结合“蛋白工艺学”的专业课堂学习效果提升的探究

陈敏，吴昊，徐兴凤，孙庆杰

青岛农业大学食品科学与工程学院（青岛 266109）

2021年联合国教科文组织发布的题为“学会融入世界：为了未来生存的教育”的报告，提出世界高等教育2050远景发展目标规划。针对人类高等教育程度与地球生态发展之间的不平衡，报告明确指出未来高等教育亟须“重构教育和人文主义之间的关系”，提倡秉持生态意识和生态观念开展教育活动[1-2]。21世纪构建人类命运共同体和推进高等教育国际化的新时代背景，要求我国更加重视人类和地球的可持续发展，不仅要建立全民终身学习的现代教育体系，更要重视高等教育的生态意识和可持续发展观培养，推进基础学科拔尖创新人才和卓越引领型工程师的培养。未来顶级创新人才的核心能力包括问题发现，分析和解决的快速行动能力，创造能力，及跨领域、跨学科的合作协同能力[3]。因此，要求高等教育机构结合国家发展战略与社会需求，以学生为中心，不断激发创新教育理念，加强专业教育与人文融合以及多学科交叉培养，持续改进教育教学质量。食品科学技术是为满足社会对可持续食品质量、安全和保障的需求而诞生的一门学科，跨越化学、生物学、物理学、数学和统计学等多种基础科学学科，衍生出食品化学、食品分析、食品生物化学、食品生物技术、食品微生物、食品物理、食品加工、食品工程原理、食品机械设计、食品包装、食品营养、食品感官和食品质量与安全、食品企业管理、食品市场营销和食品新产品开发等课程要素[4]。因此，食品科学技术具有强烈的多学科交叉融合特点，但与基础科学学科相比，其局限性在于专业研习深度不够。专业课堂学习占本科教学量的2/3，因此，提升专业课堂学习效果对提高学生的专业水平至关重要。结合“蛋白工艺学”课堂教学，就如何提升专业课堂学习效果提出几点思考。

1 专业教学实践和学生能力培养面临的挑战和瓶颈

专业教学实践和学生能力培养普遍面临的主要挑战和瓶颈包括：（1）学习共同体对学生学习的整体效应值偏低，尤其是对认知层面学习效果的促进作用不大，教师没能充分将自身学习效果转化为教学效果[5]；（2）学生专业课堂学习的积极性不高，参与度不够，知识迁移能力有待加强，学生不能学以致用[6]；（3）我国大学生学习的主观依赖性较强，存在很大思维惰性，问题意识不强，发现和提出问题的能力有待加强，批判性思维能力不够，创新意识不强，想象力和创造力不够[7]。针对以上现状，专业教师应秉持生态意识和可持续发展观开展专业教学，注重教学内容的多学科交叉融合，在把握专业学习深度的同时，又能够从自身角度转换为学生角度，把教学设计转变为学习设计[8]，形成师生学习共同体，重视从认知层面促进学生专业课堂学习，提高学生的学习动机和学习参与度，减少学习孤独感，有意识地训练学生的问题意识、创新意识和批判性思维能力。

2 关于提升专业课堂学习效果的措施做法

针对当前现状和存在问题，结合“蛋白工艺学”教学实践，从提高学习动机，强化生态意识，培养工程意识和问题意识，提高批判性思维能力和解决问题的能力，以及培养创造力和设计思维等方面，提出提升学生的专业课堂学习效果的措施做法。

2.1 提高学生的学习动机，强化生态意识

在“蛋白工艺学”这门课学习的起点，通过让学生自我发问的形式，引导学生深刻认识、理解专业课的学习目的和重要性，例如从“我为什么要学习‘蛋白工艺学’这门课？”开始，通过多角度逐级发问，给出“Why”的具体内涵和答案。表1呈现部分用于引导学生理解专业课学习目的和重要性的相关问题形式，通过回答这些问题，有助于引导学生在上课初期建立自我和“蛋白工艺学”这门课之间的连接，帮助学生整理并形成对蛋白加工的初步认知，同时训练自我认知能力，挖掘自发学习精神。其中，问题1，3，12和13使学生从自我认知的角度认识什么是“蛋白工艺学”，问题4～6和9～11使学生从社会认知的角度认识什么是“蛋白工艺学”，能够反映学生对周围环境和社会的关注度和敏感度。问题7和8从自然科学认知的角度测量学生对“蛋白工艺学”的认识水平。其中，引导学生认识和分析问题9“蛋白资源的生产加工与农业生产、生态环境和人类社会发展的关系”对于提高学生的学习动机至关重要。蛋白质对人类生命健康的重要性毋庸置疑，人类主要通过植物（粮油作物）和动物（畜禽蛋奶）获取蛋白食物资源，依赖农业发展，而农业发展需要消耗大量自然资源和人类社会资源，同时农作物、牲畜和人类的呼吸作用、农业生产加工以及其他人类活动产生大量温室气体，破坏生态平衡。由此，使学生对“蛋白生产加工”“农业生产”“生态环境”“人类社会发展”之间相互依赖和相互影响的关系形成第一层认识。应对目前世界人口急剧增长的趋势，必然要通过扩大农业生产来获取更多蛋白资源，这将导致自然资源消耗和环境恶化加剧，自然灾害频发，粮食减产，食物不足，人和牲畜的数量下降，不利于生态环境和人类社会的可持续发展，结合世界未来发展趋势，使学生充分认识到人类社会规模扩大对生态环境的影响及其带来的恶性循环。又因为不同蛋白资源的生产规模、产量和供需情况在世界范围存在较大地域差异，且每一种蛋白资源的获取、生产和加工所需水用量、土地用量、光照情况、电热和人力资源消耗量显著不同，能量转化率和生物利用率不同，温室气体释放量也存在较大差别[9]，进而使学生意识到不同蛋白资源的生产加工对“农业生产”“生态环境”“人类社会发展”的影响。如乳制品和肉制品的生产占食品生产温室气体总排放量的50%，占全球温室气体排放总量的18%[10-11]。相比而言，植物蛋白资源生产加工效率高，对环境破坏作用小。因此，优化生产方式，提高生产效率，重视植物蛋白资源和新型蛋白资源（昆虫蛋白、微藻蛋白）的开发利用，使农业、生态保持可持续发展，进而促进人类社会的可持续发展具有重要意义，从而强化学生的生态意识和可持续发展观，培养其社会责任感和使命感，使学生对“蛋白工艺学”这门课的学习目的和意义有更具体、更充分的认识和理解，提高学习动机。继而，通过问题2和8，引导学生建立对“蛋白工艺学”这门课学习内容的认知框架，使学生能够系统地学习多种蛋白资源的化学组成、加工工艺和产品特性。

表1 引导学生理解“蛋白工艺学”专业课学习目的和重要性的相关问题形式

2.2 培养学生的工程意识和问题意识

蛋白工艺学是以化学、物理、机械工程和生物工程学为基础，研究蛋白初加工及精深加工与转化过程中的基本原理、工艺及产品质量的科学，属于应用基础研究，旨在培养学生解决蛋白加工工程问题的能力。对于本科专业教育，引导学生鉴别什么是“有用的知识”和培养学生的工程意识、问题意识至关重要，即从实践中来，回到实践中去[12]。要求学生能够基于工程问题提炼具有学术价值和应用价值的科学问题[3]，通过科学发现和技术创新解决贴近实践的工程问题。因此，在“蛋白工艺学”学习过程中，需要让学生充分理解蛋白加工产业的复杂性、多维性、生态性和融合共生性等发展特性。如通过微藻养殖和发酵开发微藻蛋白，综合考虑微藻的种类、营养方式、生长条件、培养系统、生产规模、蛋白提取加工工艺、蛋白提取率、微藻蛋白的功能特性、产品品质、应用价值和经济效益等。确定微藻蛋白开发基本方案以后，需要综合衡量工厂选址和微藻蛋白生产加工成本，包括用地、用水、机械设备、能源消耗、技术更新、人力管理、产品流通、副产物利用和废弃物处理等，体现蛋白加工的复杂性。美国TerraVia在巴西建立大规模的微藻发酵工厂，利用当地甘蔗大规模种植优势，以及玉米秸秆、干草和森林腐殖质等农业废弃物作为有机碳源，进行微藻异养发酵，生产微藻蛋白、藻油、微藻制品等多种高附加值产品，应用于食品、动物营养和化妆品等领域，充分体现蛋白加工的多维性、生态性和融合共生性。另外，哺乳动物乳汁中的功能组分骨桥蛋白的含量较低，传统提取方法成本高且得率低，美国Triton公司采用微藻异养发酵法有效富集骨桥蛋白，通过技术革新、挖掘生产关键控制点和优化发酵工艺参数，大幅提高骨桥蛋白的产量，显著降低生产成本，同时改善骨桥蛋白品质。发酵罐不受地域限制，占地面积小，适于大规模生产，系统集成度和参数监控度较高，充分体现其成本和效率优势。通过以上案例，使学生深刻理解蛋白加工的产业特性，培养学生的工程意识，比如整体与局部意识、成本与效率意识和问题与改革意识等。此外，工业数字化的飞速发展要求学生同时具备工作简化与标准化意识、自动化与智能化意识，以及较强的数字技术思维能力。

2.3 提高学生的批判性思维能力

批判性思维的内涵仍存在争议，其中巴内特提出批判力三要素，即批判性推理、批判性反思和批判性行为，分别指向知识、自我和世界，既包括认知又包括实践，既体现个人维度又体现社会维度。个人维度批判性思维的内涵包括批判性推理和批判性反思，社会维度批判性思维的内涵主要是批判性行为，即批判性地参与社区和社会实践的能力。高等教育主要强调批判性推理的训练，而大多忽视批判性反思和批判性行为的培养[13]。批判性思维能力的一个重要方面是学生分析和解决问题的快速行动能力，因此，怎样使教学内容快速转化为学生的“有用的知识”是专业教学的关键。“蛋白工艺学”是研究蛋白初加工及精深加工与转化过程中的基本原理、工艺及产品质量的科学，实质上是探索蛋白原料、加工技术工艺和产品质量之间的相互关系，具体可以体现在5个方面：（1）蛋白资源的结构信息（氨基酸种类和序列、蛋白的二级、三级和四级结构）、蛋白构象形成和稳定机制（氢键、范德华力、疏水作用、二硫键、离子键和配位键），以及外界理化因素对蛋白构象稳定性的影响机制；（2）加工技术的基本原理、适用条件和工艺操作要点；（3）加工工艺、技术参数和外界条件对蛋白原料品质（组成结构、理化稳定性、加工特性、感官特性和营养品质等）的影响规律；（4）原料品质、加工工艺、技术参数和外界条件对产品品质（组成结构、理化稳定性、加工特性、感官特性和营养品质等）的影响规律；（5）加工工艺、技术参数和外界条件对原料或产品中蛋白组分之间、蛋白-非蛋白组分之间，以及非蛋白组分之间相互作用的影响机理，适用于任何一种蛋白资源的生产加工。在专业课堂学习中，学习有深度的专业技术知识，分析不同学习内容的共性和特性，发现不同问题之间的关联性，形成系统性学习方法，能够有效提高学生的分析推理和知识迁移能力，同时促进学生能力在学校和社会中的通用性和可迁移性。在训练批判性推理的同时，培养学生的自我反思意识和自我反思能力，使其更多地了解思维方式所嵌入的人文背景，从而使学生对自己的思维方式更加敏感[13]，能够促进其独立理性思考，并不断修正和提高自我认知水平，激发学习动力，更好地指导学生自身批判性地参与社区和社会实践。具体什么是“批判性地参与社会实践？”，一个成功案例是中国传统发酵食品产业的技术转型升级。我国传统发酵食品风味独特，但大多采用传统固态发酵方式，周期较长，企业只有进行转型升级，提高市场竞争力，才能应对日益增长的能源、人力等加工成本和激烈的全球化竞争局势。海天味业有限公司通过引入激光直接成型（LDS）、学习管理系统（LMS）、生产管理系统（MES）、企业资源计划（ERP）、智能立体仓库、机器人码垛系统和极速灌装系统等，在发酵、酿造、灌装、仓储等酱油和发酵酱生产环节都基本实现了自动化，部分生产环节实现了数字化制造[14]，以适应工业4.0生产全过程数字化、网络化和智能化的标准。与之相对，大学生的盲目创业成为批判性参与社会实践的典型反面事例。2021年，美国科技市场研究公司CBINSIGHTS通过分析110家以上创业公司创业失败案例总结12条企业创业失败的主要原因，包括现金短缺/无法获得新融资、没有市场需求、竞争力不足、商业模式存在缺陷、管理/法律风险高、价格/成本问题、团队不行、产品质量较差、团队和投资者之间不和谐、创业核心偏离轨道，以及潜力不足/缺乏热情[15]，以上均是因考虑不全面、判断不准确或决策不正确而导致在实践过程中缺乏批判性的后果。有相当一部分学生缺乏批判性地参与社区和社会实践的能力，主要源于对社会不敏感，缺乏自发的人文关怀精神，对社会生产、生活实际需求不了解，对自身知识和技能的作用认识不清晰，以及存在惰性思维和缺乏快速行动能力。在“蛋白工艺学”学习过程中，增加学生对蛋白加工产业链构成要素及其相互关系的认识，能够使学生更好地了解贯穿产业链的供给和需求关系，更加准确地在产业和社会当中定位自身价值，增强社会责任感，有效结合自身所学付诸实践，解决社会生产、生活中的实际问题。

2.4 通过多学科交叉融合，提高学生解决问题的能力

在社会生产生活实践中遇到的问题大多错综复杂，仅通过某一学科所学知识对实际问题的认识往往片面孤立，不能科学、综合地分析和解决问题。因此，通过多学科交叉融合才能真正提高学生解决实际问题的能力。以蛋白加工为例，如“在食品加工过程中应该怎样保护热敏性活性成分？”，提高热敏性成分的保留率，应避免使用热加工技术，尤其是高温加工技术，如热杀菌技术、加热浓缩和喷雾干燥等。根据实际生产工艺条件和需求，可以选择性地采用低温加工技术进行粉碎、分离、提取、杀菌、浓缩和干燥，如热敏性物料的粉碎可以采用气流式超微粉碎和冷冻粉碎技术，气流式超微粉碎利用高速喷射气流对物料颗粒进行剪切冲击，压缩空气膨胀会吸收能量，产生制冷作用，造成较低温度，因此适合热敏性物料的粉碎。超临界流体萃取或超滤膜分离技术可用于热敏性成分的分离提取。超临界流体萃取是利用超临界流体的高溶解性、流动性、扩散性和渗透性进行萃取，可以采用临界点温度较低的流体对热敏性物料进行分离提取。而超滤膜分离技术以压力差为推动力，通过具有一定大小和形状微细孔的超滤膜对物料进行分离，因此适合热敏性成分的提取。超高压杀菌和高压电场低温等离子体杀菌技术分别利用的是超高压和低温等离子体对微生物的致死作用。高压通过破坏微生物的形态结构、生化反应、基因机制和细胞膜结构，从而使其生理活动机能产生不可逆变化。而低温等离子体通过蚀刻作用、细胞膜穿孔与静电干扰、大分子氧化对微生物进行冷杀菌。此外，热敏性物料的浓缩和干燥可以采用低温真空浓缩、冷冻浓缩和真空冷冻干燥等技术。食品低温加工高新技术最初并不是诞生于食品加工领域，而是通过多学科交叉融合才应用于食品加工，涉及流体力学、电磁学和热力学等多学科概念原理和思路方法[16]。在“蛋白工艺学”这门课当中，学习现代食品加工高新技术的发展历程、基本原理、适用条件及其在食品加工中的应用，使学生在获得有深度的技术知识的同时，养成从多学科交叉融合角度去分析和解决问题的思维方式，从而拓展学生自发学习的维度和深度，通过知识交叉融合科学地解决实际生产生活问题。

2.5 培养学生的创造力和设计思维

顶级科技创新人才和卓越引领型工程师的培养都强调学生的创造能力。教育进展国际评估组织调查研究显示，中国学生的计算能力世界排名靠前，而想象力和创造力世界排名倒数[7]。创造力是运用想象力去创造设想目标中事物的形象，并不断地把注意力集中在这个思想或画面上，基于直觉和灵感，通过批判性思维进行论证和实践，并最终成为客观现实的能力。爱因斯坦曾说过“想象力比知识更重要”，想象力连接人的感性和知性，具有创造性想象力，才有可能进行创新。对世界充满好奇心及敏锐的洞察力是丰富和发挥想象力的前提，中科院院士严加安认为创造性想象力离不开直觉和灵感。灵感多来自于对某一问题的全神灌注的长期思考，往往产生于不经意间或意识朦胧之中（比如冥想）。因此，高等教育应充分尊重学生的个性自由，鼓励积极探索，使学生养成热爱思考、大胆质疑、灵活想象、勤于实践和不怕失败的行为习惯和批判性思维习惯，从而提高学生的创造力。在食品专业教育中，培养学生的设计思维意识，有助于学生在学习过程中由被动接受转为主动学习，能够自主地思考和提出问题，从而设定目标，分析和解决问题。比如蛋白加工涉及多种需要解决的实际工程问题，包括改善产品品质，提高生产效率，降低能源消耗，节约生产成本，减少环境污染，增加经济效益，提高生产机械化、自动化和智能化水平等。着眼贯穿蛋白加工产业链的供给和需求关系，产业的创新发展主要依靠品牌/品类、工艺技术和模式理念的创新，而创新过程充分体现了设计思维的重要性。通过设计进行创新的具体方向包括食品新产品开发（品类、品牌和产品配方设计）、食品加工工艺开发（工厂、生产车间和生产线工艺流程设计，技术、机械和包装设计，软件、系统和模型设计，以及生产工艺参数优化等）、食品加工企业商业模式开发（生产模式、管理模式、营销模式等）和食品生产、生活理念开发（健康理念、消费理念、极简理念、素食理念、慢生活理念等）等，如汤臣倍健的“Yep系列”蛋白营养纤维奶昔固体饮料品牌创新，“德州扒鸡”老字号品牌的数字化升级，利和味道围绕“中国花椒味道与文化”的调理食品全产业链多元主体协同共生、可持续商业模式创新，以及一盏本白即食燕窝的“平民燕窝”理念创新等。在食品研究领域，引导学生明确设计创新的具体方向和目标，更容易使其转化为客观现实。

3 结语

作为专业教师，应通过构建师生学习共同体，丰富专业教育的内涵，将高等教育远景规划纲领和顶级创新人才培养教育新理念切实落实到专业教学实践中，在专业教学课堂上无时无刻不致力于提高学生的学习动机、生态意识、工程意识和问题意识，增强学生的批判性思维和解决复杂问题的能力，培养学生的设计思维和创造力，以促进学生养成自发学习、自我反思和批判性地参与社会实践的能力，从而践行终生学习的教育理念，使个人的可持续发展融入社会和自然的可持续发展中。