“食品化學”課程建設(shè)中項目式學習模式的探索

梁文娟，劉良燕

（1. 云南農(nóng)業(yè)大學食品科學技術(shù)學院，云南昆明 650201；2. 云南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學與生物技術(shù)學院，云南昆明 650201）

“食品化學”作為一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，國內(nèi)現(xiàn)有的教學方法主要的優(yōu)點和特色是強調(diào)食品化學的理論，尚缺少強調(diào)其工程應用的課程建設(shè)來滿足工程教育認證的需求，這就催生了“食品化學”課程教學方法的改革訴求[1]。在工程教育專業(yè)認證背景下，提高學生運用食品化學理論指導學生在實際工作和生產(chǎn)中解決問題的能力，是“食品化學”課程的關(guān)鍵核心點所在。“食品化學”課程建設(shè)中如何實現(xiàn)以工程素養(yǎng)培養(yǎng)為導向的課程建設(shè)是教學改革要解決的重要問題。工程素養(yǎng)是將科學和數(shù)學的知識原理在實踐中運用的能力，是一種綜合性、系統(tǒng)性、指向知識運用及問題解決的能力。如何把“食品化學”課程基礎(chǔ)知識的學習和掌握與工程素養(yǎng)的建立和拓展掛鉤是該課程建設(shè)的核心訴求。項目式學習是學生綜合運用多學科學習成就進行自主學習的一種綜合性、活動性的教育實踐形態(tài)，通過項目式將學生學習置于解決問題的真實情境中，靈活應用知識，發(fā)展高層次思維能力，成為自主的學習者和有效的合作者[2-3]。同時，在知識點上區(qū)分為工程實踐和科學實踐，通過科學實踐回答“是什么”“為什么”的問題；通過工程實踐回答“怎么辦”的問題。作為專業(yè)基礎(chǔ)課程，在“食品化學”課程建設(shè)改革中引入項目式學習方式，同時把食品化學基礎(chǔ)知識根據(jù)科學教育理念的維度進行提煉，以解決真實問題為目標，強調(diào)將科學與工程教育歸還到真實情境中去，對食品科學與工程、食品質(zhì)量與安全專業(yè)的工程素養(yǎng)培養(yǎng)具有現(xiàn)實意義。

1 “食品化學”課程建設(shè)中引入項目式學習的可行性

從內(nèi)容上，“食品化學”課程主要研究基于營養(yǎng)素分類方式下的水分、糖類、蛋白質(zhì)、脂肪、維生素和礦物質(zhì)等在食品生產(chǎn)、貯存、運輸加工過程中的品質(zhì)控制和變化的科學，其中涉及的專業(yè)基礎(chǔ)知識為后續(xù)課程的學習建立了知識結(jié)構(gòu)。不同于自然科學研究對象相對獨立，食品作為一個統(tǒng)一的整體，具有不同的結(jié)構(gòu)特點和生源特性的營養(yǎng)素在參與食品品質(zhì)構(gòu)成的過程中相互作用，要認識清楚這些變化及其機理，進而運用這些變化須認識清楚食品中的物質(zhì)本質(zhì)，這就需要把“食品化學”的知識架構(gòu)置身于自然科學學習的基礎(chǔ)上，國際上基于科學教育理念（The next generation science standards）NGSS 認識把科學學科劃分為3 個維度：科學工程實踐、科學核心知識和跨學科概念[3-4]。以上3 個維度的劃分解決食品科學中普遍存在的知識點瑣碎、邏輯不連貫、課程廣而不深的問題。根據(jù)以上3 個維度進行提煉，針對食品科學的特點圍繞“結(jié)構(gòu)與功能”“穩(wěn)定與變化”這2 個跨學科概念進行知識梳理[4]。在“食品化學”課程教學中首次把食品通常以營養(yǎng)素為研究對象分類的方式與自然科學領(lǐng)域根據(jù)物質(zhì)生源合成途徑不同進行分類方式相互結(jié)合，為學生在跨學科知識學習上掃清一些障礙。方法上，“食品化學”課程教學中引入項目式學習方式，通過課程導入激發(fā)學生學習興趣，通過學習過程中的調(diào)研、討論和探究，把不同項目結(jié)果串聯(lián)起來形成一個閉環(huán)，加深對知識點的理解和融會貫通，認識到知識進步過程的連續(xù)性和進階性，培養(yǎng)思辨精神。

2 “食品化學”課程建設(shè)過程中引入項目式學習的基本路徑

“食品化學”知識與項目式學習流程見圖1。

圖1 “食品化學”知識與項目式學習流程

“食品化學”主要研究基于營養(yǎng)素分類方式下的水分、糖及其衍生物、蛋白質(zhì)、脂肪、維生素和礦物質(zhì)等在食品生產(chǎn)、貯存、運輸加工過程中的品質(zhì)控制和變化的科學。食品作為一個統(tǒng)一的整體，具有不同的結(jié)構(gòu)特點和生源特性的物質(zhì)在食品加工過程中相互作用，其中的變化及其機理與食品中的具體物質(zhì)本質(zhì)息息相關(guān)。因此，“食品化學”中知識的學習從情境與問題出發(fā)，探究問題的解決方式，最終進行成果的分享與評價。通過小組合作的形式，以學習者為中心真實地進行體驗，最終實現(xiàn)知識的建構(gòu)。

3 “食品化學”課程建設(shè)過程中引入項目式學習的具體措施

3.1 課程基本流程

通過項目式學習帶領(lǐng)學生通過觀察食品原料和食品加工中的現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)問題，運用食品化學相關(guān)的思維方式進行解決方案探討，最終以小組合作的形式產(chǎn)出設(shè)計結(jié)果。現(xiàn)將介紹課程設(shè)置的主題及研究的對象，同時提出基本的工藝流程和實驗設(shè)計方案。

例如，解決一個食品加工中的問題——如何利用糖賦予食品香味？

糖類物質(zhì)在自然科學領(lǐng)域的應用十分廣泛，隨著基礎(chǔ)研究的深入，對此類物質(zhì)本質(zhì)的認識不斷刷新。從簡單意義上的“碳水化合物”到一系列復雜糖基化合物的發(fā)現(xiàn)和應用，體現(xiàn)人類對自然界物質(zhì)世界認識的進階。

如何利用糖賦予食品香味課程基本流程見圖2。

圖2 如何利用糖賦予食品香味課程基本流程

3.2 項目式學習環(huán)節(jié)的設(shè)置

此方向的設(shè)置目標主要有對糖的基本組成結(jié)構(gòu)進行學習；對糖的分類方式進行學習；對糖的檢測分析方法進行學習；認識單糖、低聚糖、多糖和糖苷類物質(zhì)之間的相互關(guān)系，建立結(jié)構(gòu)與功能相互聯(lián)系的思維方式。認識香味物質(zhì)的物質(zhì)組成、特點、獲取方式及其在食品加工中的難點。從結(jié)構(gòu)層面理解糖類包埋香氣成分的可行性，認識糖與功能活性物質(zhì)之間的關(guān)系；對寡糖結(jié)構(gòu)認識的基礎(chǔ)上，借助環(huán)糊精的包埋實驗，能夠通過設(shè)定工藝流程，利用糖賦予食品香味，實現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計。課程項目式學習整體流程包含“學習引入”“實踐探究”“成果展示”“評價總結(jié)”4 個板塊。

項目式學習環(huán)節(jié)的設(shè)置見表1。

表1 項目式學習環(huán)節(jié)的設(shè)置

3.3 課程形式

在課程形式方面，主要以大課講解、小組文獻調(diào)研和匯報、實驗操作（如驗證性實驗、探索性實驗、綜合性實驗）、成果展示（如實驗報告、產(chǎn)品展示） 為主。

在大課講解之前，安排2 次小組文獻調(diào)研匯報：

（1） 結(jié)合生活知識，你認為什么是糖？

（2） 結(jié)合生活知識，糖的應用有哪些？

隨后進入大課講解，系統(tǒng)梳理糖及其苷類物質(zhì)的定義和分類，結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系。

一共安排4 次課程實驗，分別是葡萄糖的變旋現(xiàn)象（驗證性實驗）、環(huán)糊精結(jié)構(gòu)的模擬（探索性實驗）、薄荷精油的制備（探索性實驗）、環(huán)糊精微膠囊的制備和賦香實驗（綜合性實驗），把糖的分類方式概念和實際生產(chǎn)、生活應用有機結(jié)合，理解糖及其苷類物質(zhì)中“結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系”，以及4 次正式的成果展示，結(jié)合前述的文獻調(diào)研和實驗結(jié)果進行匯報：

（1） 驗證性實驗報告——葡萄糖的變旋現(xiàn)象，理解食品化學分析方法中感官分析與理化檢驗相互支撐的特點，單糖的結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)系有初步理解。

（2） 根據(jù)探索性實驗數(shù)據(jù)——環(huán)糊精結(jié)構(gòu)的模擬，理解低聚糖環(huán)糊精在微膠囊領(lǐng)域發(fā)揮作用的理論基礎(chǔ)。

（3） 根據(jù)探索性實驗數(shù)據(jù)——薄荷精油的制備，理解揮發(fā)油的特征、來源、制備技術(shù)和加工中的難點。為后續(xù)綜合性實驗提供實驗材料和探索方向。

（4） 通過綜合性實驗——環(huán)糊精微膠囊的制備和賦香實驗，理解糖在食品以外，如材料學領(lǐng)域應用的可行性。

（5） 通過文獻調(diào)研、PPT 展示匯報學生感興趣的糖苷類物質(zhì)及其開發(fā)應用現(xiàn)狀，為盡可能全面糖類提供新的思路。

大課講解、小組文獻調(diào)研和匯報、實驗操作（驗證性實驗、探索性實驗、綜合性實驗）、成果展示（實驗報告、產(chǎn)品展示），系統(tǒng)、有遞進地認識糖及其苷類物質(zhì)中結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系，從“微觀-介觀-宏觀”的角度認識并理解物質(zhì)結(jié)構(gòu)。

3.4 實踐探究舉例

為更好地說明項目式學習模式在“食品化學”課程中的應用，以一個具體的實踐探究說明。舉例如下：

環(huán)糊精的結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 環(huán)糊精的結(jié)構(gòu)

實踐探究2——什么是環(huán)糊精？

探究主要介紹，環(huán)糊精是一種由單一糖基：α-D -葡萄糖所組成的低聚糖，因其形成的空間結(jié)構(gòu)特殊，被作為食品工業(yè)、日用化工行業(yè)及藥物研發(fā)中的重要載體。如圖3 所示，環(huán)糊精是由不同個數(shù)的α-D -葡萄糖聚合而成。食品中分子包埋微膠囊技術(shù)中，應用最為廣泛的是環(huán)糊精包埋法。β-環(huán)糊精是由7 個葡萄糖分子經(jīng)1,4 - 糖苷鍵結(jié)合而成的低聚物，具有“內(nèi)疏水、外親水”的立體雙親性空腔結(jié)構(gòu)，對不同客體分子具有選擇性的包合作用。該結(jié)構(gòu)特性使得環(huán)糊精具有了分子識別功能，可包埋不穩(wěn)定易揮發(fā)的客體小分子，提高這些小分子的穩(wěn)定性或者水溶性，使其在食品、香料、醫(yī)藥、化妝品等領(lǐng)域有了極為廣泛的應用。以β-環(huán)糊精及其衍生物為壁材，芯材為具有疏水端的分子（如精油、維生素、脂溶性色素等），利用β- 環(huán)糊精特殊結(jié)構(gòu)，在水溶液中選擇性地結(jié)合有機小分子或離子，形成具有不同程度穩(wěn)定性的包埋物。可通過文獻調(diào)研等多種手段認識環(huán)糊精包埋的在食品工業(yè)中的應用，如可涉及保護敏感成分、改變物料性質(zhì)、掩蓋不良風味等。

α，β，γ-環(huán)糊精的立體結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 α，β，γ -環(huán)糊精的立體結(jié)構(gòu)

食品工業(yè)中廣泛使用的環(huán)糊精主要涉及α，β，γ這3 個類型，分別指代的是由6 個、7 個和8 個α-D -吡喃葡萄糖所形成的低聚糖（見圖4）[5]，可形成中空的疏水性內(nèi)穴，能夠包埋親脂性成分如揮發(fā)油（如檸檬醛、松油醇等）；同時，糖環(huán)外部富含羥基，形成親水性外層提升加工特性[5]。

環(huán)糊精與檸檬醛分子包合反應機制見圖5。

圖5 環(huán)糊精與檸檬醛分子包合反應機制

單個的環(huán)糊精即可作為壁材，對客體分子進行包埋，形成包合物。該過程是一個處在分子水平上的反應，即分子取代反應，其是一個可逆的過程。環(huán)糊精與客體分子形成穩(wěn)定的包合物并不是簡單的一步反應，而是經(jīng)歷包結(jié)物過渡態(tài)的兩步反應。以檸檬醛包合反應為例，由圖5 可知，一般情況下客體分子檸檬醛不能立即進入環(huán)糊精空腔，而是先與周圍包裹的水分子發(fā)生解體，以一種理想游離狀態(tài)存在于水溶液中，接著再與環(huán)糊精外部親水層結(jié)合重組，最后進入環(huán)糊精空腔，與內(nèi)部高能水進行分子取代，并通過范德華力和氫鍵作用使包合物達到穩(wěn)定平衡[5]。

β-環(huán)糊精包合α-松油醇分子機制模擬圖見圖6。

圖6 β -環(huán)糊精包合α -松油醇分子機制模擬圖

為進一步認識環(huán)糊精的包埋機制，Ceborska M等人[6]模擬了β-CD 與α-松油醇包合機制三維示意圖，由圖6 可知，左圖為單個主客體結(jié)合狀態(tài)，在此基礎(chǔ)之上，β-CD 與α-松油醇在分子水平形成二聚體結(jié)構(gòu)，在溶液中大量存在形成如圖6 所示均一、穩(wěn)定的體系。上述模擬結(jié)果很好地解釋了環(huán)糊精“外親水，內(nèi)疏水”的結(jié)構(gòu)特性，即環(huán)糊精形成的疏水性空腔在水相中可有效地包含小分子客體而形成穩(wěn)定的包合物，大大改變客體分子的水溶性及對外界環(huán)境的反應程度，與此同時還伴隨著能量的釋放、空間張力的顯著降低，這些變化使系統(tǒng)能量降低，將有利于包合物的形成。

以上是“實踐探究2——什么是環(huán)糊精？”的課程設(shè)計舉例。通過上述內(nèi)容的學習和實踐，學生生動地理解了環(huán)糊精空間結(jié)構(gòu)的特性，為后續(xù)實踐探究，包括精油的提取和香氣的包埋打下了生動的理論基礎(chǔ)。

4 “食品化學”課程建設(shè)過程中引入項目式學習的思考

首先，項目式學習要致力于解決食品加工中的新問題，“食品化學”課程內(nèi)容和資源革新應以產(chǎn)業(yè)技術(shù)進步驅(qū)動。充分發(fā)揮“食品化學”作為食品學科的專業(yè)基礎(chǔ)課的作用，課程學習以解決食品加工中的實際問題和未來研發(fā)訴求為導向，進行工程素養(yǎng)的培養(yǎng)和拓展。以學生為中心的啟發(fā)式、合作式、項目式學習模式，運用真實任務案例教學。充分發(fā)揮項目式學習的優(yōu)勢，通過提供材料、設(shè)置情境，引入綜合性實驗，使學生通過探究、體驗、制作等方式，將學習知識的過程與完成生產(chǎn)生活中的真實任務結(jié)合，從多角度、多層面反復理解知識，幫助學生在完成任務的過程中，綜合運用知識解決問題，實現(xiàn)深層次學習、理解性學習，發(fā)展自主學習能力，提高科學思維能力和解決問題的能力。“食品化學”成績評定中把項目式學習過程中數(shù)據(jù)的調(diào)研、整理、小組討論中的綜合表現(xiàn)納入評分系統(tǒng)，充分調(diào)動學習的自主性，培養(yǎng)終生學習的能力。認識到知識進步過程的連續(xù)性和進階性，培養(yǎng)思辨精神。

第二，項目式學習的引入要與正確的人生觀，價值觀接軌，深入挖掘“食品化學”課程建設(shè)中的思政元素。推動科研資源向人才培養(yǎng)成效轉(zhuǎn)化，助力學生科研興趣培養(yǎng)，使產(chǎn)業(yè)科研成果進課堂，科研項目反哺企業(yè)研發(fā)，實現(xiàn)教學與科研的雙向互動。同時注重社會主義核心價值觀的引領(lǐng)，把專業(yè)知識、價值觀等融入案例，用案例講解專業(yè)理論，贏得學生的價值認同，審視食品人的責任意識，對健全本專業(yè)學生的使命感和責任感具有現(xiàn)實意義。