“食品化学”课程建设中项目式学习模式的探索

梁文娟，刘良燕

（1. 云南农业大学食品科学技术学院，云南昆明 650201；2. 云南农业大学农学与生物技术学院，云南昆明 650201）

“食品化学”作为一门重要的专业基础课，国内现有的教学方法主要的优点和特色是强调食品化学的理论，尚缺少强调其工程应用的课程建设来满足工程教育认证的需求，这就催生了“食品化学”课程教学方法的改革诉求[1]。在工程教育专业认证背景下，提高学生运用食品化学理论指导学生在实际工作和生产中解决问题的能力，是“食品化学”课程的关键核心点所在。“食品化学”课程建设中如何实现以工程素养培养为导向的课程建设是教学改革要解决的重要问题。工程素养是将科学和数学的知识原理在实践中运用的能力，是一种综合性、系统性、指向知识运用及问题解决的能力。如何把“食品化学”课程基础知识的学习和掌握与工程素养的建立和拓展挂钩是该课程建设的核心诉求。项目式学习是学生综合运用多学科学习成就进行自主学习的一种综合性、活动性的教育实践形态，通过项目式将学生学习置于解决问题的真实情境中，灵活应用知识，发展高层次思维能力，成为自主的学习者和有效的合作者[2-3]。同时，在知识点上区分为工程实践和科学实践，通过科学实践回答“是什么”“为什么”的问题；通过工程实践回答“怎么办”的问题。作为专业基础课程，在“食品化学”课程建设改革中引入项目式学习方式，同时把食品化学基础知识根据科学教育理念的维度进行提炼，以解决真实问题为目标，强调将科学与工程教育归还到真实情境中去，对食品科学与工程、食品质量与安全专业的工程素养培养具有现实意义。

1 “食品化学”课程建设中引入项目式学习的可行性

从内容上，“食品化学”课程主要研究基于营养素分类方式下的水分、糖类、蛋白质、脂肪、维生素和矿物质等在食品生产、贮存、运输加工过程中的品质控制和变化的科学，其中涉及的专业基础知识为后续课程的学习建立了知识结构。不同于自然科学研究对象相对独立，食品作为一个统一的整体，具有不同的结构特点和生源特性的营养素在参与食品品质构成的过程中相互作用，要认识清楚这些变化及其机理，进而运用这些变化须认识清楚食品中的物质本质，这就需要把“食品化学”的知识架构置身于自然科学学习的基础上，国际上基于科学教育理念（The next generation science standards）NGSS 认识把科学学科划分为3 个维度：科学工程实践、科学核心知识和跨学科概念[3-4]。以上3 个维度的划分解决食品科学中普遍存在的知识点琐碎、逻辑不连贯、课程广而不深的问题。根据以上3 个维度进行提炼，针对食品科学的特点围绕“结构与功能”“稳定与变化”这2 个跨学科概念进行知识梳理[4]。在“食品化学”课程教学中首次把食品通常以营养素为研究对象分类的方式与自然科学领域根据物质生源合成途径不同进行分类方式相互结合，为学生在跨学科知识学习上扫清一些障碍。方法上，“食品化学”课程教学中引入项目式学习方式，通过课程导入激发学生学习兴趣，通过学习过程中的调研、讨论和探究，把不同项目结果串联起来形成一个闭环，加深对知识点的理解和融会贯通，认识到知识进步过程的连续性和进阶性，培养思辨精神。

2 “食品化学”课程建设过程中引入项目式学习的基本路径

“食品化学”知识与项目式学习流程见图1。

图1 “食品化学”知识与项目式学习流程

“食品化学”主要研究基于营养素分类方式下的水分、糖及其衍生物、蛋白质、脂肪、维生素和矿物质等在食品生产、贮存、运输加工过程中的品质控制和变化的科学。食品作为一个统一的整体，具有不同的结构特点和生源特性的物质在食品加工过程中相互作用，其中的变化及其机理与食品中的具体物质本质息息相关。因此，“食品化学”中知识的学习从情境与问题出发，探究问题的解决方式，最终进行成果的分享与评价。通过小组合作的形式，以学习者为中心真实地进行体验，最终实现知识的建构。

3 “食品化学”课程建设过程中引入项目式学习的具体措施

3.1 课程基本流程

通过项目式学习带领学生通过观察食品原料和食品加工中的现象发现问题，运用食品化学相关的思维方式进行解决方案探讨，最终以小组合作的形式产出设计结果。现将介绍课程设置的主题及研究的对象，同时提出基本的工艺流程和实验设计方案。

例如，解决一个食品加工中的问题——如何利用糖赋予食品香味？

糖类物质在自然科学领域的应用十分广泛，随着基础研究的深入，对此类物质本质的认识不断刷新。从简单意义上的“碳水化合物”到一系列复杂糖基化合物的发现和应用，体现人类对自然界物质世界认识的进阶。

如何利用糖赋予食品香味课程基本流程见图2。

图2 如何利用糖赋予食品香味课程基本流程

3.2 项目式学习环节的设置

此方向的设置目标主要有对糖的基本组成结构进行学习；对糖的分类方式进行学习；对糖的检测分析方法进行学习；认识单糖、低聚糖、多糖和糖苷类物质之间的相互关系，建立结构与功能相互联系的思维方式。认识香味物质的物质组成、特点、获取方式及其在食品加工中的难点。从结构层面理解糖类包埋香气成分的可行性，认识糖与功能活性物质之间的关系；对寡糖结构认识的基础上，借助环糊精的包埋实验，能够通过设定工艺流程，利用糖赋予食品香味，实现产品的设计。课程项目式学习整体流程包含“学习引入”“实践探究”“成果展示”“评价总结”4 个板块。

项目式学习环节的设置见表1。

表1 项目式学习环节的设置

3.3 课程形式

在课程形式方面，主要以大课讲解、小组文献调研和汇报、实验操作（如验证性实验、探索性实验、综合性实验）、成果展示（如实验报告、产品展示） 为主。

在大课讲解之前，安排2 次小组文献调研汇报：

（1） 结合生活知识，你认为什么是糖？

（2） 结合生活知识，糖的应用有哪些？

随后进入大课讲解，系统梳理糖及其苷类物质的定义和分类，结构与功能的关系。

一共安排4 次课程实验，分别是葡萄糖的变旋现象（验证性实验）、环糊精结构的模拟（探索性实验）、薄荷精油的制备（探索性实验）、环糊精微胶囊的制备和赋香实验（综合性实验），把糖的分类方式概念和实际生产、生活应用有机结合，理解糖及其苷类物质中“结构与功能关系”，以及4 次正式的成果展示，结合前述的文献调研和实验结果进行汇报：

（1） 验证性实验报告——葡萄糖的变旋现象，理解食品化学分析方法中感官分析与理化检验相互支撑的特点，单糖的结构和性能的关系有初步理解。

（2） 根据探索性实验数据——环糊精结构的模拟，理解低聚糖环糊精在微胶囊领域发挥作用的理论基础。

（3） 根据探索性实验数据——薄荷精油的制备，理解挥发油的特征、来源、制备技术和加工中的难点。为后续综合性实验提供实验材料和探索方向。

（4） 通过综合性实验——环糊精微胶囊的制备和赋香实验，理解糖在食品以外，如材料学领域应用的可行性。

（5） 通过文献调研、PPT 展示汇报学生感兴趣的糖苷类物质及其开发应用现状，为尽可能全面糖类提供新的思路。

大课讲解、小组文献调研和汇报、实验操作（验证性实验、探索性实验、综合性实验）、成果展示（实验报告、产品展示），系统、有递进地认识糖及其苷类物质中结构与功能的关系，从“微观-介观-宏观”的角度认识并理解物质结构。

3.4 实践探究举例

为更好地说明项目式学习模式在“食品化学”课程中的应用，以一个具体的实践探究说明。举例如下：

环糊精的结构见图3。

图3 环糊精的结构

实践探究2——什么是环糊精？

探究主要介绍，环糊精是一种由单一糖基：α-D -葡萄糖所组成的低聚糖，因其形成的空间结构特殊，被作为食品工业、日用化工行业及药物研发中的重要载体。如图3 所示，环糊精是由不同个数的α-D -葡萄糖聚合而成。食品中分子包埋微胶囊技术中，应用最为广泛的是环糊精包埋法。β-环糊精是由7 个葡萄糖分子经1,4 - 糖苷键结合而成的低聚物，具有“内疏水、外亲水”的立体双亲性空腔结构，对不同客体分子具有选择性的包合作用。该结构特性使得环糊精具有了分子识别功能，可包埋不稳定易挥发的客体小分子，提高这些小分子的稳定性或者水溶性，使其在食品、香料、医药、化妆品等领域有了极为广泛的应用。以β-环糊精及其衍生物为壁材，芯材为具有疏水端的分子（如精油、维生素、脂溶性色素等），利用β- 环糊精特殊结构，在水溶液中选择性地结合有机小分子或离子，形成具有不同程度稳定性的包埋物。可通过文献调研等多种手段认识环糊精包埋的在食品工业中的应用，如可涉及保护敏感成分、改变物料性质、掩盖不良风味等。

α，β，γ-环糊精的立体结构见图4。

图4 α，β，γ -环糊精的立体结构

食品工业中广泛使用的环糊精主要涉及α，β，γ这3 个类型，分别指代的是由6 个、7 个和8 个α-D -吡喃葡萄糖所形成的低聚糖（见图4）[5]，可形成中空的疏水性内穴，能够包埋亲脂性成分如挥发油（如柠檬醛、松油醇等）；同时，糖环外部富含羟基，形成亲水性外层提升加工特性[5]。

环糊精与柠檬醛分子包合反应机制见图5。

图5 环糊精与柠檬醛分子包合反应机制

单个的环糊精即可作为壁材，对客体分子进行包埋，形成包合物。该过程是一个处在分子水平上的反应，即分子取代反应，其是一个可逆的过程。环糊精与客体分子形成稳定的包合物并不是简单的一步反应，而是经历包结物过渡态的两步反应。以柠檬醛包合反应为例，由图5 可知，一般情况下客体分子柠檬醛不能立即进入环糊精空腔，而是先与周围包裹的水分子发生解体，以一种理想游离状态存在于水溶液中，接着再与环糊精外部亲水层结合重组，最后进入环糊精空腔，与内部高能水进行分子取代，并通过范德华力和氢键作用使包合物达到稳定平衡[5]。

β-环糊精包合α-松油醇分子机制模拟图见图6。

图6 β -环糊精包合α -松油醇分子机制模拟图

为进一步认识环糊精的包埋机制，Ceborska M等人[6]模拟了β-CD 与α-松油醇包合机制三维示意图，由图6 可知，左图为单个主客体结合状态，在此基础之上，β-CD 与α-松油醇在分子水平形成二聚体结构，在溶液中大量存在形成如图6 所示均一、稳定的体系。上述模拟结果很好地解释了环糊精“外亲水，内疏水”的结构特性，即环糊精形成的疏水性空腔在水相中可有效地包含小分子客体而形成稳定的包合物，大大改变客体分子的水溶性及对外界环境的反应程度，与此同时还伴随着能量的释放、空间张力的显著降低，这些变化使系统能量降低，将有利于包合物的形成。

以上是“实践探究2——什么是环糊精？”的课程设计举例。通过上述内容的学习和实践，学生生动地理解了环糊精空间结构的特性，为后续实践探究，包括精油的提取和香气的包埋打下了生动的理论基础。

4 “食品化学”课程建设过程中引入项目式学习的思考

首先，项目式学习要致力于解决食品加工中的新问题，“食品化学”课程内容和资源革新应以产业技术进步驱动。充分发挥“食品化学”作为食品学科的专业基础课的作用，课程学习以解决食品加工中的实际问题和未来研发诉求为导向，进行工程素养的培养和拓展。以学生为中心的启发式、合作式、项目式学习模式，运用真实任务案例教学。充分发挥项目式学习的优势，通过提供材料、设置情境，引入综合性实验，使学生通过探究、体验、制作等方式，将学习知识的过程与完成生产生活中的真实任务结合，从多角度、多层面反复理解知识，帮助学生在完成任务的过程中，综合运用知识解决问题，实现深层次学习、理解性学习，发展自主学习能力，提高科学思维能力和解决问题的能力。“食品化学”成绩评定中把项目式学习过程中数据的调研、整理、小组讨论中的综合表现纳入评分系统，充分调动学习的自主性，培养终生学习的能力。认识到知识进步过程的连续性和进阶性，培养思辨精神。

第二，项目式学习的引入要与正确的人生观，价值观接轨，深入挖掘“食品化学”课程建设中的思政元素。推动科研资源向人才培养成效转化，助力学生科研兴趣培养，使产业科研成果进课堂，科研项目反哺企业研发，实现教学与科研的双向互动。同时注重社会主义核心价值观的引领，把专业知识、价值观等融入案例，用案例讲解专业理论，赢得学生的价值认同，审视食品人的责任意识，对健全本专业学生的使命感和责任感具有现实意义。