聚焦专业能力培养，强化知识融合的实验教学设计

陈小旋，李 蕾，张小芬，蔡晨曦，郭东北，李红卫

（厦门大学公共卫生学院，福建厦门 361102）

0 引言

营养与食品卫生学研究饮食与健康的关系，探讨疾病预防控制、健康保护和促进的措施，为相关政策和法律法规提供依据等，是预防医学重要的主干课程。对于营养与食品卫生学科专业能力的培养，实验教学与理论教学并重［1-2］。我校营养与食品卫生学实验／实践为48 学时的独立实验课，主要由食物营养成分测定与评价、食品安全测评、现场工作案例讨论3 部分组成，项目中50%为综合性实验，20%为探索设计性实验，30%为现场实践与虚拟仿真实验。近年随着一流专业、一流课程的建设，人才培养目标不断提升，课程的教学目标锁定“高阶性、创新性、挑战度”的金课标准［3］，围绕专业实际问题设计实验项目，加深学生对理论和实践的理解，强化实验原理和方法的掌握与综合运用，锻炼解决复杂专业问题的能力，培育学生基本科研思维和基础科研能力。

课程深入挖掘专业实验的原理，将知识点在不同层面整合、串联、迁移，同时纳入科研设计思路，形成多项围绕主线的综合实验，加深学生对实验整体设计的理解和体验，进而达到由点到面，逐点深入的教学效果。为探索打造一流实验课程的教学模式，以食品中含氮物质测定为例，打破单项实验的彼此分割，以知识内在联系为主线，揉合食品中蛋白质含量测定、食品中挥发性盐基氮（TVBN）含量测定、食品中亚硝酸盐及硝酸盐含量测定3 项学科经典实验进行实验教学探索。

1 实验设计

1.1 实验原理

（1）食品中蛋白质含量测定原理。食品中的蛋白质经催化加热分解，产生的氨与硫酸结合为硫酸铵。碱化蒸馏使氨游离，用硼酸吸收后以硫酸或盐酸标准滴定溶液滴定，根据酸的消耗量计算氮含量，再乘以换算系数，即为蛋白质的含量。

（2）食品中挥发性盐基氮（TVBN）含量测定原理。动物性食品在腐败过程中，酶和细菌使蛋白质分解而产生氨以及胺类等具有挥发性的碱性含氮物质。挥发性盐基氮在碱性溶液中蒸出，经硼酸溶液吸收后，用标准酸溶液滴定计算其含量。

（3）食品中亚硝酸盐及硝酸盐含量测定原理。亚硝酸盐是常用的肉制品加工发色剂和保护剂，过量食用引发食物中毒或死亡。试样经沉淀蛋白质、除去脂肪后，提纯获得待测亚硝酸及硝酸盐类离子溶液，运用离子色谱仪以氢氧化钾溶液为淋洗液，阴离子交换柱分离，电导检测器检测各组分保留时间，外标法定量。

（4）3 项实验的内在联系。凯氏定氮法是百年经典方法，被食品安全国家标准采用［4］，具有使用范围广，结果准确，重复性好的优越性。该方法最终以样品总氮量乘以相应的蛋白质换算系数计算食品的粗蛋白含量，既无法区别样品中的非蛋白质含氮物质，也不适用于添加非蛋白质含氮物质的样品测定。上述3 项实验分别检测样品中总氮量、内源性非蛋白质氮含量、外源性人为添加物的氮含量，围绕总氮量，彼此内在联系。实验方法上，前2 者采用凯氏定氮法，第3 者采用离子色谱法，都是学科研究的传统实验手段，是学生必须掌握的技能。3 者有机融合为综合性实验“食品中含氮物质测定”。

1.2 实验目的与实验样品的选择

实验样品通常根据实验原理和实验目的而选择。食品中含氮物质测定的目的是检测食品中蛋白质、挥发性盐基氮、亚硝酸盐及硝酸盐含量，评价食物的单一营养成分，评估食品加工过程中的腐败变质程度，考察食品添加剂的添加限量及其可能带来的人体健康风险。该实验综合纳入多个检测指标，不同组学生可将较成熟的实验方法与实际专业问题联系，进而制定实验方案，选择实验样品，达到不同层面的研究目的。例如，选择火腿肠为样品检测其蛋白质含量、评估其腐败变质程度、评价其亚硝酸盐及硝酸盐的食品卫生状况；选择火腿肠和腊肠为样品比较2 者的蛋白质含量，评估两种加工方式中食品的卫生安全状态；选择合理储存的火腿肠和诱发腐败变质的火腿肠为样品，评价火腿肠存放过程中蛋白质的降解规律，评价食品添加剂的防腐作用［5-6］。

1.3 实验技术路线的设计

实验的3 个检测指标不仅原理存在联系，而且检测方法也相互关联。实验基本技术路线着重体现实验的整体性，以四分法取适当量的火腿肠样品，均分为A、B、C 3 份进行实验（见图1）。着重体现实验的整体性，通过提问引导学生在整体框架中发现彼此之间的关联，理解实验整体设计和拟解决的专业问题。有意增加了离子色谱法测定食品亚硝酸盐及硝酸盐含量，使学生深入理解凯氏定氮法的应用局限，进而理解食物成分与食品加工卫生标准的检测意义。

图1 食品中含氮物质测定实验技术路线

该项目为学生提供了开放设计的载体，呈现科学研究的探索性。在实验基本技术路线的基础上，学生根据不同样品对方案再细化，以解决不同层面的专业性问题，从而体验科研设计思想，建立基本的科研思维。实验技术路线的设计还可根据非蛋白质氮的存在形式，比如氨基酸或三聚氰胺，拓展实验内容或替换实验方法，扩大难度和广度。

1.4 硬件条件对教学进度的支撑

高阶的专业实验应是依托解决专业问题，既融合多种方法实现研究目的，又纳入科研新方法，新设备［7］。实验教学的硬件条件支撑专业教学实验的创新与挑战。我院公共卫生与预防医学专业福建省实验教学示范中心为本实验提供了宽敞的实验场地和充足的大型仪器设备（见图2），消除了传统方法中耗时长、高温强酸操作不便、消化难度大等教学实施不利因素［8］，提高教学效率，促成该实验由学生自主优化，在多个实验室交叉轮转实施。实验整体进度如表1所示。

表1 食品中含氮物质测定实验进度表

图2 食品中含氮物质测定实验用仪器

2 教学模式

聚焦能力培养，激发学生学习的主动性，课程摈弃“课前大包大揽，课内按部就班”的模式，采用小班小组轮转，以“学”为中心的混合式教学，促成学生全过程自主参与，教师全过程引导［9-11］。

2.1 课前准备

课前训练学生自主学习和组织实施的能力。在厦门大学课程中心平台发布学习资料和仪器操作视频，介绍项目的背景、目的，抛出问题“对于添加外源含氮物质的食品，如何准确测定其蛋白质含量”“如何评价动物性食品的鲜度”。学生课前1 周提交预习报告和实验分工进度表，教师重点考察学生对项目原理的理解、整体流程的设计和组织实施方案。预习报告通过的小组方可进行后续学习。

2.2 分工实施与质量控制

课堂上，教师讲解实验目的、基本技术路线，引导学生发现专业问题。学生自行拟定待研究的实验项目，优化实验方案。教师引导建立实验质量控制，小组方案设试剂空白、平行样重复、空白加标、样品加标实验，每两组之间平行重复。学生自主实施方案，掌握实验步骤、仪器操作使用、过程记录、数据整理、问题归纳、结果计算与判断等，提升实验操作素质，进而实现问题求解。教师重点监督学生的操作规范、执行的条理与进度、团队协作、安全意识等，通过纠错、把关实验质量使学生发现错误，加深理解，逐渐形成全局观念，意识到实验设计与研究目的、实验优化与方法的关联。

2.3 问题引导式教学

在教学过程中重视设置针对性的思考题，引发学生对实验原理、方案设计、操作方法的深度思考。以“火腿肠的蛋白质含量高，你信吗”导入实验任务；在操作指导中分阶段提出针对性问题，如：①原子吸收法检测食物中重金属含量，使用微波消解仪处理样品，为何本实验不用此法消解食物样品？又为何测定TVBN含量时不进行样品的消化？②蛋白质含量测定时用氢氧化钠蒸馏，TVBN 含量测定时则加入氧化镁蒸馏，这是为什么？③为什么蛋白质含量与TVBN含量的计算公式有差别？④样品中有多少蛋白质腐败变质？⑤“食物含有亚硝酸盐就会中毒吗？”采用引趣、激疑、悬念等方式引导问题，激发学生探究的热情，为课程后续的设计性实验做铺垫。

2.4 项目总结与讨论

实验报告着重强化学生思考与分析：①总结方法学的收获与技能的提高，讨论分析不理想结果，步骤优化与调整的效果；②讨论项目所设定的问题是否得到了解决，实验结果如何评价；③展示对实验／实践全程理解与掌握，详尽阐述实施阶段与预习阶段对具体内容的理解差异，体会“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行”，进而体悟解决问题的思想；④教师在批阅报告后，组织课堂讨论、点评、答疑，引导学生总结提炼、修正错误、举一反三。条件允许可鼓励学生重复实验。

3 特色与成效

（1）实验特色。①聚焦能力培养，围绕专业问题，提升实验任务的高阶性和挑战度，培养学生综合分析和解决问题的能力；②聚焦实验原理，突出方法和检测指标之间的联系，加强学生深度理解；③突破传统方法局限，解决专业问题的路径可拓展、可升级、可创新；④问题引导式教学引发思考，学生主动参与性强；⑤综合了学科经典实验方法，可应用于实际研究，成为学生开展设计性实验、毕业设计的基础，努力打造具备高阶性、创新性和挑战度的“金课”。

（2）教学成效。①学生掌握了检测原理和方法，深入学习实验质量控制的手段，技能素质获得提高；②学生在技术路线的优化设计中体验解决问题的过程，实现举一反三；③打破传统方法的应用局限，学生开阔思维；④分组开展全过程自主实验，增进学生组织协调和团队合作能力；⑤初步建立了科研思维。

4 结语

高质量的专业实验教学不仅是技术方法的教与学，更是需要教师团队积累丰富的科研和教学经验，深入思考，热情投入，对教学模式充分理解和灵活运用［12］，在带领学生解决问题的过程中传递方法论的思想，方可彰显教学实验的魅力。

2020 年新型冠状病毒肺炎全球流行，提示公共卫生与预防医学专业人才应具备综合分析的系统思维和解决复杂性专业问题的全局把控能力［13-14］。新的社会发展形势与国家健康发展战略对该专业人才的能力也提出更高的要求［15］。我校预防医学专业获批2020年度国家级一流本科专业建设点，其中一项重要的建设任务是坚持立德树人，着重培养拔尖创新人才［16］，在推进教学改革中将注重在实战中加强创新和应用能力培养，强化探索“理论+实践+现场”的能力培养路径。食品中含氮物质测定实验精巧设计，以任务引导、启发学生探索专业问题的解决方案，训练综合应用能力，培养解决问题的思维，使之具备自我更新的能力，体悟所学专业的实际工作意义，为相关专业的实验教学提供参考借鉴。