大型科研设备是用于科学研究的仪器设施、其精密度高、测试结果可靠、维护和使用成本高、货币价值也相对昂贵。不同时期研发和生产的科研仪器代表和决定着该阶段最先进的科学研究水平和科技创新能力。大型科研仪器设备的功能首先体现在科学研究领域：大型仪器设备通常作为验证科学家的科研思想，实现研究目的，产出科研成果的重要工具。除了作为科研工具，高水平的大型设备已被广泛应用于医疗诊断及病情监测、食品安全检验控制、旅客危险品检测、气象监测、大气污染监测、土壤监测等诸多领域。同时，大型设备已悄然进入各种各样的工厂企业，在企业生产、仓储、流通及销售的各个环节，大大节约了生产成本。这些富含高科技元素的设备也出现在人们日常生活的方方面面，在保障人民群众高效率和高质量的生活方面扮演了重要角色。近年来，我国高校教育水平和科研水平不断提高，高端大型设备在教学和科研水平中的支撑作用也日渐凸显，高效率、高水平地发挥大型设备在教学和科研中的作用对于培养食品专业学生的专业技能、专业素养和创新实践能力具有重要意义。“食品物性学”是食品科学与工程和食品质量与安全专业的重要课程，是一门揭示食品及其加工原料，以及食品加工过程中物料物理属性变化的学科[1-2]，其知识涵盖范围较广，包括食品的力学、光学、热学、电学，而对于食品物理参数的获取需要依靠相应科研设备，因此所涉及的大型科研设备种类也较多。所以，本门课程在强化相关大型科研设备的基本理论教学基础上，加强在食品和相关科研及生产领域的实际训练，具有独特的理论和实践优势。
1 “食品物性学”的课程内容和特点
食品作为人类营养物质与功能性成分的载体，具备天然和特定的尺寸、外形、色泽、口感以及咀嚼性等物理特性，而这些物理特征往往是消费者选择食品的直接依据。食品物性学正是以研究食品及其加工原材料本身，以及食品加工过程中物料物理性质的学科。充分了解和掌握食品物性学相关知识对于揭示食品本身，以及加工、烹饪有关的物理特性，建立食品品质客观评价分析方法，阐明食品品质变化的分子变化机理，为改善食品风味提供理论依据方面具有重要的意义[1]。教育部高等学校食品科学与工程专业教学指导委员会明确将“食品物性学”课程确定为食品科学与工程专业的必修课程，也是食品质量与安全专业重要的主干课程。同时，也有较多学校将该课程列入食品专业研究生培养方案和培养目录中作为学位课或专业选修课。
食品物性学主要研究内容是食品、食品原料，以及食品物料在加工贮藏过程中所涉及的力、光、热、电等基本理论和相应的研究方法。从知识构成体系上来看，食品物性学属于物理学的研究范畴，而与基础物理学的区别之处在于研究对象的特殊性。食品及其原料作为一类特定的物体，具有来源的广泛性、形态的多样性、成分的复杂性和易变性等特殊之处，应用经典物理学理论和研究手段来揭示食品物理性质显得十分局限和不足，需要建立针对食品这一研究对象的理论知识体系以及研究手段。食品物性学知识体系的构建最早始于1929年建立的流变学学科，发展至今基本形成了属于自身的完整知识结构。课程以“普通物理学”、“高分子物理学”、“食品工程原理”、“物理化学”、“食品化学”等课程相关知识为支撑，涉及知识面较广，其知识体系还在进一步完善中。我国最早从1988年开始，在中国农业大学开设“食品物性学”课程，并于1998年出版第一部“食品物性学”教材[1]。经过多年发展，开设该课程的院校逐年增加，教材也有多个版本不断更新，已取得了一定的阶段性成果。但国内现有“食品物性学”教材中不少知识点还是直接借鉴和运用“高分子物理学”和“食品工程原理”等经典课程的内容和原理，面对日益复杂多样的食品体系，进一步提升完善的空间还很大。
2 “食品物性学”教学中应用大型科研设备的必要性和重要性
为了清晰、明确和深入地揭示食品力学、光学、热学、电学等物理属性，需要扎实的基础理论知识作为支撑，同时需要凭借特定的科研仪器定量测定获得数据信息，并将二者结合进行分析和阐释，从而为科学研究、工艺改进、食品加工生产等提供依据。因此，“食品物性学”的教学设置也很自然的分为理论教学和实验教学两部分。具体教学过程中，实验内容的设置应严格地与理论教学内容相对应。完整的“食品物性学”实验教学内容应该包括：食品尺寸，食品色泽，食品硬度；食品流变学分析包括液态食品黏度、固态或半固态食品黏弹性、食品质构特性分析；食品热学特性分析；食品的光谱学分析；食品电物性以及食品加工中电物性的应用等[1,3]。
液态食品的核心力学参数“黏度“的分析可采用的大型科研设备有流变仪、黏度计、快速黏度分析仪等；颗粒状食品尺寸的分析需要激光粒度分析仪；食品色泽的分析需要色彩色差计或比色计等；食品硬度分析需要质构仪或食品硬度计；固态或半固态食品物性学参数分析需要流变仪、粉质仪、拉伸仪、吹泡仪等；食品热学特性分析可用差示扫描量热仪或热重分析仪等；食品的光谱学分析可采用近红外分析仪和拉曼光谱仪等；在电物性学教学中可以结合电磁波、静电场、电渗透、微波、远红外、电脉冲和电阻抗等现代食品加工或保鲜手段技术或设备进行演示。
可以看出，食品物性学教学相关的大型设备代表和体现了食品物理性能分析方面的最新手段或食品加工高新技术。显然，种类如此繁多的仪器设施不可能在有限的实验教学课堂上一一展示或学习，需要结合各高校实际情况进行设置。另外，很多时候教材中也没有对以上设备一一列出，需要在理论课堂教学中加以必要的穿插讲解，帮助学生更加深入的学习和了解食品物性学知识在食品科研和生产领域的重要性和具体应用案例。
3 以大型科研仪器为支撑的“食品物性学”教学体系的构建途径
3.1 建设“食品物性学”大型设备教学平台
实验教学是高校教学的重要组成部分，也是培养“厚基础、强能力、宽适应”的创新型和创业型高素质人才的重要手段。而齐全充足的科研仪器是有效开展实验教学的重要基础条件。近年来，国家加大了对高等教育在经费和政策层面上的支持和投入力度，尤其是在“双一流”高校建设、“以本为本”、“四个回归”等政策的实施和引导下，高校大型仪器设备的种类、数量和规模有了跨越式和持续性的发展和增长。
同时，国家也多次出台政策鼓励和要求各级各类高校以及科研院所建立科研仪器共享平台。2014年，国务院颁布了国发[2014]70号文《关于国家重大科研基础设施和大型科研仪器向社会开放的意见》，要求全国范围内高校和科研机构加强国家重大科研基础设施和大型科研仪器的专业化服务能力，加快推进科研设施与仪器向社会开放，进一步提高科技资源利用效率。国发〔2017〕37号文《关于强化实施创新驱动发展战略进一步推进大众创业万众创新深入发展的意见》，再次要求“推动财政资金购置的仪器设备向社会开放”。各管理机构、高校和科研院所也相应建立了大型设备共享平台、共享机制及考核绩效机制，从政策层面确保了大型设备共享的顺利推进和实施。这些政策和资源，对于构建大型科研仪器为支撑和补充的教学体系带来了前所未有的机遇。
开设“食品物性学”课程的高校要及时抓紧抓牢政策机遇，配备基本教学仪器，建立实验平台。同时，应积极主动利用各级、各类科研共享平台，整合利用好校级、院级科研平台，贯通各个学院之间与“食品物性学”教学紧密相关的科研仪器设备的调配使用，协调好大型设备在科研和教学方面的关系及使用时间上的冲突，深入共享，以提升仪器利用与人才培养的效率。
3.2 建立科研仪器基础理论与专业知识紧密结合的理论教学体系
进一步丰富理论教学内容，将必要的大型仪器使用原理、仪器的部件组成及其在科研和生产中的应用在课堂进行延伸讲解。“食品物性学”课程理论性较强，对知识点的描述较为抽象，学生不易理解，甚至部分学生会觉得空洞乏味，产生厌学心理，因此也长期被学生认为是食品专业中学习难度大、不易理解和掌握的课程之一[4]。在理论教学中适时将所讲授的理论知识所对应的大型科研设备列出，对其结构组成、使用原理以及在食品领域中的实际用途进行拓展性讲解，这样可以将本来较为抽象的知识变得更加生动具体，即扩展了知识和视野，又能提高学生的兴趣和积极性。
3.3 优化组合，以小组模式提高实验效率
由于大型实验仪器资源的有限性、设备本身的精密性和易损性、测试特定物性参数的时效性，因此，确保在有限的课堂时间里让每一位学生都亲手操作大型仪器是一项具有一定挑战性的工作。为了达到最佳的教学效果和学习效果，可以将学生分为3～5人的小组轮流进行操作。一组进行操作的同时，其他小组可以进行样品处理、数据处理等方面的工作。甚至可以在同一堂课上安排不同种类的大型设备，不同小组同学进行轮流操作，充分利用课堂时间。当然，这样的教学模式需要增加教师数量，加大工作时间的投入。
3.4 加强高水平“食品物性学”实验教师队伍建设
教师是知识的传播者，也是知识的创造者，教师业务素质和能力的高低对人才培养效果有决定性的作用，所以需要建立强有力的“食品物性学”教学团队。实验教学与理论教学有所不同，“食品物性学”理论课程的教学需要授课教师在所授课程及其交叉基础课程(包括“高分子物理学”、“物理化学”、“食品工程原理”、“食品化学”等)领域积累牢固的专业知识，再采用清晰的表达方式和恰当的教学方式向学生讲授。而实验授课除具备理论授课的基本能力和技巧以外，还需要熟悉实验仪器的组成、原理、使用、维护和实验结果的预判能力[5]。对实验仪器的组成和维护不一定是理论课程教师所擅长的领域，需要工程师、仪器管理老师和实验师等教辅人员的配合。因此，需要建立以教师、工程师和实验员共同参与和紧密合作的实验教学团队。
图1 以大型科研仪器为支撑的“食品物性学” 教学体系的构建途径
Fig.1 Construction pathway of teaching system of “Physical Properties of Foods” based on scientific research instruments
4 本项目取得的阶段性教学效果
4.1 学生学习兴趣进一步提高，学习目标进一步明确
西北农林科技大学一直将“食品物性学”列为食品科学与工程专业和食品质量安全专业选修课，但由于课程理论性强、知识点抽象、各章节知识点相对独立等特点，导致多年来学生选课率较低、课堂参与度低。通过以上教学改革措施的推行，选课率目前已连续3学年获得15%左右的提升(图2)，学生学习兴趣大增，课堂上师生互动频繁、课后与老师沟通交流明显增多，确保了学生专业知识的系统性。
图2 食品科学与工程专业和食品质量与安全专业 近3年“食品物性学”选课率
Fig.2 Course selection rate of “Physical Properties of Foods” in the majors of Food Science and Technology and Food Quality and safety
4.2 学生专业知识体系更加完备
“食品物性学”在整个食品学科和专业人才培养体系处于重要的桥梁地位，对“食品工程学”和“食品化学”相关知识体系的融合交叉起到了很好的纽带作用，“食品工艺学”亦属于“动态食品化学”，可见该课程在人才培养体系中的重要性。目前，通过课程组教师持续不断的改进和提升，已构建了完善的以大型科研仪器为支撑的知识结构体系和知识传播途径，进而帮助学生形成完备的食品学科知识体系。
4.3 学生科研能力得到有效提升
研究型大学对学生创新思维和创新能力的培养有较高的要求，以培养高层次创新型精英人才为目标。食品专业属于自然科学领域的学科，学科知识体系的更新升级乃至食品工业的发展离不开科学研究和生产实践的不断积累。在对知识探索更新的过程中，离不开科研仪器的辅助，通过本门课程大量科研仪器设备相关原理、功能及操作方面系统的学习和亲身体验，使学生在本科学习阶段得到了有效的科研实践训练，为学生进一步深造和未来的研究工作奠定了坚实的基础。
5 构建以大型仪器为支撑的“食品物性学”教学体系中存在的问题
5.1 课时数量不足
”食品物性学“作为食品科学与工程专业的重要学科基础课，各高校课时数普遍为32左右，其中实验课时数不足10学时。建设以大型仪器设备为基础的教学体系需要在课堂上讲解仪器的组成、原理、使用范围和维护等方面的知识，最后还需要进行实际操作，而且一些贵重仪器具有严格的操作规范，初次操作需要老师进行逐步演示并留心观察。所以相对较少的课时对于建立涉及众多大型仪器的授课体系非常不利。需要积极争取调整专业培养方案，并进一步优化课程教学大纲来达到与课程改革目标相适应的课时数量和教学内容。
5.2 部分学校“食品物性学”未被列为必修课
虽然教育部教学指导委员会将“食品物性学”列为食品科学与工程专业的必修课，但是在学分制的大背景下，一些学校将其列为选修课，导致未选该课程的学生缺乏必要的食品专业基础知识，难以达到最佳的人才培养效果。需要进一步加强对学生的鼓励和引导，并认真落实本项目的相关改革措施、提高教学效果、提升学习兴趣，增强学生选课的内在积极性。
5.3 大型设备资源的有限性与学生数量众多的矛盾
在有限的时间里如何高效地让每一位学生都有操作大型设备的机会，是学生理论与实践相结合，提升科研实践素养，增强创新能力的根本保障。这一矛盾的解决需要时间、教师数量以及教师精力投入等多方面的保障。
[1] 李里特. 食品物性学[M].北京:中国农业出版社,2010.
[2] 李文浩, 胡亚云,郑建梅,等.食品质量与安全专业《食品物性学》课程教学思考与探究[J].教育教学论坛,2014(43):178-180.
[3] 李真, 张艳杰,张蓓,等.高校食品类专业加强食品物性学课程开设与建设的重要性[J].教育现代化,2018,5(14):126-128.
[4] 李文浩, 栾广忠,单媛媛.“食品物性学”开卷考试探索与实践[J].黑龙江教育(高教研究与评估),2020(9):55-56.
[5] 李玥, 钟芳,夏书芹,等.食品物性学实验教学的改革与实践[J].中国轻工教育,2013(5):73-75.