的糖類物質的檢測開展開放性實驗，可以激發學生對“食品生物化學”的學習熱情與興趣，并深度挖掘其自主學習的潛能，對學生的綜合能力培養大有裨益。因此，課程組后續將開發更多的此類實驗，也期望通過以點帶面，對學院其余實驗課程提供參考，為更好地建設食品專業及工程認證奠定基礎。