食品物性中的实验实践教学、虚拟仿真教学方法探索*

刘海杰　樊秦　殷丽君　薛文通（中国农业大学 食品科学与营养工程学院，北京 100083）

食品物性中的实验实践教学、虚拟仿真教学方法探索*

刘海杰樊秦殷丽君薛文通
（中国农业大学 食品科学与营养工程学院，北京 100083）

食品物性学（Physical Properties of Foods）是食品科学与工程专业中一门重要的学科基础课程，它经过近百年的发展过程，从食品流变（Rheology）到食品质构（Texture）再到食品光、电、热等物性，目前已经发展成比较完整的课程体系。由于食品相关专业学生本科课程对物理等知识的基础相对薄弱，对一些教学中的难点理解不透彻，急需对教学方法进行改革。根据学科最新发展态势，加强启发式教学及与实验、科研实践相结合的教学方式，并借助虚拟仿真技术，丰富和改进教学方法和手段，达到使学生对课程内容掌握、理解并融会贯通的目的。

食品物性学；教学方法；实验实践；虚拟仿真

一、概述

（一）食品物性学开设现状

日本、韩国、美国、荷兰等国家的食品科学与工程专业是世界上较早开设《食品物性学》课程的国家。我国2001年在青岛召开的教育部高等学校食品科学与工程专业教学指导分委员会上，确定该课程为本专业本科的必修课程，在此之前，食品物性学仅在为数不多的几所院校中作为研究生课程开设。截止目前，全国100多所开设食品工程相关专业的高等院校中，已有50多所院校开设《食品物性学》课程，可见近年来该门学科课程的发展之迅速。中国农业大学自1994年开设《食品物性学》研究生课程，是国内最早开设该门课程的高校。该门课程的开设，弥补了食品工程专业与物理相关知识不足的状况，对提升研究生专业基础知识、实验研究技能等方面起到了很大的推动作用。

（二）食品物性学教材及专门学术期刊

关于食品物性学的教材，国际上影响力较大的教材有Rao和Rizvi于1986年编著出版了《Engineering properties of fo ods》一书，并分别于1995、2005年再版；Serpil Sahin等于2006年编著出版了《Physical Properties of Foods》，整合了许多最新的食品物性学研究进展。此外，还有一些有关食品流变学领域或者食品质构学领域的专著，如Borwankar和Shoemaker于1990年编著出版了《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。在国内，1998年李里特教授编著的《食品物性学》，由中国农业出版社出版，该书是我国第一本专门介绍食品物性学知识的专业书，2002年被教育部审定为研究生教学用书。2010年著者对《食品物性学》进行改编、删节和添加，形成新版本科生用教材，并被列为普通高等教育“十一五”国家级规划教材。其他有2005年李云飞等编著的《食品物性学》（2009再版），2006年屠康等编著的《食品物性学》，姜松、赵杰文等编著的高等教育“十三五”规划教材《食品物性学》（2015年6月出版）。此外，1989年陈克复主编的《食品流变学及测量》，2010年张佳程主编的《食品质地学》，均为流变学和质地学领域的专著。

国际上关于食品物性学的专门学术期刊有Journal of Textu re Studies，此外在Journal of Food Science以及Journal of Food Engineering杂志中有Physical and Engineering Properties等关于食品物性学的专栏，但在国内尚无该领域专门的学术期刊。由此可见，国内单纯关于食品物性研究的水平落后其他国家，尚需进一步提高。但从关于食品物性学的教学、教改论文数量来看，中国知网检索的2008年以来关于食品物性学的教学论文有18篇，多数是探讨教学方法，着重教学效果的提高，其中有1篇是关于“食品物性学全英语教学改革与实践”。

二、食品物性学教改必要性

食品物性学中涉及的物理性质包括食品的力学性质（主要指流变学性质、质构学性质），以及食品的光学、热学、电学性质。其中食品流变学性质和质构性质是食品物性学最基本、最重要的特性，在食品加工、评价、研究中必不可少，直接关系到食品的最终品质。因此，该两部分内容的讲授是全课程内容的重中之重。食品的流变学是研究物质在力作用下变形或流动的科学，具体指食品的化学成分、分子构造、结合状态、组织构造在力的作用下的变化规律，基础理论和流体力学非常接近。大多数食品为复杂的非牛顿流体，其流动状态方程包括了应力、应变、流体速度、黏度等参数及它们之间的相关关系。在研究复杂黏弹体的流变学特性时，通常要建立相应的力学模型。黏弹性食品的力学模型，包括二要素、三要素、四要素、六要素以及多要素模型，模型和力学性质之间的对应关系，仅通过课程讲述学生很难理解，因此通过实验、实践及虚拟仿真方法对食品物性学中的不仅是力学特性，也包括光、电、热特性及关键原理进行设计、计算、分析并表达具有重要意义。

三、新教学方法探索

文章以食品流变学、质构学的实验教学，食品电学性质的实践教学，以及面团流变学的虚拟仿真教学为例，探索提高食品物性学教学效果和质量的新方法。

（一）开展食品流变学实验教学探索

在食品流变学教学章节，针对非牛顿流体的五种形式：假塑性流体、胀塑性流体、塑性流体、触变性流体、胶变性流体，选择相应的食品如淀粉糊、番茄沙司、牛奶糖、米粥等针对上述特性分别施加力的作用观察和记录粘度特性的变化，使学生更好的理解各种特性流体的本质。在食品质地学课程部分，也开展实验教学探索。选择两类不同特性的固体食品-延性断裂和脆性断裂的食品，以及半固态食品共10余种，收集关于这些食品的质地用语，和食品物性学课程中关于这些食品的特征用语相比较，让学生学会正确使用食品质地用语，并将其恰当用于食品的感官评价中。此外，将这些食品在质构仪上进行测试，观察和分析在力的作用下食品的质构指标变化和破断曲线，将实验内容与自己的科研训练项目相结合。

（二）开展实践教学方法探索

结合科研领域研究热点，在食品的光学、热学、电学部分，开展科研实践案例教学环节。重点围绕食品的电学特性，针对食品的通电加热、脉冲电场、静电场处理现象和效果，综合阐述电作用下食品的物性指标变化，如，通电作用下水的移动速度加快，极化作用产生介电损耗，导致物料温度变化；脉冲电场作用下，食品物料中的微生物细胞跨膜电位发生变化，产生电崩溃或击穿，从而起到杀菌作用；高压静电场下水发生过冷却现象，冻结温度降低，肉类食品贮藏品质提高等。通过这样的实际科研案例，有利于提升学生的总体科研领悟力和洞察力。

（三）开展虚拟仿真教学方法

虚拟仿真实验教学依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通讯等技术，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，学生在虚拟环境中开展实验，达到教学大纲所要求的教学效果。根据教育部《教育信息化十年发展规划（2011-2020年）》内容，2013年8月，教育部高等教育司提出开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作，并于同年公示了首批100所国家级虚拟仿真实验教学中心入选名单，此次公示的虚拟仿真实验教学中心中，教育部直属高校50个，其他部委高校11个，军队院校3个，地方高校36个。截至目前，大部分高校已经建设完成虚拟仿真教学实验室硬件及教学课件、软件建设，并且在相关课程的教学中已投入使用。在食品物性学教学环节，有必要结合虚拟仿真教学方法，提高学生对食品流变性、质构性及其涉及到的弹性、黏性、黏弹性等物理特性的理解。例如，面团调制过程中，不同的原料特性、组成、以及和面机不同的操作参数，对面团流变性质影响均较大，因此可以在面条加工虚拟仿真脚本制作中，重点对描述和面过程。通过人机界面设置原料参数：包括面粉性质（面筋含量），水性质（温度、pH、硬度等），辅料种类及比例（食盐、碱、糖、油、乳化剂、调味剂和营养强化剂等）和面机类型、搅拌时间等。然后点击运行按钮，和面机开始搅拌。搅拌过程中，打开上盖，观察内部搅拌现象（加入实际图片、实际视频链接）。此外，开始搅拌后，界面显示面水作用机理展示按钮，由图演示加水后，面团中的蛋白质和水相互作用形成面筋，随着原料中加水量、盐、糖、油脂等辅助原料加入比例不同，形成面筋的网络结构不同，外观表现为面团发软或发硬，面团性能受到影响。将不同配比形成的面团进行流变学特性分析时，其粉质曲线参数也会发生相应的变化，如吸水率、面团形成时间、面团稳定度、面团衰落度等等。将实际应用过程进行模拟，配合机理展示，得出与面团流变性质的关联，学生易于理解、掌握。

四、结束语

综上所述，在食品物性学进行过程中，结合实验、实践、以及虚拟仿真教学手段，改变了以往单一多媒体教学方式，锻炼学生动手、动脑以及查阅整理资料、分析解决问题的能力。重新凝练课程内容，加深学生对课堂内容的理解，加强教与学的互动，促进教师的有效引导和学生的自主学习有机结合，启发学生的多元化创新性思维，提高教学质量，培养出创新型人才。

［1］李里特.食品物性学［M］.北京：中国农业出版社，2010.

［2］李云飞，殷涌光，徐树来，等.食品物性学［M］.第2版援北京：中国轻工业出版社，2009.

［3］袁美兰，赵利，苏伟，等.高校食品科学与工程专业开设食品物性学的现状和必要性［J］.现代农业科技，2010，23：36-37.

［4］姜松，赵杰文，食品物性学［M］.北京化学工业出版社，2015.

［5］教育部.教育信息化十年发展规划（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

中国农业大学校级教改项目（编号：2015-029）

刘海杰（1973-），女，吉林省永吉县人，副教授，博士，主要从事食品科学与工程方向教学与研究工作。