2016年12月,习近平总书记在全国高校思想政治工作会议上指出:“要坚持把立德树人作为中心环节,把思想政治工作贯穿教育教学全过程,实现全程育人、全方位育人,努力开创我国高等教育事业发展新局面。”[1]近日,教育部等十部门联合印发的《全面推进“大思政课”建设的工作方案》通知指出,“推动各类课程与思政课同向同行”[2]。《教育部高等教育司2020年工作要点》中指出,通过梳理各门专业课程所蕴含的思想政治教育元素和所承载的思想政治教育功能,融入课堂教学各环节,实现思想政治教育与知识体系教育的有机统一[3]。食品化学作为食品科学与工程类专业的一门核心课程,主要从化学角度和分子水平研究食品的组成、结构、性质以及它们在食品生产、加工、贮藏和运销等过程中的变化和对食品的品质和安全性影响[4],具有鲜明的产业技术与学科理论融合特征。在食品化学专业知识的讲授中,更应融入思想政治教育内容,“把马克思主义立场观点方法的教育与科学精神的培养结合起来,提高学生正确认识问题、分析问题和解决问题的能力。要注重强化学生工程伦理教育,培养学生精益求精的大国工匠精神,激发学生科技报国的家国情怀和使命担当[5]。”目前,食品化学课程思政已在全国展开,并取得一定效果。冀晓龙等[6]探讨了课程思政背景下的《食品化学》课程体系与教学内容改革。杨巍等[7]提炼食品化学课程中的部分思政元素。满在伟等[8]提出应合理设计授课过程,以实现课程思政在食品化学教学中的有机融入。翟硕莉[9]的研究将超星学习通引入食品化学教学,为线上课程思政教学提供了参考。陈海华等[10]提出将课程思政作为食品化学教学考核的组成部分,并以过程性评价与期末考试相结合的方式来实施。基于课程思政建设与人才培养目标定位相契合的理念,本文以“油脂的改性”一节“油脂氢化”为例,将“课程思政”融入教学过程,以期实现知识和能力目标的同时使学生树立正确的价值观。
1 “油脂氢化”在本课程中的重要性
油脂作为一类食物宏量成分,在食品加工与品质形成、人类营养与健康等方面发挥着重要作用。天然油脂的工艺学特性、氧化稳定性等在一定情况下并不能满足应用场景的要求,因此通过对油脂进行改性以获得用途明确、性质稳定的特殊油脂。氢化是从调整油脂化学组成结构的角度出发,以改变天然油脂物理性质使其更好地适合特定用途的工艺。换言之,油脂氢化是对油脂结构性质充分认识的基础上,有目的地对“客观世界的改造”,这为“改善食品品质、开发食品新资源、革新食品加工工艺和贮运技术、科学调整膳食结构、改进食品包装以及加强食品质量控制”提供了方法学基础[4]。因此,“油脂氢化”一节的课程内容非常具有代表性,体现着食品化学课程与化学、物理学、工程学等多学科思维的融合,是挖掘思政元素开展课程思政教育的教学章节。
2 “油脂氢化”的教学目标、重点和难点
2.1 教学目标
知识和能力目标:(1)通过自主阅读教材,能总结油脂氢化的定义、过程和目的,并阐述氢化对油脂的影响;(2)掌握油脂氢化的反应条件及机制,熟悉影响油脂氢化的因素;(3)通过调研了解氢化油脂在食品工业中的用途;(4)通过文献调研和小组交流讨论,了解氢化油脂的食品安全风险,并尝试提出解决方案。
课程思政目标:(1)通过向学生讲述氢化给油脂工业带来的世纪性革命,感受科技工作者们开拓进取的科学精神;(2)从“油脂氢化过程-氢化机理-影响因素”的学习逻辑中,培养学生辩证思维、全局思维、创新思维的能力,能够基于科学原理并采取科学方法对复杂工程问题进行探究的意识和能力;(3)借助对氢化工艺设备安全性、制氢技术及氢气纯度等延伸知识的讲解,增强学生的创新意识和安全生产的意识;(4)了解国内外油脂氢化技术不断革新,增强学生投身社会主义现代化强国建设的热情和使命担当;(5)通过引导学生对油脂氢化带来的负面影响(如不完全氢化导致反式脂肪形成等)的调研和关注,激发学生为了大众饮食健康而用心努力学习的热情和科技报国的情怀。
2.2 教学重点和难点
结合学情和相应教学材料,将氢化对油脂工业的贡献作为思政切入点,并将氢化过程、机制和影响氢化反应的因素作为教学重点,不完全氢化产生反式脂肪及其控制措施以及思政元素的有机融入是教学难点。
3 课程思政融入“油脂氢化”的教学设计
油脂氢化的教学流程分为6个环节:(1)新课引入:油脂氢化的定义和目的;(2)过程解析:油脂氢化的过程和机制;(3)因素分析:油脂氢化的影响因素;(4)意义探究:氢化对油脂的影响;(5)前沿拓展:油脂氢化的前沿性技术;(6)课堂总结与作业布置。课程思政元素以自主学习、直接引用、案例渗透[11]、翻转课堂[12-13]等方式有机融入各教学环节中。
3.1 激发开拓精神和创新意识
氢化可以把油脂改性成具有特殊用途和功能的脂肪产品,是使油脂增值的关键技术之一。教师通过鼓励和引导学生上网查阅油脂氢化技术的发展历史,以激发学生学习专业知识的兴趣,培养自学能力。氢化技术在油脂工业中的应用缘起于20世纪初,为了保障人造奶油基料油脂供应,德国化学家威廉·诺曼(1870—1939年)用镍作催化剂,使氢与油脂中双键加成获得成功,并先后在德国(1902年)、英国(1903年)取得油脂氢化技术专利[14]。1906—1911年,英国及美国一些公司将氢化技术应用于工业生产,如以棉籽油氢化制备起酥油Crisco等,由此开始大规模利用氢化技术生产各种专用油脂[15]。
在威廉·诺曼发表油脂氢化的开创性发现之前,1897—1905年间,法国化学家图卢兹大学教授保罗·萨巴捷(1854—1941年) 和他的助手让·巴蒂斯特·森德伦斯(1856—1936年)用镍作为催化剂,对气态烯烃加成获得成功[16]。这项工作使保罗·萨巴捷获得了1912年诺贝尔化学奖。保罗·萨巴捷等建立了气态烯烃的氢化,而威廉·诺曼通过研究推翻了保罗·萨巴捷断言的氢化只能在气态条件下实现,创新采用“油酸-固体镍催化剂-气态氢气”三相体系将油酸转化为硬脂酸,建立了“三相氢化”体系,相关事迹可激发学生的开拓精神和创新意识。
3.2 培养辩证唯物主义思维
油脂氢化是物质变化的过程(图1)。这个过程蕴含着辩证唯物主义的观点、关系和规律。充分挖掘其中的思政元素,将其融合渗透于油脂氢化的课堂教学过程。首先,在教学中可引入“普遍联系”的观点。油脂氢化的影响因素很多,主要包括油的品质、油的初始温度、催化剂的活性和剂量、氢气通入速率、反应温度、氢气纯度、搅拌速率等。氢化反应诸因素或条件之间是相互关联、相互制约的。其次,引入“量变和质变辩证关系”和“内外因辩证关系”原理。通常,每吨油每降低1个碘值单位需要1 m3氢气。随着氢化反应的进行,油脂的饱和度增加,熔点上升,抗氧化性和热稳定性增强。这蕴含着从量变到质变的物质运动本质。催化剂可加速油脂氢化进程,只改变化学反应速率,而不改变化学反应的方向,这体现内因(油脂的还原性)是物质运动变化的本质,而外因(催化剂)是物质运动变化的条件。第三,对立统一规律。氢化过程涉及三相催化,可划分成5个阶段[17]:溶于油的氢气、油分子中的双键向催化剂表面扩散;金属-氢及金属-双键配合物形成;催化剂表面反应;解吸或脱氢;氢化油脂分子从催化剂表面向油脂主体相中扩散。向学生讲解该过程,同时说明氢化过程是矛盾双方(氢气和油脂分子)共同运动的结果,并体系了矛盾双方的相互转化。第四,氢化反映了“矛盾的普遍性”规律,而选择性氢化(包括化学选择性和催化剂的选择性)则反映了“矛盾的特殊性”规律,同时体现出矛盾双方主要矛盾和次要矛盾的关系。通过化学选择性,可以控制氢化油脂产品的脂肪酸组成、理化性质和加工性能;而根据催化剂的选择性,可以研制、筛选特定氢化条件的催化剂。矛盾斗争的结果无不在一定条件下转化,通常焙烤用油及起酥油需要较宽的塑性范围,在氢化时应采用选择性较低的氢化条件;而氢化生产人造奶油原料油脂或糖果硬脂(如代可可脂)时,选择性应高。在教学中对引导学生运用辩证唯物主义哲学思维思考油脂氢化过程和机制,理解事物发展的过程,可培养学生运用唯物主义的方法观点解决问题的意识。
图1 油脂氢化的机理示意图[8]
Fig.1 Schematic diagram of the mechanism of hydrogenation of oils and fats[8]
3.3 树立安全生产理念和社会责任意识
在催化油脂加氢的反应中,雷尼镍具有里程碑式的意义。在雷尼镍发明之前,镍催化剂的反应效率较低。1920年代,美国工程师莫里·雷尼(1886—1966年)开始寻找更好的氢化催化剂。1924年,他发现具有多孔结构的镍催化剂对棉籽油氢化的催化活性是普通镍的5倍。随后,雷尼使用镍/铝为1∶1的合金来制造催化剂(图2),发现得到的催化剂活性更高,并于1926年申请专利。铝在雷尼镍制备中发挥致孔剂作用,通过简单的碱浸出反应(高浓度NaOH溶液)将铝去除(2Al+6H2O+2NaOH→2Na[Al(OH)4]+3H2↑)。雷尼镍具有很高的比表面积(>100 m2/g),大大提高了催化效率。熔融体在淬火过程中二者比例影响到多孔结构的形成,用于制造雷尼镍的合金以镍/铝为1∶1时最佳(图2)。在雷尼镍制备过程中,使用的原料镍是一种致癌物(国际癌症研究机构2B组,欧盟第3类)和致畸物,活化的雷尼镍是可燃有害物质,必需隔绝氧气并在惰性气体环境中贮运。教师通过引导学生关注化学品安全技术说明书数据库中关于雷尼镍使用注意事项,以培养实验室日常安全防护习惯和安全生产的意识。
a-雷尼镍照片;b-镍-铝二元合金相图
图2 干燥的雷尼镍照片及镍-铝相图
Fig.2 Photograph of dried Raney nickel and nickel-aluminum phase diagram
来源:https://byjus.com/chemistry/raney-nickel/
油脂氢化需要在密闭式反应器中进行,反应试剂氢气和催化剂通过特定的管路或输送装置加注到反应器中。氢气和催化剂具有易燃易爆特性,为避免火灾或其他严重事故发生,按照标准规程进行安全生产就显得十分重要[18]。因此,一百多年来,研究者们一直为更安全更绿色的氢化油脂生产工艺而不懈努力。主要包括氢化反应器设计、更加高效的催化剂设计和催化剂重复使用、制氢技术及氢气高效利用、热能高效利用等方面。教师利用绿色化学思想对学生进行环境保护教育,培养社会责任意识,使学生树立生态文明观,践行“绿水青山就是金山银山”的发展理念,在资源紧约束下寻找高品质发展的创新路径,以最小的资源消耗取得最大效益。
3.4 开展“四史”教育,增强四个自信
“四史”是指党史、新中国史、改革开放史和社会主义发展史[19]。我国油脂工业的发展史中就蕴含在“四史”之中,可从中提炼思政元素。我国第一套油脂氢化装置诞生于新中国成立前的大连油脂化学厂。大连油脂化学厂始建于1913年,硬化油车间于1916年正式投产。新中国成立后,由东北化学工业局管理,更名为“大连油脂化学厂”。1949—1965年间,我国普遍采用常压氢化技术;1966年,大连油脂化学厂率先成功采用中压连续氢化技术;20 世纪 60～70 年代,全国各地(沈阳、上海、武汉等)陆续建厂30 多个,使我国氢化油脂工业达到新的水平。70 年代之后开始采用选择性氢化工艺进行生产[16]。这其中,大连油脂化学厂见证了我国近现代制造业发展。油脂工业有关氢化油的这些案例体现了集中力量办大事的社会主义制度优势,让学生坚定制度自信。在制氢技术上,“绿氢”因碳中和背景而将成为主流。2021年,中石化在新疆库车、内蒙古鄂尔多斯等地启动建设绿电制氢,以替代现有的天然气、煤炭等化石能源制氢,这在助力生态文明建设和美丽中国建设中具有重要意义,通过介绍上述案例让学生坚定理论自信和道路自信,增强学生投身社会主义现代化强国建设的热情和使命担当。
3.5 科技报国,服务“健康中国”战略
不完全氢化会产生反式脂肪,而反式脂肪的摄入不利于人体健康。国家标准GB 28050—2011《食品安全国家标准 预包装食品营养标签通则》第4.4条款规定:“食品配料含有或生产过程中使用了氢化和(或)部分氢化油脂时,在营养成分表中还应标示出反式脂肪(酸)的含量”。当前,一些油脂产品(如涂抹脂、代可可脂、点心糖霜用脂、饼干加工用油脂等)的生产离不开氢化油脂。在日常膳食中限制“反式脂肪酸”的摄入量,并不是要禁止使用氢化油。通过对上述内容的介绍,引导学生树立以人为本观。中国特色社会主义进入了新时代,“人民日益增长的美好生活需要和不平衡不充分的发展之间的矛盾”成为我国社会的主要矛盾。如何满足人民群众对美好生活的向往,氢化油脂加工业必需迎接挑战。目前,氢化是生产商品硬化脂的唯一成熟的方法。若采用氢化以外的其他工艺(如酯交换),都会增加投资和生产成本。那么,其解决方案是一方面应改进氢化工艺以尽可能降低反式脂肪的生成,另一方面是寻找替代方案。引导学生通过查阅文献,设计解决方案。例如,有研究报道,采取低温、高压和高浓度镍催化剂可以降低反式脂肪的生成[20];将镍催化剂更换为钼催化剂,在固态电解池中进行氢化反应,也可以大幅降低反式脂肪的生成[21]。并向学生设问:反式脂肪对人体健康会造成哪些影响?反式脂肪风险是否被高估?哪些食品中含有反式脂肪及其含量水平?我们应该禁止反式脂肪吗?食品能做到“零反式脂肪”吗?根据欧盟委员会法规(EU)2019/649规定,反式脂肪酸的最高可耐受摄入量不应超过摄入总能量的1%,这是基于什么事实?通过引导学生对反式脂肪风险开展调研,不仅有助于学生深刻理解专业知识,培养其辩证的思维和科学的方法,还可以激发学生为了居民饮食健康,用心努力学习的热情以及科技报国的情怀。
4 教学考核与成效
为检验和保证思政教育成效,将课程思政引入食品化学课程教学考核体系,对学生的学习效果进行全面评估。采取“线上+线下”模式,知识点的延伸内容和一部分思政教学目标的完成,以平时作业或线上学习的方式布置给学生。布置“氢化油在食用油脂制品生产中的应用”、“油脂氢化的前沿性技术”等题目作为平时作业,这一方面弥补了“油脂氢化”的课堂教学时长的不足,另一方面让学生利用计算机网络、图书馆等手段自行查阅相关文献,通过研读材料,使学生在获取答案的同时,启迪学生智慧,培养科学思辨的能力。在期末考试中设置 “氢化和酯交换,哪种手段更适合生产起酥油的基料?”、“如何有效避免油脂的不完全氢化?”等开放性试题,考查学生的问题分析、工程知识等方面的能力。
通过对2018级、2019级、2020级食品质量与安全、食品科学与工程等专业的学生问卷调查显示,将思政融入食品化学课程教学对提升专业认同感、增强社会责任意识和开拓精神非常有益,大大激发了学生们学习食品化学的热情。从本课程的学生成绩来看,大部分学生通过课程思政的引导,不仅增强了学生的正确认识问题、分析问题和解决问题的能力,而且提高了对知识点的熟悉程度和思考深度。
5 结语
食品化学是食品科学与工程类专业的一门重要的专业核心课程。在新工科和工程认证背景下,本课程不仅承担着知识和能力传授的重任,而且需要以其为载体对学生开展思想政治教育和社会主义核心价值观的引领。本文以食品化学中油脂氢化教学为例,将辩证唯物主义方法论、“四史”教育、安全生产意识、开拓精神、创新意识和科技报国的热情等思政元素有机融入教学内容,实现专业育人和思政育人并举。从教学效果看,不仅使学生对相关知识点形成的历史脉络、工程价值和社会经济影响有了深刻全面的认识,激发了学生学习本课程的热情,而且有利于引导学生树立正确的世界观、人生观和价值观。
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