結合“蛋白工藝學”的專業課堂學習效果提升的探究

陳敏，吳昊，徐興鳳，孫慶杰

青島農業大學食品科學與工程學院（青島 266109）

2021年聯合國教科文組織發布的題為“學會融入世界：為了未來生存的教育”的報告，提出世界高等教育2050遠景發展目標規劃。針對人類高等教育程度與地球生態發展之間的不平衡，報告明確指出未來高等教育亟須“重構教育和人文主義之間的關系”，提倡秉持生態意識和生態觀念開展教育活動[1-2]。21世紀構建人類命運共同體和推進高等教育國際化的新時代背景，要求我國更加重視人類和地球的可持續發展，不僅要建立全民終身學習的現代教育體系，更要重視高等教育的生態意識和可持續發展觀培養，推進基礎學科拔尖創新人才和卓越引領型工程師的培養。未來頂級創新人才的核心能力包括問題發現，分析和解決的快速行動能力，創造能力，及跨領域、跨學科的合作協同能力[3]。因此，要求高等教育機構結合國家發展戰略與社會需求，以學生為中心，不斷激發創新教育理念，加強專業教育與人文融合以及多學科交叉培養，持續改進教育教學質量。食品科學技術是為滿足社會對可持續食品質量、安全和保障的需求而誕生的一門學科，跨越化學、生物學、物理學、數學和統計學等多種基礎科學學科，衍生出食品化學、食品分析、食品生物化學、食品生物技術、食品微生物、食品物理、食品加工、食品工程原理、食品機械設計、食品包裝、食品營養、食品感官和食品質量與安全、食品企業管理、食品市場營銷和食品新產品開發等課程要素[4]。因此，食品科學技術具有強烈的多學科交叉融合特點，但與基礎科學學科相比，其局限性在于專業研習深度不夠。專業課堂學習占本科教學量的2/3，因此，提升專業課堂學習效果對提高學生的專業水平至關重要。結合“蛋白工藝學”課堂教學，就如何提升專業課堂學習效果提出幾點思考。

1 專業教學實踐和學生能力培養面臨的挑戰和瓶頸

專業教學實踐和學生能力培養普遍面臨的主要挑戰和瓶頸包括：（1）學習共同體對學生學習的整體效應值偏低，尤其是對認知層面學習效果的促進作用不大，教師沒能充分將自身學習效果轉化為教學效果[5]；（2）學生專業課堂學習的積極性不高，參與度不夠，知識遷移能力有待加強，學生不能學以致用[6]；（3）我國大學生學習的主觀依賴性較強，存在很大思維惰性，問題意識不強，發現和提出問題的能力有待加強，批判性思維能力不夠，創新意識不強，想象力和創造力不夠[7]。針對以上現狀，專業教師應秉持生態意識和可持續發展觀開展專業教學，注重教學內容的多學科交叉融合，在把握專業學習深度的同時，又能夠從自身角度轉換為學生角度，把教學設計轉變為學習設計[8]，形成師生學習共同體，重視從認知層面促進學生專業課堂學習，提高學生的學習動機和學習參與度，減少學習孤獨感，有意識地訓練學生的問題意識、創新意識和批判性思維能力。

2 關于提升專業課堂學習效果的措施做法

針對當前現狀和存在問題，結合“蛋白工藝學”教學實踐，從提高學習動機，強化生態意識，培養工程意識和問題意識，提高批判性思維能力和解決問題的能力，以及培養創造力和設計思維等方面，提出提升學生的專業課堂學習效果的措施做法。

2.1 提高學生的學習動機，強化生態意識

在“蛋白工藝學”這門課學習的起點，通過讓學生自我發問的形式，引導學生深刻認識、理解專業課的學習目的和重要性，例如從“我為什么要學習‘蛋白工藝學’這門課？”開始，通過多角度逐級發問，給出“Why”的具體內涵和答案。表1呈現部分用于引導學生理解專業課學習目的和重要性的相關問題形式，通過回答這些問題，有助于引導學生在上課初期建立自我和“蛋白工藝學”這門課之間的連接，幫助學生整理并形成對蛋白加工的初步認知，同時訓練自我認知能力，挖掘自發學習精神。其中，問題1，3，12和13使學生從自我認知的角度認識什么是“蛋白工藝學”，問題4～6和9～11使學生從社會認知的角度認識什么是“蛋白工藝學”，能夠反映學生對周圍環境和社會的關注度和敏感度。問題7和8從自然科學認知的角度測量學生對“蛋白工藝學”的認識水平。其中，引導學生認識和分析問題9“蛋白資源的生產加工與農業生產、生態環境和人類社會發展的關系”對于提高學生的學習動機至關重要。蛋白質對人類生命健康的重要性毋庸置疑，人類主要通過植物（糧油作物）和動物（畜禽蛋奶）獲取蛋白食物資源，依賴農業發展，而農業發展需要消耗大量自然資源和人類社會資源，同時農作物、牲畜和人類的呼吸作用、農業生產加工以及其他人類活動產生大量溫室氣體，破壞生態平衡。由此，使學生對“蛋白生產加工”“農業生產”“生態環境”“人類社會發展”之間相互依賴和相互影響的關系形成第一層認識。應對目前世界人口急劇增長的趨勢，必然要通過擴大農業生產來獲取更多蛋白資源，這將導致自然資源消耗和環境惡化加劇，自然災害頻發，糧食減產，食物不足，人和牲畜的數量下降，不利于生態環境和人類社會的可持續發展，結合世界未來發展趨勢，使學生充分認識到人類社會規模擴大對生態環境的影響及其帶來的惡性循環。又因為不同蛋白資源的生產規模、產量和供需情況在世界范圍存在較大地域差異，且每一種蛋白資源的獲取、生產和加工所需水用量、土地用量、光照情況、電熱和人力資源消耗量顯著不同，能量轉化率和生物利用率不同，溫室氣體釋放量也存在較大差別[9]，進而使學生意識到不同蛋白資源的生產加工對“農業生產”“生態環境”“人類社會發展”的影響。如乳制品和肉制品的生產占食品生產溫室氣體總排放量的50%，占全球溫室氣體排放總量的18%[10-11]。相比而言，植物蛋白資源生產加工效率高，對環境破壞作用小。因此，優化生產方式，提高生產效率，重視植物蛋白資源和新型蛋白資源（昆蟲蛋白、微藻蛋白）的開發利用，使農業、生態保持可持續發展，進而促進人類社會的可持續發展具有重要意義，從而強化學生的生態意識和可持續發展觀，培養其社會責任感和使命感，使學生對“蛋白工藝學”這門課的學習目的和意義有更具體、更充分的認識和理解，提高學習動機。繼而，通過問題2和8，引導學生建立對“蛋白工藝學”這門課學習內容的認知框架，使學生能夠系統地學習多種蛋白資源的化學組成、加工工藝和產品特性。

表1 引導學生理解“蛋白工藝學”專業課學習目的和重要性的相關問題形式

2.2 培養學生的工程意識和問題意識

蛋白工藝學是以化學、物理、機械工程和生物工程學為基礎，研究蛋白初加工及精深加工與轉化過程中的基本原理、工藝及產品質量的科學，屬于應用基礎研究，旨在培養學生解決蛋白加工工程問題的能力。對于本科專業教育，引導學生鑒別什么是“有用的知識”和培養學生的工程意識、問題意識至關重要，即從實踐中來，回到實踐中去[12]。要求學生能夠基于工程問題提煉具有學術價值和應用價值的科學問題[3]，通過科學發現和技術創新解決貼近實踐的工程問題。因此，在“蛋白工藝學”學習過程中，需要讓學生充分理解蛋白加工產業的復雜性、多維性、生態性和融合共生性等發展特性。如通過微藻養殖和發酵開發微藻蛋白，綜合考慮微藻的種類、營養方式、生長條件、培養系統、生產規模、蛋白提取加工工藝、蛋白提取率、微藻蛋白的功能特性、產品品質、應用價值和經濟效益等。確定微藻蛋白開發基本方案以后，需要綜合衡量工廠選址和微藻蛋白生產加工成本，包括用地、用水、機械設備、能源消耗、技術更新、人力管理、產品流通、副產物利用和廢棄物處理等，體現蛋白加工的復雜性。美國TerraVia在巴西建立大規模的微藻發酵工廠，利用當地甘蔗大規模種植優勢，以及玉米秸稈、干草和森林腐殖質等農業廢棄物作為有機碳源，進行微藻異養發酵，生產微藻蛋白、藻油、微藻制品等多種高附加值產品，應用于食品、動物營養和化妝品等領域，充分體現蛋白加工的多維性、生態性和融合共生性。另外，哺乳動物乳汁中的功能組分骨橋蛋白的含量較低，傳統提取方法成本高且得率低，美國Triton公司采用微藻異養發酵法有效富集骨橋蛋白，通過技術革新、挖掘生產關鍵控制點和優化發酵工藝參數，大幅提高骨橋蛋白的產量，顯著降低生產成本，同時改善骨橋蛋白品質。發酵罐不受地域限制，占地面積小，適于大規模生產，系統集成度和參數監控度較高，充分體現其成本和效率優勢。通過以上案例，使學生深刻理解蛋白加工的產業特性，培養學生的工程意識，比如整體與局部意識、成本與效率意識和問題與改革意識等。此外，工業數字化的飛速發展要求學生同時具備工作簡化與標準化意識、自動化與智能化意識，以及較強的數字技術思維能力。

2.3 提高學生的批判性思維能力

批判性思維的內涵仍存在爭議，其中巴內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為，分別指向知識、自我和世界，既包括認知又包括實踐，既體現個人維度又體現社會維度。個人維度批判性思維的內涵包括批判性推理和批判性反思，社會維度批判性思維的內涵主要是批判性行為，即批判性地參與社區和社會實踐的能力。高等教育主要強調批判性推理的訓練，而大多忽視批判性反思和批判性行為的培養[13]。批判性思維能力的一個重要方面是學生分析和解決問題的快速行動能力，因此，怎樣使教學內容快速轉化為學生的“有用的知識”是專業教學的關鍵。“蛋白工藝學”是研究蛋白初加工及精深加工與轉化過程中的基本原理、工藝及產品質量的科學，實質上是探索蛋白原料、加工技術工藝和產品質量之間的相互關系，具體可以體現在5個方面：（1）蛋白資源的結構信息（氨基酸種類和序列、蛋白的二級、三級和四級結構）、蛋白構象形成和穩定機制（氫鍵、范德華力、疏水作用、二硫鍵、離子鍵和配位鍵），以及外界理化因素對蛋白構象穩定性的影響機制；（2）加工技術的基本原理、適用條件和工藝操作要點；（3）加工工藝、技術參數和外界條件對蛋白原料品質（組成結構、理化穩定性、加工特性、感官特性和營養品質等）的影響規律；（4）原料品質、加工工藝、技術參數和外界條件對產品品質（組成結構、理化穩定性、加工特性、感官特性和營養品質等）的影響規律；（5）加工工藝、技術參數和外界條件對原料或產品中蛋白組分之間、蛋白-非蛋白組分之間，以及非蛋白組分之間相互作用的影響機理，適用于任何一種蛋白資源的生產加工。在專業課堂學習中，學習有深度的專業技術知識，分析不同學習內容的共性和特性，發現不同問題之間的關聯性，形成系統性學習方法，能夠有效提高學生的分析推理和知識遷移能力，同時促進學生能力在學校和社會中的通用性和可遷移性。在訓練批判性推理的同時，培養學生的自我反思意識和自我反思能力，使其更多地了解思維方式所嵌入的人文背景，從而使學生對自己的思維方式更加敏感[13]，能夠促進其獨立理性思考，并不斷修正和提高自我認知水平，激發學習動力，更好地指導學生自身批判性地參與社區和社會實踐。具體什么是“批判性地參與社會實踐？”，一個成功案例是中國傳統發酵食品產業的技術轉型升級。我國傳統發酵食品風味獨特，但大多采用傳統固態發酵方式，周期較長，企業只有進行轉型升級，提高市場競爭力，才能應對日益增長的能源、人力等加工成本和激烈的全球化競爭局勢。海天味業有限公司通過引入激光直接成型（LDS）、學習管理系統（LMS）、生產管理系統（MES）、企業資源計劃（ERP）、智能立體倉庫、機器人碼垛系統和極速灌裝系統等，在發酵、釀造、灌裝、倉儲等醬油和發酵醬生產環節都基本實現了自動化，部分生產環節實現了數字化制造[14]，以適應工業4.0生產全過程數字化、網絡化和智能化的標準。與之相對，大學生的盲目創業成為批判性參與社會實踐的典型反面事例。2021年，美國科技市場研究公司CBINSIGHTS通過分析110家以上創業公司創業失敗案例總結12條企業創業失敗的主要原因，包括現金短缺/無法獲得新融資、沒有市場需求、競爭力不足、商業模式存在缺陷、管理/法律風險高、價格/成本問題、團隊不行、產品質量較差、團隊和投資者之間不和諧、創業核心偏離軌道，以及潛力不足/缺乏熱情[15]，以上均是因考慮不全面、判斷不準確或決策不正確而導致在實踐過程中缺乏批判性的后果。有相當一部分學生缺乏批判性地參與社區和社會實踐的能力，主要源于對社會不敏感，缺乏自發的人文關懷精神，對社會生產、生活實際需求不了解，對自身知識和技能的作用認識不清晰，以及存在惰性思維和缺乏快速行動能力。在“蛋白工藝學”學習過程中，增加學生對蛋白加工產業鏈構成要素及其相互關系的認識，能夠使學生更好地了解貫穿產業鏈的供給和需求關系，更加準確地在產業和社會當中定位自身價值，增強社會責任感，有效結合自身所學付諸實踐，解決社會生產、生活中的實際問題。

2.4 通過多學科交叉融合，提高學生解決問題的能力

在社會生產生活實踐中遇到的問題大多錯綜復雜，僅通過某一學科所學知識對實際問題的認識往往片面孤立，不能科學、綜合地分析和解決問題。因此，通過多學科交叉融合才能真正提高學生解決實際問題的能力。以蛋白加工為例，如“在食品加工過程中應該怎樣保護熱敏性活性成分？”，提高熱敏性成分的保留率，應避免使用熱加工技術，尤其是高溫加工技術，如熱殺菌技術、加熱濃縮和噴霧干燥等。根據實際生產工藝條件和需求，可以選擇性地采用低溫加工技術進行粉碎、分離、提取、殺菌、濃縮和干燥，如熱敏性物料的粉碎可以采用氣流式超微粉碎和冷凍粉碎技術，氣流式超微粉碎利用高速噴射氣流對物料顆粒進行剪切沖擊，壓縮空氣膨脹會吸收能量，產生制冷作用，造成較低溫度，因此適合熱敏性物料的粉碎。超臨界流體萃取或超濾膜分離技術可用于熱敏性成分的分離提取。超臨界流體萃取是利用超臨界流體的高溶解性、流動性、擴散性和滲透性進行萃取，可以采用臨界點溫度較低的流體對熱敏性物料進行分離提取。而超濾膜分離技術以壓力差為推動力，通過具有一定大小和形狀微細孔的超濾膜對物料進行分離，因此適合熱敏性成分的提取。超高壓殺菌和高壓電場低溫等離子體殺菌技術分別利用的是超高壓和低溫等離子體對微生物的致死作用。高壓通過破壞微生物的形態結構、生化反應、基因機制和細胞膜結構，從而使其生理活動機能產生不可逆變化。而低溫等離子體通過蝕刻作用、細胞膜穿孔與靜電干擾、大分子氧化對微生物進行冷殺菌。此外，熱敏性物料的濃縮和干燥可以采用低溫真空濃縮、冷凍濃縮和真空冷凍干燥等技術。食品低溫加工高新技術最初并不是誕生于食品加工領域，而是通過多學科交叉融合才應用于食品加工，涉及流體力學、電磁學和熱力學等多學科概念原理和思路方法[16]。在“蛋白工藝學”這門課當中，學習現代食品加工高新技術的發展歷程、基本原理、適用條件及其在食品加工中的應用，使學生在獲得有深度的技術知識的同時，養成從多學科交叉融合角度去分析和解決問題的思維方式，從而拓展學生自發學習的維度和深度，通過知識交叉融合科學地解決實際生產生活問題。

2.5 培養學生的創造力和設計思維

頂級科技創新人才和卓越引領型工程師的培養都強調學生的創造能力。教育進展國際評估組織調查研究顯示，中國學生的計算能力世界排名靠前，而想象力和創造力世界排名倒數[7]。創造力是運用想象力去創造設想目標中事物的形象，并不斷地把注意力集中在這個思想或畫面上，基于直覺和靈感，通過批判性思維進行論證和實踐，并最終成為客觀現實的能力。愛因斯坦曾說過“想象力比知識更重要”，想象力連接人的感性和知性，具有創造性想象力，才有可能進行創新。對世界充滿好奇心及敏銳的洞察力是豐富和發揮想象力的前提，中科院院士嚴加安認為創造性想象力離不開直覺和靈感。靈感多來自于對某一問題的全神灌注的長期思考，往往產生于不經意間或意識朦朧之中（比如冥想）。因此，高等教育應充分尊重學生的個性自由，鼓勵積極探索，使學生養成熱愛思考、大膽質疑、靈活想象、勤于實踐和不怕失敗的行為習慣和批判性思維習慣，從而提高學生的創造力。在食品專業教育中，培養學生的設計思維意識，有助于學生在學習過程中由被動接受轉為主動學習，能夠自主地思考和提出問題，從而設定目標，分析和解決問題。比如蛋白加工涉及多種需要解決的實際工程問題，包括改善產品品質，提高生產效率，降低能源消耗，節約生產成本，減少環境污染，增加經濟效益，提高生產機械化、自動化和智能化水平等。著眼貫穿蛋白加工產業鏈的供給和需求關系，產業的創新發展主要依靠品牌/品類、工藝技術和模式理念的創新，而創新過程充分體現了設計思維的重要性。通過設計進行創新的具體方向包括食品新產品開發（品類、品牌和產品配方設計）、食品加工工藝開發（工廠、生產車間和生產線工藝流程設計，技術、機械和包裝設計，軟件、系統和模型設計，以及生產工藝參數優化等）、食品加工企業商業模式開發（生產模式、管理模式、營銷模式等）和食品生產、生活理念開發（健康理念、消費理念、極簡理念、素食理念、慢生活理念等）等，如湯臣倍健的“Yep系列”蛋白營養纖維奶昔固體飲料品牌創新，“德州扒雞”老字號品牌的數字化升級，利和味道圍繞“中國花椒味道與文化”的調理食品全產業鏈多元主體協同共生、可持續商業模式創新，以及一盞本白即食燕窩的“平民燕窩”理念創新等。在食品研究領域，引導學生明確設計創新的具體方向和目標，更容易使其轉化為客觀現實。

3 結語

作為專業教師，應通過構建師生學習共同體，豐富專業教育的內涵，將高等教育遠景規劃綱領和頂級創新人才培養教育新理念切實落實到專業教學實踐中，在專業教學課堂上無時無刻不致力于提高學生的學習動機、生態意識、工程意識和問題意識，增強學生的批判性思維和解決復雜問題的能力，培養學生的設計思維和創造力，以促進學生養成自發學習、自我反思和批判性地參與社會實踐的能力，從而踐行終生學習的教育理念，使個人的可持續發展融入社會和自然的可持續發展中。