梁文娟，劉良燕

（1. 云南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院，云南昆明 650201；2. 云南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院，云南昆明 650201）

“食品化學(xué)”作為一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，國內(nèi)現(xiàn)有的教學(xué)方法主要的優(yōu)點(diǎn)和特色是強(qiáng)調(diào)食品化學(xué)的理論，尚缺少強(qiáng)調(diào)其工程應(yīng)用的課程建設(shè)來滿足工程教育認(rèn)證的需求，這就催生了“食品化學(xué)”課程教學(xué)方法的改革訴求[1]。在工程教育專業(yè)認(rèn)證背景下，提高學(xué)生運(yùn)用食品化學(xué)理論指導(dǎo)學(xué)生在實(shí)際工作和生產(chǎn)中解決問題的能力，是“食品化學(xué)”課程的關(guān)鍵核心點(diǎn)所在?！笆称坊瘜W(xué)”課程建設(shè)中如何實(shí)現(xiàn)以工程素養(yǎng)培養(yǎng)為導(dǎo)向的課程建設(shè)是教學(xué)改革要解決的重要問題。工程素養(yǎng)是將科學(xué)和數(shù)學(xué)的知識(shí)原理在實(shí)踐中運(yùn)用的能力，是一種綜合性、系統(tǒng)性、指向知識(shí)運(yùn)用及問題解決的能力。如何把“食品化學(xué)”課程基礎(chǔ)知識(shí)的學(xué)習(xí)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(xiàng)目式學(xué)習(xí)是學(xué)生綜合運(yùn)用多學(xué)科學(xué)習(xí)成就進(jìn)行自主學(xué)習(xí)的一種綜合性、活動(dòng)性的教育實(shí)踐形態(tài)，通過項(xiàng)目式將學(xué)生學(xué)習(xí)置于解決問題的真實(shí)情境中，靈活應(yīng)用知識(shí)，發(fā)展高層次思維能力，成為自主的學(xué)習(xí)者和有效的合作者[2-3]。同時(shí)，在知識(shí)點(diǎn)上區(qū)分為工程實(shí)踐和科學(xué)實(shí)踐，通過科學(xué)實(shí)踐回答“是什么”“為什么”的問題；通過工程實(shí)踐回答“怎么辦”的問題。作為專業(yè)基礎(chǔ)課程，在“食品化學(xué)”課程建設(shè)改革中引入項(xiàng)目式學(xué)習(xí)方式，同時(shí)把食品化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)根據(jù)科學(xué)教育理念的維度進(jìn)行提煉，以解決真實(shí)問題為目標(biāo)，強(qiáng)調(diào)將科學(xué)與工程教育歸還到真實(shí)情境中去，對(duì)食品科學(xué)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(shí)意義。

1 “食品化學(xué)”課程建設(shè)中引入項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的可行性

從內(nèi)容上，“食品化學(xué)”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(yùn)輸加工過程中的品質(zhì)控制和變化的科學(xué)，其中涉及的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)建立了知識(shí)結(jié)構(gòu)。不同于自然科學(xué)研究對(duì)象相對(duì)獨(dú)立，食品作為一個(gè)統(tǒng)一的整體，具有不同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(rèn)識(shí)清楚這些變化及其機(jī)理，進(jìn)而運(yùn)用這些變化須認(rèn)識(shí)清楚食品中的物質(zhì)本質(zhì)，這就需要把“食品化學(xué)”的知識(shí)架構(gòu)置身于自然科學(xué)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，國際上基于科學(xué)教育理念（The next generation science standards）NGSS 認(rèn)識(shí)把科學(xué)學(xué)科劃分為3 個(gè)維度：科學(xué)工程實(shí)踐、科學(xué)核心知識(shí)和跨學(xué)科概念[3-4]。以上3 個(gè)維度的劃分解決食品科學(xué)中普遍存在的知識(shí)點(diǎn)瑣碎、邏輯不連貫、課程廣而不深的問題。根據(jù)以上3 個(gè)維度進(jìn)行提煉，針對(duì)食品科學(xué)的特點(diǎn)圍繞“結(jié)構(gòu)與功能”“穩(wěn)定與變化”這2 個(gè)跨學(xué)科概念進(jìn)行知識(shí)梳理[4]。在“食品化學(xué)”課程教學(xué)中首次把食品通常以營養(yǎng)素為研究對(duì)象分類的方式與自然科學(xué)領(lǐng)域根據(jù)物質(zhì)生源合成途徑不同進(jìn)行分類方式相互結(jié)合，為學(xué)生在跨學(xué)科知識(shí)學(xué)習(xí)上掃清一些障礙。方法上，“食品化學(xué)”課程教學(xué)中引入項(xiàng)目式學(xué)習(xí)方式，通過課程導(dǎo)入激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，通過學(xué)習(xí)過程中的調(diào)研、討論和探究，把不同項(xiàng)目結(jié)果串聯(lián)起來形成一個(gè)閉環(huán)，加深對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解和融會(huì)貫通，認(rèn)識(shí)到知識(shí)進(jìn)步過程的連續(xù)性和進(jìn)階性，培養(yǎng)思辨精神。

2 “食品化學(xué)”課程建設(shè)過程中引入項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的基本路徑

“食品化學(xué)”知識(shí)與項(xiàng)目式學(xué)習(xí)流程見圖1。

圖1 “食品化學(xué)”知識(shí)與項(xiàng)目式學(xué)習(xí)流程

“食品化學(xué)”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(yùn)輸加工過程中的品質(zhì)控制和變化的科學(xué)。食品作為一個(gè)統(tǒng)一的整體，具有不同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(jī)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(xué)”中知識(shí)的學(xué)習(xí)從情境與問題出發(fā)，探究問題的解決方式，最終進(jìn)行成果的分享與評(píng)價(jià)。通過小組合作的形式，以學(xué)習(xí)者為中心真實(shí)地進(jìn)行體驗(yàn)，最終實(shí)現(xiàn)知識(shí)的建構(gòu)。

3 “食品化學(xué)”課程建設(shè)過程中引入項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的具體措施

3.1 課程基本流程

通過項(xiàng)目式學(xué)習(xí)帶領(lǐng)學(xué)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(yùn)用食品化學(xué)相關(guān)的思維方式進(jìn)行解決方案探討，最終以小組合作的形式產(chǎn)出設(shè)計(jì)結(jié)果?，F(xiàn)將介紹課程設(shè)置的主題及研究的對(duì)象，同時(shí)提出基本的工藝流程和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案。

例如，解決一個(gè)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(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛，隨著基礎(chǔ)研究的深入，對(duì)此類物質(zhì)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)不斷刷新。從簡單意義上的“碳水化合物”到一系列復(fù)雜糖基化合物的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用，體現(xiàn)人類對(duì)自然界物質(zhì)世界認(rèn)識(shí)的進(jìn)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(xiàng)目式學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)的設(shè)置

此方向的設(shè)置目標(biāo)主要有對(duì)糖的基本組成結(jié)構(gòu)進(jìn)行學(xué)習(xí)；對(duì)糖的分類方式進(jìn)行學(xué)習(xí)；對(duì)糖的檢測(cè)分析方法進(jìn)行學(xué)習(xí)；認(rèn)識(shí)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(rèn)識(shí)香味物質(zhì)的物質(zhì)組成、特點(diǎn)、獲取方式及其在食品加工中的難點(diǎn)。從結(jié)構(gòu)層面理解糖類包埋香氣成分的可行性，認(rèn)識(shí)糖與功能活性物質(zhì)之間的關(guān)系；對(duì)寡糖結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，借助環(huán)糊精的包埋實(shí)驗(yàn)，能夠通過設(shè)定工藝流程，利用糖賦予食品香味，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。課程項(xiàng)目式學(xué)習(xí)整體流程包含“學(xué)習(xí)引入”“實(shí)踐探究”“成果展示”“評(píng)價(jià)總結(jié)”4 個(gè)板塊。

項(xiàng)目式學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)的設(shè)置見表1。

表1 項(xiàng)目式學(xué)習(xí)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(xiàn)調(diào)研和匯報(bào)、實(shí)驗(yàn)操作（如驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、探索性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)）、成果展示（如實(shí)驗(yàn)報(bào)告、產(chǎn)品展示） 為主。

在大課講解之前，安排2 次小組文獻(xiàn)調(diào)研匯報(bào)：

（1） 結(jié)合生活知識(shí)，你認(rèn)為什么是糖？

（2） 結(jié)合生活知識(shí)，糖的應(yīng)用有哪些？

隨后進(jìn)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(shí)驗(yàn)，分別是葡萄糖的變旋現(xiàn)象（驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)）、環(huán)糊精結(jié)構(gòu)的模擬（探索性實(shí)驗(yàn)）、薄荷精油的制備（探索性實(shí)驗(yàn)）、環(huán)糊精微膠囊的制備和賦香實(shí)驗(yàn)（綜合性實(shí)驗(yàn)），把糖的分類方式概念和實(shí)際生產(chǎn)、生活應(yīng)用有機(jī)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(xiàn)調(diào)研和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行匯報(bào)：

（1） 驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)報(bào)告——葡萄糖的變旋現(xiàn)象，理解食品化學(xué)分析方法中感官分析與理化檢驗(yàn)相互支撐的特點(diǎn)，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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(diǎn)。為后續(xù)綜合性實(shí)驗(yàn)提供實(shí)驗(yàn)材料和探索方向。

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

（5） 通過文獻(xiàn)調(diào)研、PPT 展示匯報(bào)學(xué)生感興趣的糖苷類物質(zhì)及其開發(fā)應(yīng)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(xiàn)調(diào)研和匯報(bào)、實(shí)驗(yàn)操作（驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、探索性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)）、成果展示（實(shí)驗(yàn)報(bào)告、產(chǎn)品展示），系統(tǒng)、有遞進(jìn)地認(rèn)識(shí)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(rèn)識(shí)并理解物質(zhì)結(jié)構(gòu)。

3.4 實(shí)踐探究舉例

為更好地說明項(xiàng)目式學(xué)習(xí)模式在“食品化學(xué)”課程中的應(yīng)用，以一個(gè)具體的實(shí)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(shí)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(gè)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(yīng)用最為廣泛的是環(huán)糊精包埋法。β-環(huán)糊精是由7 個(gè)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(duì)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(shí)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(yīng)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(jī)小分子或離子，形成具有不同程度穩(wěn)定性的包埋物?？赏ㄟ^文獻(xiàn)調(diào)研等多種手段認(rèn)識(shí)環(huán)糊精包埋的在食品工業(yè)中的應(yīng)用，如可涉及保護(hù)敏感成分、改變物料性質(zhì)、掩蓋不良風(fēng)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(gè)類型，分別指代的是由6 個(gè)、7 個(gè)和8 個(gè)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(shí)，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(yīng)機(jī)制見圖5。

圖5 環(huán)糊精與檸檬醛分子包合反應(yīng)機(jī)制

單個(gè)的環(huán)糊精即可作為壁材，對(duì)客體分子進(jìn)行包埋，形成包合物。該過程是一個(gè)處在分子水平上的反應(yīng)，即分子取代反應(yīng)，其是一個(gè)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(yīng)，而是經(jīng)歷包結(jié)物過渡態(tài)的兩步反應(yīng)。以檸檬醛包合反應(yīng)為例，由圖5 可知，一般情況下客體分子檸檬醛不能立即進(jìn)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(jìn)入環(huán)糊精空腔，與內(nèi)部高能水進(jìn)行分子取代，并通過范德華力和氫鍵作用使包合物達(dá)到穩(wěn)定平衡[5]。

β-環(huán)糊精包合α-松油醇分子機(jī)制模擬圖見圖6。

圖6 β -環(huán)糊精包合α -松油醇分子機(jī)制模擬圖

為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)環(huán)糊精的包埋機(jī)制，Ceborska M等人[6]模擬了β-CD 與α-松油醇包合機(jī)制三維示意圖，由圖6 可知，左圖為單個(gè)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(duì)外界環(huán)境的反應(yīng)程度，與此同時(shí)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(shí)踐探究2——什么是環(huán)糊精？”的課程設(shè)計(jì)舉例。通過上述內(nèi)容的學(xué)習(xí)和實(shí)踐，學(xué)生生動(dòng)地理解了環(huán)糊精空間結(jié)構(gòu)的特性，為后續(xù)實(shí)踐探究，包括精油的提取和香氣的包埋打下了生動(dòng)的理論基礎(chǔ)。

4 “食品化學(xué)”課程建設(shè)過程中引入項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的思考

首先，項(xiàng)目式學(xué)習(xí)要致力于解決食品加工中的新問題，“食品化學(xué)”課程內(nèi)容和資源革新應(yīng)以產(chǎn)業(yè)技術(shù)進(jìn)步驅(qū)動(dòng)。充分發(fā)揮“食品化學(xué)”作為食品學(xué)科的專業(yè)基礎(chǔ)課的作用，課程學(xué)習(xí)以解決食品加工中的實(shí)際問題和未來研發(fā)訴求為導(dǎo)向，進(jìn)行工程素養(yǎng)的培養(yǎng)和拓展。以學(xué)生為中心的啟發(fā)式、合作式、項(xiàng)目式學(xué)習(xí)模式，運(yùn)用真實(shí)任務(wù)案例教學(xué)。充分發(fā)揮項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的優(yōu)勢(shì)，通過提供材料、設(shè)置情境，引入綜合性實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生通過探究、體驗(yàn)、制作等方式，將學(xué)習(xí)知識(shí)的過程與完成生產(chǎn)生活中的真實(shí)任務(wù)結(jié)合，從多角度、多層面反復(fù)理解知識(shí)，幫助學(xué)生在完成任務(wù)的過程中，綜合運(yùn)用知識(shí)解決問題，實(shí)現(xiàn)深層次學(xué)習(xí)、理解性學(xué)習(xí)，發(fā)展自主學(xué)習(xí)能力，提高科學(xué)思維能力和解決問題的能力?！笆称坊瘜W(xué)”成績?cè)u(píng)定中把項(xiàng)目式學(xué)習(xí)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(píng)分系統(tǒng)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)的自主性，培養(yǎng)終生學(xué)習(xí)的能力。認(rèn)識(shí)到知識(shí)進(jìn)步過程的連續(xù)性和進(jìn)階性，培養(yǎng)思辨精神。

第二，項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的引入要與正確的人生觀，價(jià)值觀接軌，深入挖掘“食品化學(xué)”課程建設(shè)中的思政元素。推動(dòng)科研資源向人才培養(yǎng)成效轉(zhuǎn)化，助力學(xué)生科研興趣培養(yǎng)，使產(chǎn)業(yè)科研成果進(jìn)課堂，科研項(xiàng)目反哺企業(yè)研發(fā)，實(shí)現(xiàn)教學(xué)與科研的雙向互動(dòng)。同時(shí)注重社會(huì)主義核心價(jià)值觀的引領(lǐng)，把專業(yè)知識(shí)、價(jià)值觀等融入案例，用案例講解專業(yè)理論，贏得學(xué)生的價(jià)值認(rèn)同，審視食品人的責(zé)任意識(shí)，對(duì)健全本專業(yè)學(xué)生的使命感和責(zé)任感具有現(xiàn)實(shí)意義。