食品物性中的實驗實踐教學、虛擬仿真教學方法探索*

劉海杰　樊秦　殷麗君　薛文通（中國農業大學 食品科學與營養工程學院，北京 100083）

食品物性中的實驗實踐教學、虛擬仿真教學方法探索*

劉海杰樊秦殷麗君薛文通
（中國農業大學 食品科學與營養工程學院，北京 100083）

食品物性學（Physical Properties of Foods）是食品科學與工程專業中一門重要的學科基礎課程，它經過近百年的發展過程，從食品流變（Rheology）到食品質構（Texture）再到食品光、電、熱等物性，目前已經發展成比較完整的課程體系。由于食品相關專業學生本科課程對物理等知識的基礎相對薄弱，對一些教學中的難點理解不透徹，急需對教學方法進行改革。根據學科最新發展態勢，加強啟發式教學及與實驗、科研實踐相結合的教學方式，并借助虛擬仿真技術，豐富和改進教學方法和手段，達到使學生對課程內容掌握、理解并融會貫通的目的。

食品物性學；教學方法；實驗實踐；虛擬仿真

一、概述

（一）食品物性學開設現狀

日本、韓國、美國、荷蘭等國家的食品科學與工程專業是世界上較早開設《食品物性學》課程的國家。我國2001年在青島召開的教育部高等學校食品科學與工程專業教學指導分委員會上，確定該課程為本專業本科的必修課程，在此之前，食品物性學僅在為數不多的幾所院校中作為研究生課程開設。截止目前，全國100多所開設食品工程相關專業的高等院校中，已有50多所院校開設《食品物性學》課程，可見近年來該門學科課程的發展之迅速。中國農業大學自1994年開設《食品物性學》研究生課程，是國內最早開設該門課程的高校。該門課程的開設，彌補了食品工程專業與物理相關知識不足的狀況，對提升研究生專業基礎知識、實驗研究技能等方面起到了很大的推動作用。

（二）食品物性學教材及專門學術期刊

關于食品物性學的教材，國際上影響力較大的教材有Rao和Rizvi于1986年編著出版了《Engineering properties of fo ods》一書，并分別于1995、2005年再版；Serpil Sahin等于2006年編著出版了《Physical Properties of Foods》，整合了許多最新的食品物性學研究進展。此外，還有一些有關食品流變學領域或者食品質構學領域的專著，如Borwankar和Shoemaker于1990年編著出版了《Rheology of Foods》，McKenna于2003年出版的《Texture in Food》，Rao和Anandha于2007年出版的《R heology of Fluid and Semisolid Foods:Principles and Applica tions》等。在國內，1998年李里特教授編著的《食品物性學》，由中國農業出版社出版，該書是我國第一本專門介紹食品物性學知識的專業書，2002年被教育部審定為研究生教學用書。2010年著者對《食品物性學》進行改編、刪節和添加，形成新版本科生用教材，并被列為普通高等教育“十一五”國家級規劃教材。其他有2005年李云飛等編著的《食品物性學》（2009再版），2006年屠康等編著的《食品物性學》，姜松、趙杰文等編著的高等教育“十三五”規劃教材《食品物性學》（2015年6月出版）。此外，1989年陳克復主編的《食品流變學及測量》，2010年張佳程主編的《食品質地學》，均為流變學和質地學領域的專著。

國際上關于食品物性學的專門學術期刊有Journal of Textu re Studies，此外在Journal of Food Science以及Journal of Food Engineering雜志中有Physical and Engineering Properties等關于食品物性學的專欄，但在國內尚無該領域專門的學術期刊。由此可見，國內單純關于食品物性研究的水平落后其他國家，尚需進一步提高。但從關于食品物性學的教學、教改論文數量來看，中國知網檢索的2008年以來關于食品物性學的教學論文有18篇，多數是探討教學方法，著重教學效果的提高，其中有1篇是關于“食品物性學全英語教學改革與實踐”。

二、食品物性學教改必要性

食品物性學中涉及的物理性質包括食品的力學性質（主要指流變學性質、質構學性質），以及食品的光學、熱學、電學性質。其中食品流變學性質和質構性質是食品物性學最基本、最重要的特性，在食品加工、評價、研究中必不可少，直接關系到食品的最終品質。因此，該兩部分內容的講授是全課程內容的重中之重。食品的流變學是研究物質在力作用下變形或流動的科學，具體指食品的化學成分、分子構造、結合狀態、組織構造在力的作用下的變化規律，基礎理論和流體力學非常接近。大多數食品為復雜的非牛頓流體，其流動狀態方程包括了應力、應變、流體速度、黏度等參數及它們之間的相關關系。在研究復雜黏彈體的流變學特性時，通常要建立相應的力學模型。黏彈性食品的力學模型，包括二要素、三要素、四要素、六要素以及多要素模型，模型和力學性質之間的對應關系，僅通過課程講述學生很難理解，因此通過實驗、實踐及虛擬仿真方法對食品物性學中的不僅是力學特性，也包括光、電、熱特性及關鍵原理進行設計、計算、分析并表達具有重要意義。

三、新教學方法探索

文章以食品流變學、質構學的實驗教學，食品電學性質的實踐教學，以及面團流變學的虛擬仿真教學為例，探索提高食品物性學教學效果和質量的新方法。

（一）開展食品流變學實驗教學探索

在食品流變學教學章節，針對非牛頓流體的五種形式：假塑性流體、脹塑性流體、塑性流體、觸變性流體、膠變性流體，選擇相應的食品如淀粉糊、番茄沙司、牛奶糖、米粥等針對上述特性分別施加力的作用觀察和記錄粘度特性的變化，使學生更好的理解各種特性流體的本質。在食品質地學課程部分，也開展實驗教學探索。選擇兩類不同特性的固體食品-延性斷裂和脆性斷裂的食品，以及半固態食品共10余種，收集關于這些食品的質地用語，和食品物性學課程中關于這些食品的特征用語相比較，讓學生學會正確使用食品質地用語，并將其恰當用于食品的感官評價中。此外，將這些食品在質構儀上進行測試，觀察和分析在力的作用下食品的質構指標變化和破斷曲線，將實驗內容與自己的科研訓練項目相結合。

（二）開展實踐教學方法探索

結合科研領域研究熱點，在食品的光學、熱學、電學部分，開展科研實踐案例教學環節。重點圍繞食品的電學特性，針對食品的通電加熱、脈沖電場、靜電場處理現象和效果，綜合闡述電作用下食品的物性指標變化，如，通電作用下水的移動速度加快，極化作用產生介電損耗，導致物料溫度變化；脈沖電場作用下，食品物料中的微生物細胞跨膜電位發生變化，產生電崩潰或擊穿，從而起到殺菌作用；高壓靜電場下水發生過冷卻現象，凍結溫度降低，肉類食品貯藏品質提高等。通過這樣的實際科研案例，有利于提升學生的總體科研領悟力和洞察力。

（三）開展虛擬仿真教學方法

虛擬仿真實驗教學依托虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫和網絡通訊等技術，構建高度仿真的虛擬實驗環境和實驗對象，學生在虛擬環境中開展實驗，達到教學大綱所要求的教學效果。根據教育部《教育信息化十年發展規劃（2011-2020年）》內容，2013年8月，教育部高等教育司提出開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作，并于同年公示了首批100所國家級虛擬仿真實驗教學中心入選名單，此次公示的虛擬仿真實驗教學中心中，教育部直屬高校50個，其他部委高校11個，軍隊院校3個，地方高校36個。截至目前，大部分高校已經建設完成虛擬仿真教學實驗室硬件及教學課件、軟件建設，并且在相關課程的教學中已投入使用。在食品物性學教學環節，有必要結合虛擬仿真教學方法，提高學生對食品流變性、質構性及其涉及到的彈性、黏性、黏彈性等物理特性的理解。例如，面團調制過程中，不同的原料特性、組成、以及和面機不同的操作參數，對面團流變性質影響均較大，因此可以在面條加工虛擬仿真腳本制作中，重點對描述和面過程。通過人機界面設置原料參數：包括面粉性質（面筋含量），水性質（溫度、pH、硬度等），輔料種類及比例（食鹽、堿、糖、油、乳化劑、調味劑和營養強化劑等）和面機類型、攪拌時間等。然后點擊運行按鈕，和面機開始攪拌。攪拌過程中，打開上蓋，觀察內部攪拌現象（加入實際圖片、實際視頻鏈接）。此外，開始攪拌后，界面顯示面水作用機理展示按鈕，由圖演示加水后，面團中的蛋白質和水相互作用形成面筋，隨著原料中加水量、鹽、糖、油脂等輔助原料加入比例不同，形成面筋的網絡結構不同，外觀表現為面團發軟或發硬，面團性能受到影響。將不同配比形成的面團進行流變學特性分析時，其粉質曲線參數也會發生相應的變化，如吸水率、面團形成時間、面團穩定度、面團衰落度等等。將實際應用過程進行模擬，配合機理展示，得出與面團流變性質的關聯，學生易于理解、掌握。

四、結束語

綜上所述，在食品物性學進行過程中，結合實驗、實踐、以及虛擬仿真教學手段，改變了以往單一多媒體教學方式，鍛煉學生動手、動腦以及查閱整理資料、分析解決問題的能力。重新凝練課程內容，加深學生對課堂內容的理解，加強教與學的互動，促進教師的有效引導和學生的自主學習有機結合，啟發學生的多元化創新性思維，提高教學質量，培養出創新型人才。

［1］李里特.食品物性學［M］.北京：中國農業出版社，2010.

［2］李云飛，殷涌光，徐樹來，等.食品物性學［M］.第2版援北京：中國輕工業出版社，2009.

［3］袁美蘭，趙利，蘇偉，等.高校食品科學與工程專業開設食品物性學的現狀和必要性［J］.現代農業科技，2010，23：36-37.

［4］姜松，趙杰文，食品物性學［M］.北京化學工業出版社，2015.

［5］教育部.教育信息化十年發展規劃（2011-2020年）［Z］.2012，3.

Physical Properties of Foods is a one of the crucial disciplinary basic courses in food science and engineering.From the study of rheology of food materials to texture profile of food materials，and then to optical，electrical，thermal and other food physical properties，it has developed into a fairly comprehensive curriculum sys原tem during nearly 100 years'development.As the undergraduates in the Food related major have a relatively weak basic knowledge in the field of physics，their understanding for the teaching difficulties is not thorough enough.So there is an urgent need for the teaching methods reformation.According to the latest discipline development trend，the heuristic teaching should be strengthened.The teaching means and methods should be enriched and improved，i.e.the combination of experiment and scientific practice with theory teaching，assisted by the virtual simulation technology.Thus enabling students to learn，understand，and digest the knowledge.

physical properties of foods；teaching means；scientific practice；virtual simulation technology

G642

A

2096-000X（2016）17-0081-02

中國農業大學校級教改項目（編號：2015-029）

劉海杰（1973-），女，吉林省永吉縣人，副教授，博士，主要從事食品科學與工程方向教學與研究工作。