开放性“食品生物化学”实验的探索研究

李 倩，李会品，毛烨炫，马阳阳，宋晓燕，孙灵霞

（河南农业大学食品科学技术学院，河南郑州 450002）

食品生物化学是研究食品成分的组成、结构、性质、形成、食品贮藏和加工以及在人体内代谢过程中化学成分变化规律的一门综合性学科，更是食品专业领域的带头学科。“食品生物化学”实验作为“食品生物化学”教学的重要组成部分，将学科的理论知识与实践操作相结合，对学生知识体系的构筑具有极其重要的意义。它不仅要求学生熟练掌握食品生物化学中相关反应的基本原理和实验操作，熟悉实验所需要使用的仪器和试剂，更要求学生具备相当的创新思维能力，进而发现实验过程中出现的问题并能通过查阅文献等提出解决办法，最终达到提高学生综合素质的目的[1]。在该课程开放式实验的设置中，如何利用“有机化学”课程的基础性实验，又如何避免与后续“食品化学”课程的重复，将是课程组面临的难点，就此问题做一初步探索。

1 课程实验教学现状

课程组于2018年起开始担任河南农业大学食品科学技术学院的“食品生物化学”教学任务，实验大纲几经讨论、修改、实践，目前大纲为16 学时，共有9 个实验项目，由3 个必做项目（淀粉的消化及还原糖含量的测定、蛋白质的盐析和透析、植物组织中DNA 的提取） 和6 个选做项目（鸡蛋中卵磷脂的提取和鉴定、SDS-PAGE 电泳测蛋白质分子量、底物浓度对酶促反应速率的影响、氨基酸的纸层析、油脂过氧化值的测定、PCR 扩增及DNA 电泳） 组成。在传统课堂上，教师将实验重点及需要注意的事项讲授给学生，学生按照教材上的实验路线按部就班地进行，如果对于实验原理等并不能很好地掌握，也就难以达到培养学生综合素质的目标。

那么，如何提高学生的实验积极性，使学生真正地能以主人翁意识参与到实验过程中，培养其主动性与独立性？课程组设想在实验教学中设置开放性探索实验，在教师布置完实验题目后，学生可通过独立查阅文献等提出解决问题的实验方案，细化到每个实验步骤；此外，由于各组学生的实验方案不同，在实验结束后，可让学生对不同实验的结果及难易程度进行对比，获得最优实验流程。开放性探索实验更鼓励学生通过文献查阅、综合分析、总结归纳等方式来对课堂知识与实践操作相结合，要求学生有更多的自主学习能力和团队合作意识，有利于学生综合素质的培养[2]。

2 开放性实验的特点

开放性实验是一个以问题为导向的研究与实践相结合的探索性项目，其目的在于激发学生的自主学习和创造性思维能力[3]。区别于传统实验有固定的实验原理、实验步骤等，实验不再由教师给学生下达实验流程，学生可根据实验目的，在教师的指导下，自主设计实验流程、细化实验方案、分析实验现象、记录实验结果等。

项目的选题要注意食品科学专业与实践生产之间的联系和衔接，要以课堂的理论知识作为基础，区别于有机化学和食品化学的相关实验，具有实验的独特性和不可取代性。同时，实验难度也要适宜，不可过难，学生无法独立操作；也不可过易，否则无法达到启发学生思考的作用。总的来说，开放性实验需具备综合性、启发性和原创性三大要素[4]。

3 开放性实验在实验教学中的具体实施

3.1 实验内容选择

课程的开设时间在大二上学期，此时学生已经学习了“有机化学”“无机化学”等基础化学课程，具有一定的实验基础，能够操作常见的化学实验仪器，有能力开展一些简单的相对开放的实验。糖类又称为碳水化合物，是自然界存在最为丰富的有机化合物，具有多种生理学作用，如为机体提供能量；作为其他生物大分子物质物质（如蛋白质、核酸、脂类等） 生物合成的重要原料；也可作为生物体的结构物质（如纤维素是植物茎秆等职称组织的结构成分，几丁质是虾、蟹等动物硬壳组织的结构成分）；糖蛋白、糖脂等具有细胞识别、免疫活性等多种生理活性功能。近年来，由于糖所具备的这些生理功能，所以对糖类物质的研究也越来越受到重视。

因此，糖的测定作为一类经典的食品生物化学实验，在实验教学中开展较为广泛。此外，该实验涉及了理论教学中非常重要的酶解、氧化等多种反应类型，适合进行开放式教学，因此，课程组选择大纲中的“淀粉的消化及还原糖含量的测定”这一实验进行初步探索。

3.2 实验课前准备

开放性探索实验需要教师和学生多方面共同的合作才能完成。首先，课程组根据教学管理制度，对实验实施中的各因素加以统筹。比如，由于学生独立操作实验，必须在课前进行安全教育以确保学生的人身安全。其次，教师在学习通提前布置实验任务，通过建立QQ 群或者微信群等，完成学生的分组及组内任务分工。一组由3～4 人组成为宜。随后，教师讲解此次实验的具体内容，讲述实验过程中一些化学反应，要求学生通过互联网或者图书馆等方式查阅文献，待问题明确后，各小组成员就可以开始设计具体的实验流程，包括实验的目的和原理、实验所需材料和仪器、实验步骤、结果的记录与分析、实验中的注意事项等。各小组将上述内容做成PPT 进行方案汇报，由教师和学生共同讨论其可行性并进行优化后，便可进行下一步实验。

3.3 实验具体实施

在该实验中，首先通过酶对淀粉进行水解。由于酶水解是温和的、缓慢的，所以需要学生在固定的时间段进行取样，再对样品中所含的还原糖进行含量测定。通过学生的实验方案汇报，确认了3 种还原糖的测定方法：第1 种方法：直接滴定法。其原理是在加热条件下，以次甲基蓝为指示剂，以被测样品溶液直接滴定已标定过的费林试液，样品中的还原糖与费林试剂中的酒石酸钾钠铜络合物反应，生成红色的氧化亚铜沉淀，氧化亚铜再与试剂中的亚铁氰化钾反应，生成可溶性化合物，到达终点时，稍过量的还原糖立即将次甲基蓝还原，使蓝色褪色，呈现出原样品溶液的颜色，即为终点。根据样品消耗体积，计算还原糖量。第2 种方法：高锰酸钾滴定法。其原理是还原糖在碱性环境下将铜盐还原为氧化亚铜，加硫酸铁后，氧化亚铜被氧化为铜盐，以高锰酸钾溶液滴定氧化作用后生成的亚铁盐，根据高锰酸钾消耗量计算氧化亚铜含量，再查表得还原糖量。第3 种方法：比色法。其原理是3,5 - 二硝基水杨酸与还原糖共热后被还原成棕红色的氨基化合物；在一定浓度范围内，还原糖的量和棕红色物质颜色的深浅程度呈一定比例关系，可以用分光光度计进行测定[5]。学生可按照既定的实验步骤操作，记录好实验现象，完成实验报告。

实验课的目的在于提高学生的动手和解决问题能力，也在于培养学生的科研严谨性，教师需向学生传输坚决杜绝科研不端的理念。实验本身就是对课堂知识进行实践的过程，本来就是在实验过程中寻找真理的方法，让学生能够充分发挥自身的能力，即使实验不完美或者失败，也要告诫学生坚决不能修改或杜撰实验数据，必须让其思考原因，并且最终找到解决问题的方案。

3.4 课后思考

实验操作结束，并不代表实验就完全结束，学生需要对实验结果进行比对，对实验过程中出现的问题进行讨论，并且提出完善的方案。比如，3 种实验，操作哪个更简单？数据哪个更可靠？要注重学生各组之间实验操作的规范性及实验方案，尤其是细节之间的对比。

通过实验，发现学生更倾向于使用比色法进行还原糖的测定。原因在于，前2 种方法所配试剂较为繁琐，并且在滴定终点的确定上，人为因素干预较多，可能不同的学生所认定的滴定终点的颜色都有些许的差别，因此也就导致了结果的差异较大。而比色法的优点就在于借助紫外分光光度计，大大消除了人为因素的影响，结果较为准确。但其缺点就是需要绘制对照品的标准曲线，实验时间相对长一些。总体来说，3 种方法各有利弊，在学生走上工作岗位之后，在实际工作中，可根据不同的实验目的确定最为适宜的实验方法。

除了对此次实验的思考，还可与学生进行深度探讨。酶解是把淀粉逐步水解的过程，和酸水解的区别之处在哪里？从而引入酶催化的特点，具有温和的反应条件、极高的催化效率、高度的专一性，以及是受到各种因素受到调节和控制的，生物体可通过多种调节方式对酶的催化活性进行调节控制，从而使机体内极其复杂的物质代谢网络能够协调、正常地进行。

另外，适量食用含糖较高的物质（如淀粉、水果） 等可为人体提供能量和丰富的微量营养物质，有利于人体生理健康。然而，如果人体摄入过量，多余的糖类物质在体内堆积，不能及时代谢，可引发肥胖甚至糖尿病的产生。那么，糖类在机体内是如何代谢的？这就可与课程中的后续内容——物质代谢精准对接。将物质代谢有关理论知识与淀粉的水解案例相关联，在具体实验中分析问题，进而帮助学生熟悉糖代谢、脂类代谢及二者之间的关系，有利于学生综合素质的发展与提高。

4 课程考核

考核不仅能够鉴定课程组的教学效果是否达标，也是衡量教学质量和学习成果的重要方法。合理的实验课程考核既包括课前的文献查阅、实验设计、PPT 讲解，也包括实验操作、报告和课后思考等。在该课程中，文献查阅、PPT 讲解、实验报告和课后思考各占比15%，实验设计和操作各占比20%。另外，课题组教师对课堂部分进行打分，学生对课前预习部分依据分工和贡献度进行互评打分，最终得出课程的成绩。

5 结语

课程组将开放式实验引入“食品生物化学”的课堂当中，师生间进行不断的沟通交流，学生各小组之间也进行不断的协同合作，不仅大大改善了师生关系，让教师更能够理解学生的思维，做到与时俱进、因材施教，大大提升了教师的教学效果；并且能够提升学生的学习能动性，让其亲身参与到教学过程中，学习热情被激发，也就能够更深刻地理解理论知识。实践理论二者有机结合，相辅相成，最终达到熟练掌握知识点的目的。同时，汇报环节也相当于一个小的翻转课堂，让学生走上讲台，能够培养其表达能力，促进了其综合素质的发展。

但是，由于该实验是开放性实验的初次尝试，在实验过程上仍存在一些问题。比如，学生的差异性较大，尤其表现在其学习能动性和自我管理学习上，有些学生难以按时完成文献查阅工作，在小组内的分工工作也不积极，这就对开放性实验的教学效果有所影响。因此，教师在课前也不能完全放手，必须考虑如何对课前尤其是非课堂学习进行有效的监督和管理，或可以提问形式抽查各小组进展情况等。

综上所述，将“食品生物化学”课程里及其重要的糖类物质的检测开展开放性实验，可以激发学生对“食品生物化学”的学习热情与兴趣，并深度挖掘其自主学习的潜能，对学生的综合能力培养大有裨益。因此，课程组后续将开发更多的此类实验，也期望通过以点带面，对学院其余实验课程提供参考，为更好地建设食品专业及工程认证奠定基础。