基于多種食品安全檢測方法對比的食品專業(yè)本科生科研訓(xùn)練模式的探索

孫春燕，袁 媛，時曉磊，李紅霞，王作昭，王二雷

（吉林大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長春 130062）

食品安全檢測涉及無機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)、生物化學(xué)、分子生物學(xué)及物理和機(jī)械等方面的原理知識，另外也涉及一些儀器分析技術(shù)方法，如氣相色譜-質(zhì)譜（GC-MS）、液相色譜-質(zhì)譜（LC-MS）、原子發(fā)射光譜（AES）、原子吸收光譜（AAS）等。“食品安全檢測實(shí)驗(yàn)”課程的學(xué)習(xí)對于學(xué)生掌握食品檢測技術(shù)的基本方法和實(shí)驗(yàn)原理、提高實(shí)驗(yàn)技能和動手能力，尤其是培養(yǎng)與科學(xué)技術(shù)發(fā)展相適應(yīng)的綜合創(chuàng)新能力等方面都具有重要意義。

2018年，教育部強(qiáng)調(diào)高校要全面梳理各門課程的教學(xué)內(nèi)容，號召淘汰“水課”、打造“金課”，出臺了金課標(biāo)準(zhǔn)——“兩性一度”（高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度）[1]?！靶鹿た啤苯逃母镆惨蟾叩冉逃訌?qiáng)對學(xué)生創(chuàng)新能力和動手能力的培養(yǎng)。近年來，隨著檢測技術(shù)的不斷發(fā)展，新型檢測技術(shù)層出不窮，參考教育部提出的上述標(biāo)準(zhǔn)，就要求食品安全檢測實(shí)驗(yàn)課程不斷改革，將新型檢測技術(shù)融入實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中?；诖?，以開設(shè)基于多種食品安全檢測方法對比的食品專業(yè)實(shí)驗(yàn)課為出發(fā)點(diǎn)，在食品安全傳統(tǒng)檢測實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，開設(shè)新型食品安全檢測實(shí)驗(yàn)。將專業(yè)教師的系列科研成果轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的部分內(nèi)容，更加利于引導(dǎo)和開發(fā)學(xué)生的主動積極性和創(chuàng)造性，提升本科生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力，從本科生階段開始培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)作風(fēng)和鉆研的科研精神，在促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展的同時，更加注重本科生的個性發(fā)展，為今后從事與食品安全檢測相關(guān)的工作和研究奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

1 當(dāng)前課程的局限性

近年來，世界范圍內(nèi)的食品安全事件時有發(fā)生，食品安全問題已成為全社會關(guān)注的熱點(diǎn)問題。目前，一些傳統(tǒng)的檢測手段雖然準(zhǔn)確度和靈敏度都較高，但普遍需要昂貴的儀器設(shè)備、復(fù)雜的樣品前處理步驟和專業(yè)的技術(shù)人員等，不適用于現(xiàn)場快速檢測。因此，開發(fā)新型檢測方法迫在眉睫，然而我國在食品安全檢測方法研發(fā)方面的人才仍處于缺乏狀態(tài)，食品專業(yè)學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)和創(chuàng)新意識的培養(yǎng)方法急需改進(jìn)和加強(qiáng)。

“食品安全檢測實(shí)驗(yàn)”課程教學(xué)不僅能夠提高學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力，更加鍛煉學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能和動手能力，為其后期從事食品安全檢驗(yàn)方面專業(yè)工作或科學(xué)研究打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。目前，在食品安全檢測實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生通常只接觸傳統(tǒng)食品安全檢測方法，對新型、前沿的食品安全檢測方法接觸較少。另外，學(xué)生進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目大多是教師選題，學(xué)生不能自行選擇，這就限制了學(xué)生的積極主動性和創(chuàng)新能力的開發(fā)。甚者，由于教育成本的問題，大型儀器如液相色譜等多采用教師演示、學(xué)生觀看的教學(xué)模式，不利于學(xué)生對儀器方法的原理理解和實(shí)際掌握，不能上手操作，也無法調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。因此，為了提高本科專業(yè)教學(xué)質(zhì)量，鍛煉學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力，急需探索新的實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)模式。在傳統(tǒng)食品安全檢測方法的基礎(chǔ)上，引入新型食品安全檢測技術(shù)，建立各種檢測方法之間的聯(lián)系，可以使學(xué)生對食品安全檢測技術(shù)有更加系統(tǒng)全面的了解，同時鼓勵學(xué)生自主選題進(jìn)行方法操作，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性；引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)新食品安全檢測技術(shù)，提高其科研能力和創(chuàng)新思維。

2 教學(xué)改革

針對“現(xiàn)代儀器分析”“食品理化分析原理與技術(shù)”和“食品分析實(shí)驗(yàn)”等課程的學(xué)習(xí)內(nèi)容及目前食品安全的熱點(diǎn)問題，采用教師命題、學(xué)生選題的方式，選擇多種食品安全檢測方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)綜合性實(shí)驗(yàn)，將教師的科研成果轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，化被動教學(xué)為主動教學(xué)，提高實(shí)驗(yàn)課程含金量。同時，組織學(xué)生進(jìn)行大量文獻(xiàn)調(diào)研、分組討論、制定詳細(xì)實(shí)驗(yàn)方案，并在課堂上以PPT形式匯報小組設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案，經(jīng)師生共同討論修改后開展實(shí)驗(yàn)操作。采用研究生輔助教學(xué)模式，增加研究生和本科生之間的交流機(jī)會，營造良好的學(xué)術(shù)氛圍。此外，引入虛擬仿真平臺和實(shí)踐教學(xué)基地學(xué)習(xí)，進(jìn)一步提高學(xué)生的科研水平。

2.1 學(xué)生自主選擇感興趣的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的選擇在食品安全傳統(tǒng)檢測實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，開設(shè)新型食品安全檢測實(shí)驗(yàn)，把教師的科研成果轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，教師確定好實(shí)驗(yàn)大方向，學(xué)生再選擇自己感興趣的實(shí)驗(yàn)方向開展后續(xù)工作。

傳統(tǒng)的食品危害物檢測方法主要為國家標(biāo)準(zhǔn)方法，包括原子吸收、氣相色譜、液相色譜等方法。例如，用原子熒光光譜分析法檢測食品中汞離子的含量、高效液相色譜法檢測牛奶中的三聚氰胺、石墨爐原子吸收法檢測食品中的鉛離子、氣相色譜法測定油脂中的反式脂肪酸等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，學(xué)生可根據(jù)近年來發(fā)生的食品安全問題，結(jié)合自己接觸過的實(shí)驗(yàn)課題，檢索國家標(biāo)準(zhǔn)和國內(nèi)外文獻(xiàn)，選擇自己所需測試的目標(biāo)物并確定檢測方法。學(xué)生從查閱相關(guān)文獻(xiàn)、理解實(shí)驗(yàn)原理、設(shè)計(jì)詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)方案，到購買所需藥品、實(shí)際樣品的采集與前處理、具體實(shí)驗(yàn)操作、上機(jī)測試，再到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和撰寫實(shí)驗(yàn)報告，經(jīng)歷一次非常完整的科研實(shí)踐體驗(yàn)。最終目的是使學(xué)生了解實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)過程，能更切身理解實(shí)驗(yàn)的整個開展流程，并掌握紫外-可見吸收分光光度計(jì)、熒光分光光度計(jì)、高效液相色譜儀、氣相色譜儀、原子吸收分光光度計(jì)等常用分析儀器的工作原理、結(jié)構(gòu)和性能、操作流程、應(yīng)用領(lǐng)域和注意事項(xiàng)，掌握儀器主要操作參數(shù)及其對分析結(jié)果的影響，培養(yǎng)學(xué)生正確處理實(shí)驗(yàn)所得圖譜及從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中獲得信息的能力，能獨(dú)立進(jìn)行上機(jī)操作來解決實(shí)際食品安全領(lǐng)域的具體問題。

新型的食品危害物快速檢測方法主要有生物傳感器、生物化學(xué)發(fā)光檢測、生物芯片、化學(xué)比色法、免疫膠體金試紙等[2]。開設(shè)新型食品安全檢測實(shí)驗(yàn)，內(nèi)容主要選擇教師團(tuán)隊(duì)現(xiàn)有基礎(chǔ)研究的方法，主要為基于新型納米材料如量子點(diǎn)、膠體金等的獨(dú)特物理和化學(xué)性質(zhì)建立的比色法、基于新型分子識別元件抗體、核酸適配體等建立的生物傳感器等，如基于核酸適配體的熒光法檢測鉛離子及汞離子、基于酶抑制作用的熒光法檢測農(nóng)藥、基于金納米粒子比色傳感器檢測瘦肉精和抗生素、基于生物膜干涉技術(shù)檢測食源性致病菌等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。選擇具有重現(xiàn)性好、快速、高效、靈敏的新型食品安全檢測技術(shù)，學(xué)生重復(fù)其中實(shí)驗(yàn)操作或者引入自己新的想法設(shè)計(jì)新的實(shí)驗(yàn)思路，可以鍛煉自己的科研能力，了解食品安全檢測領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

通過以上新型檢測方法的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)，讓學(xué)生對食品安全檢測技術(shù)有更加全面系統(tǒng)的了解。訓(xùn)練學(xué)生數(shù)據(jù)處理、科研繪圖等能力，利用Origin，SPSS等數(shù)據(jù)處理軟件，對所得結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。分析對比傳統(tǒng)檢測方法和新型快速檢測方法，如靈敏度、檢出限、所耗時間、成本、操作專業(yè)性等方面，對數(shù)據(jù)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)過程中的操作進(jìn)行討論，通過認(rèn)識其各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，提出改良方法。同時，了解食品危害物檢測研究熱點(diǎn)，以鍛煉學(xué)生的科研思維。

2.2 采用多媒體教學(xué)，開展課堂互動研討活動

在課程開始前，組織各組學(xué)生進(jìn)行國內(nèi)外文獻(xiàn)查閱、組內(nèi)討論、制定實(shí)驗(yàn)方案，并在課堂上各小組組長以PPT形式匯報設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案，經(jīng)師生共同討論修改后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。每位本科生輪流擔(dān)任組長和匯報實(shí)驗(yàn)方案，保證每位學(xué)生得到均衡和充分鍛煉。得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后，再次開展PPT形式匯報小組的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，匯報通過對比得出的傳統(tǒng)檢測方法和新型快速檢測方法的優(yōu)缺點(diǎn)，并提出改進(jìn)方法。這種授課方式不僅培養(yǎng)了學(xué)生查閱中英文文獻(xiàn)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案的能力，還彌補(bǔ)了傳統(tǒng)的講授式教學(xué)的不足，充分調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，激發(fā)學(xué)生對科學(xué)實(shí)驗(yàn)的濃厚興趣，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力，增加師生互動性，更容易發(fā)現(xiàn)學(xué)生在開展實(shí)驗(yàn)時容易遇到的問題，同時小組合作也增加了學(xué)生合作學(xué)習(xí)活動、自主學(xué)習(xí)活動、群體學(xué)習(xí)活動的機(jī)會，學(xué)生自主學(xué)習(xí)的同時可以在小組交流中互相學(xué)習(xí)、互相啟發(fā)，對學(xué)生創(chuàng)新能力、團(tuán)結(jié)協(xié)作能力、自主學(xué)習(xí)能力的提升都有很大的幫助。此外，還使學(xué)生在了解國內(nèi)外食品安全檢測領(lǐng)域研究熱點(diǎn)的同時也保證了每組實(shí)驗(yàn)方案實(shí)施的可行性，為研究生階段的學(xué)習(xí)奠定了良好基礎(chǔ)。

2.3 研究生輔助教學(xué)

實(shí)行1名研究生對1組本科生的團(tuán)隊(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，增加研究生與本科生之間的學(xué)習(xí)交流機(jī)會，營造良好的學(xué)術(shù)氛圍，引導(dǎo)本科生開展實(shí)驗(yàn)的同時還能夠鍛煉研究生的科研能力。研究生和本科生“1對1”能保證本科生在查閱文獻(xiàn)時遇到的難以理解的知識點(diǎn)可以仔細(xì)詢問，在實(shí)驗(yàn)過程中遇到問題時也可以及時向研究生咨詢；此外，貴重或復(fù)雜的儀器設(shè)備可以在研究生的指導(dǎo)下使用，確保儀器的良好運(yùn)作與維護(hù)，保證本科生安全使用各種儀器；教給本科生實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理方法和常用分析軟件的正確使用。同時，本科生與研究生交流的過程，促進(jìn)本科生了解食品安全檢測研究的熱點(diǎn)問題。

參考吉林大學(xué)食品專業(yè)本科生培養(yǎng)方案，授課教師和學(xué)生結(jié)合教學(xué)團(tuán)隊(duì)教師的科研工作設(shè)計(jì)了多種食品安全檢測方法。以液相色譜法測定油炸食品中丙烯酰胺和基于非標(biāo)記脫氧核酶熒光傳感器檢測鉛離子為例。油炸食品中的丙烯酰胺通過正己烷除脂后，以水和乙腈作為提取溶劑，經(jīng)過基質(zhì)固相分散萃取凈化后，以液相色譜法對丙烯酰胺進(jìn)行檢測，以外標(biāo)法進(jìn)行定量?；诜菢?biāo)記脫氧核酶熒光傳感器檢測鉛離子（Pb2+）的實(shí)驗(yàn)體系中利用噻唑橙（TO）作為信號探針。水溶液中游離TO的熒光非常弱。當(dāng)17E酶鏈和17S底物鏈通過雜交形成雙鏈結(jié)構(gòu)時，TO能夠識別并插入其中，在發(fā)射波長530 nm處產(chǎn)生高熒光發(fā)射；而當(dāng)體系中存在Pb2+時，17E酶鏈能夠特異性地作用于17S的rA堿基處，發(fā)生酶切反應(yīng)，使底物鏈分成2段，從而破壞雙鏈結(jié)構(gòu)，不再被TO識別和插入，導(dǎo)致熒光強(qiáng)度下降，因此可以根據(jù)熒光強(qiáng)度的變化實(shí)現(xiàn)Pb2+的定量檢測。選擇了上述課題的本科生在課前先查閱相關(guān)文獻(xiàn)，確定好自己的實(shí)驗(yàn)方案后在課堂上以PPT形式講述，與授課教師討論修改方案，最后在教師和研究生的指導(dǎo)下完成了上述實(shí)驗(yàn)。整個過程中，本科生不僅鍛煉了自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案的能力，掌握了高效液相色譜儀和熒光分光光度計(jì)的工作原理和操作流程，還接觸到了鉛離子催化脫氧核酶活性等本科理論課程不會涉及到的知識，使其對研究生的工作有了初步的了解。在研究生指導(dǎo)下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，本科生減少了上課的拘束感，實(shí)驗(yàn)積極性大大提高，學(xué)習(xí)氛圍濃厚。

2.4 其他措施

學(xué)生利用虛擬仿真平臺學(xué)習(xí)大型儀器設(shè)備的使用方法，為實(shí)驗(yàn)課開展進(jìn)行打好基礎(chǔ)。利用虛擬仿真平臺無地點(diǎn)限制、無操作人數(shù)限制、可重復(fù)多次練習(xí)、高度仿真等優(yōu)點(diǎn)，提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)的質(zhì)量水平。同時，還可以利用與學(xué)院合作的實(shí)踐教學(xué)基地，如食品檢驗(yàn)所、出入境檢驗(yàn)檢疫局、第三方檢測公司等單位，選派學(xué)生去交流學(xué)習(xí)關(guān)鍵性的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，在檢測過程中將課上所學(xué)的知識運(yùn)用到實(shí)際工作中，提高專業(yè)技能，有利于接下來安全檢驗(yàn)實(shí)習(xí)和畢業(yè)實(shí)習(xí)等實(shí)踐環(huán)節(jié)的開展，畢業(yè)之后走向相關(guān)工作崗位也能更快地適應(yīng)和融入。

3 獎勵制度

設(shè)計(jì)并開展實(shí)驗(yàn)對于本科生來說挑戰(zhàn)較大，為激勵學(xué)生積極參與設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、動手操作，并通過分析數(shù)據(jù)得出結(jié)論，進(jìn)行方法改良，采用小范圍的獎勵制度。獎勵表現(xiàn)最為優(yōu)秀的幾個小組不同額度的獎金或等值的物品，使學(xué)生多方面收獲學(xué)習(xí)的喜悅。同時，對學(xué)生實(shí)施獎勵機(jī)制是對學(xué)生努力成果的一種肯定，在一定程度上可以激勵學(xué)生學(xué)習(xí)的積極主動性。另外，可以刺激學(xué)生之間的良性競爭，促進(jìn)學(xué)生積極開展實(shí)驗(yàn)。

鼓勵學(xué)生積極參加食品安全相關(guān)的科研競賽，通過自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生在自信心、科研思維、實(shí)踐創(chuàng)新能力等方面都有提高，也為進(jìn)一步培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?、研究生階段學(xué)習(xí)、參加工作奠定夯實(shí)基礎(chǔ)。對參與相關(guān)競賽并取得優(yōu)異成績的學(xué)生給予一定的輔導(dǎo)費(fèi)或競賽報名費(fèi)用的支持，調(diào)動學(xué)生參加競賽的積極性，通過競賽項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和實(shí)際操作比拼進(jìn)一步培養(yǎng)和鍛煉學(xué)生的動手能力和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力。

4 推行方式

在“現(xiàn)代儀器分析”“食品理化分析原理與技術(shù)”和“食品分析實(shí)驗(yàn)”等課程設(shè)置基礎(chǔ)上，實(shí)施上述教學(xué)改革方案，推廣基于多種食品安全檢測方法對比的食品專業(yè)本科生科研訓(xùn)練模式，設(shè)計(jì)綜合性實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)本科生良好的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣和嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致、實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度，使其逐步具備科技人員應(yīng)有的高素質(zhì)。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中采取綜合考評的方式對學(xué)生的實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、學(xué)習(xí)態(tài)度、操作水平、團(tuán)隊(duì)協(xié)作和創(chuàng)新能力進(jìn)行評價，從學(xué)生的出勤率、小組PPT內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)操作過程、實(shí)驗(yàn)報告總結(jié)、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新性等環(huán)節(jié)進(jìn)行考核，考核內(nèi)容靈活多樣，利于激發(fā)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)課程的濃厚興趣。嚴(yán)把教學(xué)質(zhì)量關(guān)，不斷完善質(zhì)量保證體系，使學(xué)生的科研能力得到鍛煉，實(shí)現(xiàn)教學(xué)與科研互動的目的。

5 結(jié)語

食品安全檢測技術(shù)對于保證食品安全具有重要作用，“食品安全檢測實(shí)驗(yàn)”課程對食品專業(yè)人才培養(yǎng)的重要性不言而喻，因此教師應(yīng)當(dāng)在充分利用現(xiàn)有資源、調(diào)動學(xué)生的積極性和主動性開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的同時將最新研究成果運(yùn)用到實(shí)驗(yàn)教學(xué)當(dāng)中，培養(yǎng)學(xué)生的科研能力和創(chuàng)新能力。通過食品安全檢測相關(guān)實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)改革，有利于學(xué)生更加全面地掌握食品安全檢測技術(shù)的相關(guān)知識和最新應(yīng)用，促進(jìn)專業(yè)課程的建設(shè)，為進(jìn)一步打造“金課”奠定基礎(chǔ)。教學(xué)改革的方向是科學(xué)技術(shù)，科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展又推動了教學(xué)改革的加速，教學(xué)要適應(yīng)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，同時又促進(jìn)科研的發(fā)展[3]。食品安全檢測技術(shù)的不斷發(fā)展及教學(xué)模式的不斷改革，需要教師積極分析和反思現(xiàn)行教學(xué)模式的不足，并將先進(jìn)的教學(xué)理念和技術(shù)融入教學(xué)實(shí)踐中，提升實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)質(zhì)量，為食品安全檢測工作或研究培養(yǎng)高素質(zhì)人才。