“食品化學”課程建設中項目式學習模式的探索

梁文娟，劉良燕

（1. 云南農業大學食品科學技術學院，云南昆明 650201；2. 云南農業大學農學與生物技術學院，云南昆明 650201）

“食品化學”作為一門重要的專業基礎課，國內現有的教學方法主要的優點和特色是強調食品化學的理論，尚缺少強調其工程應用的課程建設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中解決問題的能力，是“食品化學”課程的關鍵核心點所在。“食品化學”課程建設中如何實現以工程素養培養為導向的課程建設是教學改革要解決的重要問題。工程素養是將科學和數學的知識原理在實踐中運用的能力，是一種綜合性、系統性、指向知識運用及問題解決的能力。如何把“食品化學”課程基礎知識的學習和掌握與工程素養的建立和拓展掛鉤是該課程建設的核心訴求。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，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。作為專業基礎課程，在“食品化學”課程建設改革中引入項目式學習方式，同時把食品化學基礎知識根據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、食品質量與安全專業的工程素養培養具有現實意義。

1 “食品化學”課程建設中引入項目式學習的可行性

從內容上，“食品化學”課程主要研究基于營養素分類方式下的水分、糖類、蛋白質、脂肪、維生素和礦物質等在食品生產、貯存、運輸加工過程中的品質控制和變化的科學，其中涉及的專業基礎知識為后續課程的學習建立了知識結構。不同于自然科學研究對象相對獨立，食品作為一個統一的整體，具有不同的結構特點和生源特性的營養素在參與食品品質構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本質，這就需要把“食品化學”的知識架構置身于自然科學學習的基礎上，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。根據以上3 個維度進行提煉，針對食品科學的特點圍繞“結構與功能”“穩定與變化”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素為研究對象分類的方式與自然科學領域根據物質生源合成途徑不同進行分類方式相互結合，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，通過課程導入激發學生學習興趣，通過學習過程中的調研、討論和探究，把不同項目結果串聯起來形成一個閉環，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性和進階性，培養思辨精神。

2 “食品化學”課程建設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”主要研究基于營養素分類方式下的水分、糖及其衍生物、蛋白質、脂肪、維生素和礦物質等在食品生產、貯存、運輸加工過程中的品質控制和變化的科學。食品作為一個統一的整體，具有不同的結構特點和生源特性的物質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本質息息相關。因此，“食品化學”中知識的學習從情境與問題出發，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，最終實現知識的建構。

3 “食品化學”課程建設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學生通過觀察食品原料和食品加工中的現象發現問題，運用食品化學相關的思維方式進行解決方案探討，最終以小組合作的形式產出設計結果。現將介紹課程設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？

糖類物質在自然科學領域的應用十分廣泛，隨著基礎研究的深入，對此類物質本質的認識不斷刷新。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現和應用，體現人類對自然界物質世界認識的進階。

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 項目式學習環節的設置

此方向的設置目標主要有對糖的基本組成結構進行學習；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、多糖和糖苷類物質之間的相互關系，建立結構與功能相互聯系的思維方式。認識香味物質的物質組成、特點、獲取方式及其在食品加工中的難點。從結構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之間的關系；對寡糖結構認識的基礎上，借助環糊精的包埋實驗，能夠通過設定工藝流程，利用糖賦予食品香味，實現產品的設計。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”4 個板塊。

項目式學習環節的設置見表1。

表1 項目式學習環節的設置

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、產品展示） 為主。

在大課講解之前，安排2 次小組文獻調研匯報：

（1） 結合生活知識，你認為什么是糖？

（2） 結合生活知識，糖的應用有哪些？

隨后進入大課講解，系統梳理糖及其苷類物質的定義和分類，結構與功能的關系。

一共安排4 次課程實驗，分別是葡萄糖的變旋現象（驗證性實驗）、環糊精結構的模擬（探索性實驗）、薄荷精油的制備（探索性實驗）、環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、生活應用有機結合，理解糖及其苷類物質中“結構與功能關系”，以及4 次正式的成果展示，結合前述的文獻調研和實驗結果進行匯報：

（1） 驗證性實驗報告——葡萄糖的變旋現象，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，單糖的結構和性能的關系有初步理解。

（2） 根據探索性實驗數據——環糊精結構的模擬，理解低聚糖環糊精在微膠囊領域發揮作用的理論基礎。

（3） 根據探索性實驗數據——薄荷精油的制備，理解揮發油的特征、來源、制備技術和加工中的難點。為后續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，如材料學領域應用的可行性。

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

大課講解、小組文獻調研和匯報、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、產品展示），系統、有遞進地認識糖及其苷類物質中結構與功能的關系，從“微觀-介觀-宏觀”的角度認識并理解物質結構。

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：

環糊精的結構見圖3。

圖3 環糊精的結構

實踐探究2——什么是環糊精？

探究主要介紹，環糊精是一種由單一糖基：α-D -葡萄糖所組成的低聚糖，因其形成的空間結構特殊，被作為食品工業、日用化工行業及藥物研發中的重要載體。如圖3 所示，環糊精是由不同個數的α-D -葡萄糖聚合而成。食品中分子包埋微膠囊技術中，應用最為廣泛的是環糊精包埋法。β-環糊精是由7 個葡萄糖分子經1,4 - 糖苷鍵結合而成的低聚物，具有“內疏水、外親水”的立體雙親性空腔結構，對不同客體分子具有選擇性的包合作用。該結構特性使得環糊精具有了分子識別功能，可包埋不穩定易揮發的客體小分子，提高這些小分子的穩定性或者水溶性，使其在食品、香料、醫藥、化妝品等領域有了極為廣泛的應用。以β-環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- 環糊精特殊結構，在水溶液中選擇性地結合有機小分子或離子，形成具有不同程度穩定性的包埋物。可通過文獻調研等多種手段認識環糊精包埋的在食品工業中的應用，如可涉及保護敏感成分、改變物料性質、掩蓋不良風味等。

α，β，γ-環糊精的立體結構見圖4。

圖4 α，β，γ -環糊精的立體結構

食品工業中廣泛使用的環糊精主要涉及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穴，能夠包埋親脂性成分如揮發油（如檸檬醛、松油醇等）；同時，糖環外部富含羥基，形成親水性外層提升加工特性[5]。

環糊精與檸檬醛分子包合反應機制見圖5。

圖5 環糊精與檸檬醛分子包合反應機制

單個的環糊精即可作為壁材，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。環糊精與客體分子形成穩定的包合物并不是簡單的一步反應，而是經歷包結物過渡態的兩步反應。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糊精空腔，而是先與周圍包裹的水分子發生解體，以一種理想游離狀態存在于水溶液中，接著再與環糊精外部親水層結合重組，最后進入環糊精空腔，與內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定平衡[5]。

β-環糊精包合α-松油醇分子機制模擬圖見圖6。

圖6 β -環糊精包合α -松油醇分子機制模擬圖

為進一步認識環糊精的包埋機制，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合狀態，在此基礎之上，β-CD 與α-松油醇在分子水平形成二聚體結構，在溶液中大量存在形成如圖6 所示均一、穩定的體系。上述模擬結果很好地解釋了環糊精“外親水，內疏水”的結構特性，即環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定的包合物，大大改變客體分子的水溶性及對外界環境的反應程度，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——什么是環糊精？”的課程設計舉例。通過上述內容的學習和實踐，學生生動地理解了環糊精空間結構的特性，為后續實踐探究，包括精油的提取和香氣的包埋打下了生動的理論基礎。

4 “食品化學”課程建設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”課程內容和資源革新應以產業技術進步驅動。充分發揮“食品化學”作為食品學科的專業基礎課的作用，課程學習以解決食品加工中的實際問題和未來研發訴求為導向，進行工程素養的培養和拓展。以學生為中心的啟發式、合作式、項目式學習模式，運用真實任務案例教學。充分發揮項目式學習的優勢，通過提供材料、設置情境，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生活中的真實任務結合，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，實現深層次學習、理解性學習，發展自主學習能力，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據的調研、整理、小組討論中的綜合表現納入評分系統，充分調動學習的自主性，培養終生學習的能力。認識到知識進步過程的連續性和進階性，培養思辨精神。

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”課程建設中的思政元素。推動科研資源向人才培養成效轉化，助力學生科研興趣培養，使產業科研成果進課堂，科研項目反哺企業研發，實現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，把專業知識、價值觀等融入案例，用案例講解專業理論，贏得學生的價值認同，審視食品人的責任意識，對健全本專業學生的使命感和責任感具有現實意義。