基于理實一體化教學(xué)模式的“制糖工業(yè)分析”與“儀器分析”課程整合

陳 碧，王小明，張春艷

（廣西科技師范學(xué)院食品與生化工程學(xué)院，廣西來賓 546199）

“制糖工業(yè)分析”是食品科學(xué)與工程（制糖）專業(yè)一門重要的專業(yè)必修課程，其任務(wù)是研究制糖工業(yè)生產(chǎn)中含蔗糖較多的物料分析，一般是指原材料（甘蔗、甜菜等）、半制品、成品和副產(chǎn)品的主要成分及含量分析，及其生產(chǎn)工藝流程中工藝參數(shù)的測定。要求學(xué)生能夠按照制糖工業(yè)分析工作崗位要求，掌握常見項目分析方法的基本原理和基本操作技能，具備運用現(xiàn)代分析技術(shù)對制糖工業(yè)中原材料、半制品、成品和副產(chǎn)品和工藝流程進行全面質(zhì)量控制能力，準確理解生產(chǎn)進行情況，改進工藝過程和設(shè)備降低生產(chǎn)，提高產(chǎn)品的產(chǎn)量和品質(zhì)。現(xiàn)代儀器分析技術(shù)具有簡單、快速、無損、環(huán)保、重現(xiàn)性好和專屬性高等特點。為了實現(xiàn)制糖工業(yè)分析的實時分析、在線檢測、過程分析和遙感監(jiān)測，往往需要利用儀器分析技術(shù)進行分析，儀器分析技術(shù)逐漸成為制糖工業(yè)分析研究領(lǐng)域的主流技術(shù)和檢測手段，同時在科研方面，制糖工業(yè)分析也向現(xiàn)代儀器分析方面延伸。

“理實一體化”即“理論教學(xué)與實踐教學(xué)一體化”的簡稱，是一種理論知識講解和實踐技能訓(xùn)練并重的教學(xué)模式。基于此，將“儀器分析”這一“理”融入到“制糖工業(yè)分析”這一“實”中，整合為一門“理實一體化”課程進行教學(xué)，在學(xué)習(xí)經(jīng)典的制糖工業(yè)分析方法基礎(chǔ)上，通過延續(xù)性和對比性教學(xué)方法指導(dǎo)學(xué)習(xí)現(xiàn)代儀器分析技術(shù)分析，提高教學(xué)效率、加強知識前沿性和連貫性的學(xué)習(xí)、提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、專業(yè)素養(yǎng)和綜合應(yīng)用分析實踐能力，使學(xué)生能夠更快、更好地進入專業(yè)角色和社會崗位。

1 “制糖工業(yè)分析”課程教學(xué)現(xiàn)狀

目前，針對“制糖工業(yè)分析”可選教材版本較少，主要為20世紀80年代由華南工學(xué)院合編《制糖工業(yè)分析》和2016年杜國軍主編《現(xiàn)代甜菜制糖工業(yè)分析》2類教材。針對于甘蔗為原材料制糖相應(yīng)的教材未及時更新，課程內(nèi)容主要闡述的傳統(tǒng)的化學(xué)分析方法，多數(shù)分析時間較長、項目單一和試劑消耗量大、不利于快速分析、不便于實時在線檢測、不利于指導(dǎo)工藝流程的改進、不符合現(xiàn)代制糖工業(yè)分析的要求。另外，“制糖工業(yè)分析”課程內(nèi)容除了進行如水分、錘度、糖度、色值和還原糖分等常規(guī)項目的分析外，隨著食糖GB 13104—2014國家標準的實施，增加了污染限量和食品添加劑在食糖中的使用規(guī)定。其中，污染限量的檢測項目類型多，如農(nóng)藥殘留、重金屬殘留和放射性物質(zhì)等，而經(jīng)典分析方法難以滿足基質(zhì)復(fù)雜和食糖國家標準中眾多檢測項目的需求。

2 “制糖工業(yè)分析”與“儀器分析”課程整合步驟

（1）緒論內(nèi)容融合講授，介紹“制糖工業(yè)分析”的主要研究任務(wù)、范圍和特性，同時介紹儀器分析技術(shù)先進技術(shù)與方法特點及其應(yīng)用范圍，如旋光法測定不純糖液中蔗糖的含量往往不夠準確，為解決這一問題，不少國家和地區(qū)的研究者采用高效液相色譜法[1-2]、離子色譜法[3]、近紅外光譜法[4-6]測定原材料（甘蔗、甜菜等）、半制品、成品中的糖分，這些方析法分能夠得出真實、準確的蔗糖含量。通過對比、歸類和案例分析方法教學(xué)手段，激發(fā)學(xué)生求知欲和學(xué)習(xí)興趣，增強對課程內(nèi)容融入和整合的認同感。

（2）第一部分講授制“糖工業(yè)分析”基本知識，主要包括樣品的采集與處理、檢測項目特性與檢測方法和檢測儀器。重點介紹國際糖品法典標準（CAC） Codex Stan 212及其食糖國家安全標準GB 13104—2014的標準內(nèi)容，其中重點介紹知識點為不同分析項目所采用的樣品采集方法、前處理方式、標準的分析方法和相應(yīng)分析方法中所運用的現(xiàn)代儀器。

（3）第二部分針對不同分析項目和實例，在講授“制糖工業(yè)分析”常用經(jīng)典分析方法基礎(chǔ)，導(dǎo)入現(xiàn)代儀器分析方法其對應(yīng)分析項目的應(yīng)用，以原材料分析、制品檢驗、成品檢驗、水質(zhì)分析和污水處理為5類主線，引導(dǎo)學(xué)生了解各類主線分析項目種類、項目特點，根據(jù)各類主線中不同項目性質(zhì)結(jié)構(gòu)和分析原理選擇相應(yīng)的檢測儀器，培養(yǎng)學(xué)生綜合已有理論知識和現(xiàn)有儀器條件選擇簡單、快速、無損、環(huán)保檢測方法。

3 “制糖工業(yè)分析”與“儀器分析”課程整合存在的問題及解決方法

3.1 課程安排問題及教學(xué)方法的調(diào)整

“制糖工業(yè)分析”作為食品科學(xué)與工程（制糖）專業(yè)一門重要的專業(yè)必修課程，在開設(shè)該課程之前并未開設(shè)“儀器分析”課程，而“儀器分析”課程是一門綜合學(xué)科，其儀器分析的方法、原理及應(yīng)用廣泛且各個領(lǐng)域特點不盡相同，在較短的學(xué)時內(nèi)學(xué)生難以掌握相關(guān)領(lǐng)域的儀器分析的理論知識和操作方法，增加了教與學(xué)的難度。針對上述問題，在教學(xué)過程中采用以下方法來解決：①研讀食糖國家安全標準GB 13104—2014中檢測項目，并按照分析項目性質(zhì)特點進行分類并加以總結(jié)與歸納，使學(xué)生更快和更好地掌握其中的規(guī)律。例如，食糖中陰離子的測定，首先了解需要檢測的陰離子的種類，然后熟悉并詳細介紹每種離子經(jīng)典檢測方法及其經(jīng)典方法的優(yōu)缺點，最后延伸出現(xiàn)代儀器分析離子色譜儀在陰離子檢測的應(yīng)用，并對比學(xué)習(xí)方法來學(xué)習(xí)經(jīng)典方法與現(xiàn)代儀器分析方法各自的特點。②采用“理實一體化”教學(xué)模式，倡導(dǎo)“以學(xué)生為中心，以教師為主導(dǎo)，教、學(xué)、做一體化”。在介紹現(xiàn)代儀器的教學(xué)過程中，比如對于陰離子的檢測，要求學(xué)生分組課前預(yù)習(xí)，預(yù)習(xí)的內(nèi)容包括現(xiàn)代儀器分析中哪類儀器可用于檢測食糖中的陰離子、指導(dǎo)學(xué)生查閱國內(nèi)相關(guān)文獻和查閱相關(guān)資料，在查閱資料和文獻的基礎(chǔ)上要求學(xué)生理解并掌握這類儀器的檢測原理、結(jié)構(gòu)和定量分析和定性分析的依據(jù)。上課時，首先學(xué)生小組交流文獻查閱情況，形成小組意見；然后，小組之間進行討論和辯論，在這個過程中，教師起主導(dǎo)和引導(dǎo)作用；辯論結(jié)束后，教師總結(jié)反饋知識點，形成共識后再進行實際操作。實驗項目的選擇要基于工作的需求，即要“實”；實驗的技術(shù)要與儀器分析的基本理論有關(guān)，即有“理”，做到“理中有實，實中有理”。在教學(xué)過程中實行理論教學(xué)與實踐教學(xué)“雙管齊下”，在實驗操作過程中不斷強化學(xué)生操作技能，同時通過理論知識指導(dǎo)正確規(guī)范的實驗操作，從而提高課程理論教學(xué)的質(zhì)量與效率，有利于培養(yǎng)生產(chǎn)一線需要的高素質(zhì)、創(chuàng)新性技能型人才。③課后注意教學(xué)反饋，對理論上課討論情況和實驗操作情況進行總結(jié)并書寫成書面材料，根據(jù)學(xué)生的反饋意見整理教學(xué)內(nèi)容、改進教學(xué)方法和完善教學(xué)模式，為下次課程教學(xué)提供方向和經(jīng)驗。④介紹制糖工業(yè)分析技術(shù)的發(fā)展趨勢并滲透前沿學(xué)科信息，帶入學(xué)生積極主動地關(guān)注實時動態(tài)和市場需求。

3.2 理論教學(xué)和實驗教學(xué)問題及解決方法

在“制糖工業(yè)分析”實驗教學(xué)中，分析項目眾多而且每一種項目下又有多種分析方法。例如，還原糖分的測定就有4種測定方法，在實驗教學(xué)中由于時間關(guān)系不可能將每種實驗方法進行操作，因此如何開設(shè)實驗也是一個關(guān)鍵性問題。針對上述問題，在教學(xué)過程中采用以下方法來解決：選擇經(jīng)典實驗開設(shè)，如還原糖的測定開設(shè)實驗為經(jīng)典蘭－艾農(nóng)法，此方法基于費林試劑與還原糖發(fā)生氧化還原反應(yīng)，由于此法的化學(xué)反應(yīng)及顯色機理比較復(fù)雜，同時反應(yīng)終點受空氣中氧氣干擾，另外此實驗操作時間偏長和需要配制試劑種類多且復(fù)雜，分析人員必須嚴格控制分析條件才能獲得準確和可靠的測定結(jié)果，學(xué)生在實驗操作過程容易出現(xiàn)不同的問題，讓學(xué)生圍繞實驗出現(xiàn)問題通過查閱資料和相關(guān)文獻尋找解決方案，這種“問題教學(xué)方法（Problem-Based Learning，PBL）”培養(yǎng)了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力，提高學(xué)生在教學(xué)過程中的參與度，容易激起學(xué)生的求知欲和探索欲[8]。解決實驗過程中配制糖液滴定體積的影響，可采用蘭－艾農(nóng)恒容法；解決實驗過程中反應(yīng)終點顏色判定誤差，從而提高分析結(jié)果的準確度，可采用分光光度法；解決實驗過程中試劑配制和多組分不能同時分析的問題，可采用高效液相色譜法[2]和離子色譜法[9]。在介紹各種分析方法過程中采用對比教學(xué)方法歸納總結(jié)各種方法的優(yōu)缺點。

問題教學(xué)方法（PBL） 基本流程見圖1。

圖1 問題教學(xué)方法（PBL）基本流程

“制糖工業(yè)分析”課程知識的自身的特殊性，在實際分析工作需要用的儀器種類較多，由于學(xué)校經(jīng)濟條件限制部分儀器不能做到每個學(xué)生一臺，特別是許多大型現(xiàn)代分析儀器設(shè)備。基于此種情況，充分利用在線仿真教學(xué)平臺，進行仿真實驗操作與測試。以原子吸收光譜法測定白砂糖中銅含量為例，在課堂教學(xué)中采用多媒體課件進行理論教學(xué)，在學(xué)生掌握原子吸收光譜儀的基本理論基礎(chǔ)上播放約15 min的原子吸收光譜儀的使用視頻，教師講解原子吸收光譜儀的注意事項，學(xué)生每人一臺電腦，結(jié)合理論教學(xué)內(nèi)容和使用視頻進行仿真模擬實驗，學(xué)生查看模擬評分并針對評分中薄弱環(huán)節(jié)進行針對性的反復(fù)練習(xí)，教師對學(xué)生模擬操作進行評估并進行提問，仿真實驗各子項目操作合格才能進行原子吸收儀器上機操作，增強學(xué)生的積極性、提高學(xué)習(xí)效果和軟件操作能力。

3.3 教師專業(yè)素質(zhì)和綜合應(yīng)用能力要求不斷提高

“制糖工業(yè)分析”與“儀器分析”課程的整合，打破了2門獨立課程的界限，這就要求教師不僅具備扎實的“制糖工業(yè)分析”理論知識、較強的實踐和分析檢測能力，且要求其能具有精深的現(xiàn)代儀器分析專業(yè)知識、精通多種現(xiàn)有儀器操作，并對同一個分析項目或同一類分析項目經(jīng)典分析方法和現(xiàn)代分析方法了然于胸，對各種分析項目和方法能夠做到融會貫通。一般情況下，從事食品科學(xué)與工程中制糖方向工作的教師對現(xiàn)代儀器分析技術(shù)了解不夠深入，而從事現(xiàn)代儀器分析檢測工作的教師對制糖工業(yè)流程和分析技術(shù)了解較少，缺乏綜合知識和教學(xué)經(jīng)驗。基于上述情況，首先教師進糖廠，了解糖廠制糖過程中分析的項目、流程，確保教師具有熟練的實踐操作能力；其次，不同專業(yè)的教師相互學(xué)習(xí)交流、查閱文獻和關(guān)注國際或國家標準學(xué)術(shù)研究，在現(xiàn)有的硬件和軟件基礎(chǔ)上，通過自己的開發(fā)研究去補充教學(xué)資源；最后，教師不能局限于獨立學(xué)科的教學(xué)，要樹立整體觀念、統(tǒng)籌兼顧和全局貫通的思想。

4 “制糖工業(yè)分析”與“儀器分析”課程整合的優(yōu)勢與成效

將“制糖工業(yè)分析”與“儀器分析”課程按模塊化進行整合，可以使用于模塊知識點教學(xué)的課時更加充分，有利于學(xué)生得到充分的鍛煉和訓(xùn)練。其次，2門課程整合進行教學(xué)，使儀器分析技術(shù)與制糖工業(yè)分析實際緊密結(jié)合，理實一體，有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也使學(xué)生的知識更有條理性和系統(tǒng)性。最后，“制糖工業(yè)分析”與“儀器分析”整合后的教學(xué)方法遵循理實一體化的教學(xué)理念，有利于學(xué)生社會能力和方法能力的培養(yǎng)。在教學(xué)過程中，以學(xué)生為主體，遇到問題，學(xué)生自主查閱資料，進行信息搜集和加工處理；信息收集好后，小組成員和小組之間的交流和討論，可以培養(yǎng)學(xué)生的語言表達、邏輯推理和總結(jié)歸納的能力；實驗過程中，小組成員互相配合，協(xié)作完成實驗任務(wù)，可以培養(yǎng)學(xué)生團隊精神；實驗結(jié)束后，學(xué)生要對實驗中存在的不足和成功之處進行自我反思、自我評估。總之，“制糖工業(yè)分析”與“儀器分析”整合教學(xué)后，學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣、積極性和主動性明顯提高，成就感和自我認同感強，方法能力和社會能力明顯提升，這對培養(yǎng)身心健康、高素質(zhì)的應(yīng)用型人才有重要意義。

5 結(jié)語

總之，“制糖工業(yè)分析”課程與“儀器分析”課程整合，按照實際社會需求重組了教學(xué)內(nèi)容，體現(xiàn)了知識的連通性、交叉性和綜合性，在充分掌握經(jīng)典的分析方法基礎(chǔ)上了解先進分析技術(shù)，從而通過對比學(xué)習(xí)并掌握現(xiàn)代先進分析技術(shù)，節(jié)省教學(xué)時間和教學(xué)資源。教師也不再局限于獨立學(xué)科的教學(xué)，樹立了整體觀念、統(tǒng)籌兼顧和全局貫通思想，同時在“制糖工業(yè)分析”課程教學(xué)過程打破理論知識與實踐操作相分離的傳統(tǒng)教學(xué)模式，在教學(xué)過程中實行理論教學(xué)與實踐教學(xué)“雙管齊下”和實行理實一體化，在實驗操作過程中不斷強化學(xué)生操作技能和加強理論知識運用，通過理論知識指導(dǎo)正確規(guī)范的實驗操作，從而提高課程理論教學(xué)的質(zhì)量與效率，有利于培養(yǎng)生產(chǎn)一線需要的高素質(zhì)、創(chuàng)新性技能型人才。