基于多种食品安全检测方法对比的食品专业本科生科研训练模式的探索

孙春燕，袁 媛，时晓磊，李红霞，王作昭，王二雷

（吉林大学 食品科学与工程学院，吉林 长春 130062）

食品安全检测涉及无机化学、分析化学、生物化学、分子生物学及物理和机械等方面的原理知识，另外也涉及一些仪器分析技术方法，如气相色谱-质谱（GC-MS）、液相色谱-质谱（LC-MS）、原子发射光谱（AES）、原子吸收光谱（AAS）等。“食品安全检测实验”课程的学习对于学生掌握食品检测技术的基本方法和实验原理、提高实验技能和动手能力，尤其是培养与科学技术发展相适应的综合创新能力等方面都具有重要意义。

2018年，教育部强调高校要全面梳理各门课程的教学内容，号召淘汰“水课”、打造“金课”，出台了金课标准——“两性一度”（高阶性、创新性、挑战度）[1]。“新工科”教育改革也要求高等教育要加强对学生创新能力和动手能力的培养。近年来，随着检测技术的不断发展，新型检测技术层出不穷，参考教育部提出的上述标准，就要求食品安全检测实验课程不断改革，将新型检测技术融入实验课程教学中。基于此，以开设基于多种食品安全检测方法对比的食品专业实验课为出发点，在食品安全传统检测实验的基础上，开设新型食品安全检测实验。将专业教师的系列科研成果转化为实验教学的部分内容，更加利于引导和开发学生的主动积极性和创造性，提升本科生发现问题、分析问题和解决问题的能力，从本科生阶段开始培养学生严谨的科学作风和钻研的科研精神，在促进学生全面发展的同时，更加注重本科生的个性发展，为今后从事与食品安全检测相关的工作和研究奠定坚实的理论基础。

1 当前课程的局限性

近年来，世界范围内的食品安全事件时有发生，食品安全问题已成为全社会关注的热点问题。目前，一些传统的检测手段虽然准确度和灵敏度都较高，但普遍需要昂贵的仪器设备、复杂的样品前处理步骤和专业的技术人员等，不适用于现场快速检测。因此，开发新型检测方法迫在眉睫，然而我国在食品安全检测方法研发方面的人才仍处于缺乏状态，食品专业学生的专业素养和创新意识的培养方法急需改进和加强。

“食品安全检测实验”课程教学不仅能够提高学生理论联系实际的能力，更加锻炼学生的实验技能和动手能力，为其后期从事食品安全检验方面专业工作或科学研究打下坚实基础。目前，在食品安全检测实验教学中，学生通常只接触传统食品安全检测方法，对新型、前沿的食品安全检测方法接触较少。另外，学生进行的实验项目大多是教师选题，学生不能自行选择，这就限制了学生的积极主动性和创新能力的开发。甚者，由于教育成本的问题，大型仪器如液相色谱等多采用教师演示、学生观看的教学模式，不利于学生对仪器方法的原理理解和实际掌握，不能上手操作，也无法调动学生学习的积极性。因此，为了提高本科专业教学质量，锻炼学生的动手能力和创新能力，急需探索新的实验课程教学模式。在传统食品安全检测方法的基础上，引入新型食品安全检测技术，建立各种检测方法之间的联系，可以使学生对食品安全检测技术有更加系统全面的了解，同时鼓励学生自主选题进行方法操作，提高学生的学习主动性；引导学生创新食品安全检测技术，提高其科研能力和创新思维。

2 教学改革

针对“现代仪器分析”“食品理化分析原理与技术”和“食品分析实验”等课程的学习内容及目前食品安全的热点问题，采用教师命题、学生选题的方式，选择多种食品安全检测方法进行实验，设计综合性实验，将教师的科研成果转化为实验内容，化被动教学为主动教学，提高实验课程含金量。同时，组织学生进行大量文献调研、分组讨论、制定详细实验方案，并在课堂上以PPT形式汇报小组设计的实验方案，经师生共同讨论修改后开展实验操作。采用研究生辅助教学模式，增加研究生和本科生之间的交流机会，营造良好的学术氛围。此外，引入虚拟仿真平台和实践教学基地学习，进一步提高学生的科研水平。

2.1 学生自主选择感兴趣的实验内容

实验内容的选择在食品安全传统检测实验的基础上，开设新型食品安全检测实验，把教师的科研成果转化为实验教学内容，教师确定好实验大方向，学生再选择自己感兴趣的实验方向开展后续工作。

传统的食品危害物检测方法主要为国家标准方法，包括原子吸收、气相色谱、液相色谱等方法。例如，用原子荧光光谱分析法检测食品中汞离子的含量、高效液相色谱法检测牛奶中的三聚氰胺、石墨炉原子吸收法检测食品中的铅离子、气相色谱法测定油脂中的反式脂肪酸等实验内容，学生可根据近年来发生的食品安全问题，结合自己接触过的实验课题，检索国家标准和国内外文献，选择自己所需测试的目标物并确定检测方法。学生从查阅相关文献、理解实验原理、设计详细的实验方案，到购买所需药品、实际样品的采集与前处理、具体实验操作、上机测试，再到实验数据处理和撰写实验报告，经历一次非常完整的科研实践体验。最终目的是使学生了解实验的设计过程，能更切身理解实验的整个开展流程，并掌握紫外-可见吸收分光光度计、荧光分光光度计、高效液相色谱仪、气相色谱仪、原子吸收分光光度计等常用分析仪器的工作原理、结构和性能、操作流程、应用领域和注意事项，掌握仪器主要操作参数及其对分析结果的影响，培养学生正确处理实验所得图谱及从实验数据中获得信息的能力，能独立进行上机操作来解决实际食品安全领域的具体问题。

新型的食品危害物快速检测方法主要有生物传感器、生物化学发光检测、生物芯片、化学比色法、免疫胶体金试纸等[2]。开设新型食品安全检测实验，内容主要选择教师团队现有基础研究的方法，主要为基于新型纳米材料如量子点、胶体金等的独特物理和化学性质建立的比色法、基于新型分子识别元件抗体、核酸适配体等建立的生物传感器等，如基于核酸适配体的荧光法检测铅离子及汞离子、基于酶抑制作用的荧光法检测农药、基于金纳米粒子比色传感器检测瘦肉精和抗生素、基于生物膜干涉技术检测食源性致病菌等实验内容。选择具有重现性好、快速、高效、灵敏的新型食品安全检测技术，学生重复其中实验操作或者引入自己新的想法设计新的实验思路，可以锻炼自己的科研能力，了解食品安全检测领域的研究热点。

通过以上新型检测方法的实验学习，让学生对食品安全检测技术有更加全面系统的了解。训练学生数据处理、科研绘图等能力，利用Origin，SPSS等数据处理软件，对所得结果进行数据处理和分析。分析对比传统检测方法和新型快速检测方法，如灵敏度、检出限、所耗时间、成本、操作专业性等方面，对数据结果和实验过程中的操作进行讨论，通过认识其各自的优点和缺点，提出改良方法。同时，了解食品危害物检测研究热点，以锻炼学生的科研思维。

2.2 采用多媒体教学，开展课堂互动研讨活动

在课程开始前，组织各组学生进行国内外文献查阅、组内讨论、制定实验方案，并在课堂上各小组组长以PPT形式汇报设计的实验方案，经师生共同讨论修改后进行实验操作。每位本科生轮流担任组长和汇报实验方案，保证每位学生得到均衡和充分锻炼。得到实验数据后，再次开展PPT形式汇报小组的实验数据，汇报通过对比得出的传统检测方法和新型快速检测方法的优缺点，并提出改进方法。这种授课方式不仅培养了学生查阅中英文文献、设计实验方案的能力，还弥补了传统的讲授式教学的不足，充分调动了学生的学习积极性，激发学生对科学实验的浓厚兴趣，培养学生发现问题、分析问题和解决问题的能力，增加师生互动性，更容易发现学生在开展实验时容易遇到的问题，同时小组合作也增加了学生合作学习活动、自主学习活动、群体学习活动的机会，学生自主学习的同时可以在小组交流中互相学习、互相启发，对学生创新能力、团结协作能力、自主学习能力的提升都有很大的帮助。此外，还使学生在了解国内外食品安全检测领域研究热点的同时也保证了每组实验方案实施的可行性，为研究生阶段的学习奠定了良好基础。

2.3 研究生辅助教学

实行1名研究生对1组本科生的团队实验模式，增加研究生与本科生之间的学习交流机会，营造良好的学术氛围，引导本科生开展实验的同时还能够锻炼研究生的科研能力。研究生和本科生“1对1”能保证本科生在查阅文献时遇到的难以理解的知识点可以仔细询问，在实验过程中遇到问题时也可以及时向研究生咨询；此外，贵重或复杂的仪器设备可以在研究生的指导下使用，确保仪器的良好运作与维护，保证本科生安全使用各种仪器；教给本科生实验数据的处理方法和常用分析软件的正确使用。同时，本科生与研究生交流的过程，促进本科生了解食品安全检测研究的热点问题。

参考吉林大学食品专业本科生培养方案，授课教师和学生结合教学团队教师的科研工作设计了多种食品安全检测方法。以液相色谱法测定油炸食品中丙烯酰胺和基于非标记脱氧核酶荧光传感器检测铅离子为例。油炸食品中的丙烯酰胺通过正己烷除脂后，以水和乙腈作为提取溶剂，经过基质固相分散萃取净化后，以液相色谱法对丙烯酰胺进行检测，以外标法进行定量。基于非标记脱氧核酶荧光传感器检测铅离子（Pb2+）的实验体系中利用噻唑橙（TO）作为信号探针。水溶液中游离TO的荧光非常弱。当17E酶链和17S底物链通过杂交形成双链结构时，TO能够识别并插入其中，在发射波长530 nm处产生高荧光发射；而当体系中存在Pb2+时，17E酶链能够特异性地作用于17S的rA碱基处，发生酶切反应，使底物链分成2段，从而破坏双链结构，不再被TO识别和插入，导致荧光强度下降，因此可以根据荧光强度的变化实现Pb2+的定量检测。选择了上述课题的本科生在课前先查阅相关文献，确定好自己的实验方案后在课堂上以PPT形式讲述，与授课教师讨论修改方案，最后在教师和研究生的指导下完成了上述实验。整个过程中，本科生不仅锻炼了自己设计实验方案的能力，掌握了高效液相色谱仪和荧光分光光度计的工作原理和操作流程，还接触到了铅离子催化脱氧核酶活性等本科理论课程不会涉及到的知识，使其对研究生的工作有了初步的了解。在研究生指导下进行实验，本科生减少了上课的拘束感，实验积极性大大提高，学习氛围浓厚。

2.4 其他措施

学生利用虚拟仿真平台学习大型仪器设备的使用方法，为实验课开展进行打好基础。利用虚拟仿真平台无地点限制、无操作人数限制、可重复多次练习、高度仿真等优点，提高学生实验课前预习和课后复习的质量水平。同时，还可以利用与学院合作的实践教学基地，如食品检验所、出入境检验检疫局、第三方检测公司等单位，选派学生去交流学习关键性的实验技术，在检测过程中将课上所学的知识运用到实际工作中，提高专业技能，有利于接下来安全检验实习和毕业实习等实践环节的开展，毕业之后走向相关工作岗位也能更快地适应和融入。

3 奖励制度

设计并开展实验对于本科生来说挑战较大，为激励学生积极参与设计实验、动手操作，并通过分析数据得出结论，进行方法改良，采用小范围的奖励制度。奖励表现最为优秀的几个小组不同额度的奖金或等值的物品，使学生多方面收获学习的喜悦。同时，对学生实施奖励机制是对学生努力成果的一种肯定，在一定程度上可以激励学生学习的积极主动性。另外，可以刺激学生之间的良性竞争，促进学生积极开展实验。

鼓励学生积极参加食品安全相关的科研竞赛，通过自主设计实验，使学生在自信心、科研思维、实践创新能力等方面都有提高，也为进一步培养实验能力、研究生阶段学习、参加工作奠定夯实基础。对参与相关竞赛并取得优异成绩的学生给予一定的辅导费或竞赛报名费用的支持，调动学生参加竞赛的积极性，通过竞赛项目的设计和实际操作比拼进一步培养和锻炼学生的动手能力和实验设计能力。

4 推行方式

在“现代仪器分析”“食品理化分析原理与技术”和“食品分析实验”等课程设置基础上，实施上述教学改革方案，推广基于多种食品安全检测方法对比的食品专业本科生科研训练模式，设计综合性实验，培养本科生良好的实验习惯和严谨细致、实事求是的科学态度，使其逐步具备科技人员应有的高素质。在实验教学中采取综合考评的方式对学生的实验方案设计、学习态度、操作水平、团队协作和创新能力进行评价，从学生的出勤率、小组PPT内容、实验操作过程、实验报告总结、实验结果分析、实验设计的创新性等环节进行考核，考核内容灵活多样，利于激发学生对实验课程的浓厚兴趣。严把教学质量关，不断完善质量保证体系，使学生的科研能力得到锻炼，实现教学与科研互动的目的。

5 结语

食品安全检测技术对于保证食品安全具有重要作用，“食品安全检测实验”课程对食品专业人才培养的重要性不言而喻，因此教师应当在充分利用现有资源、调动学生的积极性和主动性开展实验教学的同时将最新研究成果运用到实验教学当中，培养学生的科研能力和创新能力。通过食品安全检测相关实验课程的教学改革，有利于学生更加全面地掌握食品安全检测技术的相关知识和最新应用，促进专业课程的建设，为进一步打造“金课”奠定基础。教学改革的方向是科学技术，科学技术的快速发展又推动了教学改革的加速，教学要适应科学技术的发展，同时又促进科研的发展[3]。食品安全检测技术的不断发展及教学模式的不断改革，需要教师积极分析和反思现行教学模式的不足，并将先进的教学理念和技术融入教学实践中，提升实验课程的教学质量，为食品安全检测工作或研究培养高素质人才。