Food Microbiology and Safety实验课的教改探索

为培养具有国际视野的高层次工程技术和管理人才,经教育部批准,我校与新西兰梅西大学合作举办食品科学与工程专业本科教育项目[1]。项目外方合作大学新西兰梅西大学是新西兰最大的一所教育和研究学府,提供泛太平洋地区唯一的结合食品科学、食品工程和食品商业于一体学位,使学生获得商业环境所需要的科学、技术、工程和商业能力[2]。项目的培养目标是培养德、智、体、美、劳全面发展,适应国家国际化战略发展需要,服务于未来食品产业高质量发展需求,拥有强烈的爱国主义精神、具有国际视野、通晓国际规则,专业基础扎实、知识面宽广、专业竞争力强、创新意识高、工程能力足、综合素质高,能够进行跨国学习、工作并具备终生学习能力的复合型创新一流人才,完成学业的学生有能力在世界名校深造攻读学位或就职于全球知名企业和国际组织。

项目采用“3+1”模式,学生前三年在本校大学学习,第四年在梅西大学学习。该项目于2020年起正式招生,目前已成功招收三届学生。按培养计划,该专业学生除了要完成中方教师讲授的公共基础课,还需完成中外教师合作、全英文授课的8门主干课,Food Microbiology and Safety即其中一门主干课。2022年9月起,首届学生即2020级学生于三年级上学期开设了Food Microbiology and Safety理论课程与实验课程。

Food Microbiology and Safety是一门《微生物学》与《食品安全学》的交叉学科课程,实验课程与理论课程的4个模块对应(图1),分别为模块1:食品中的微生物分析,实验内容包括测定不同水分活度、pH食品中菌落总数计数、大肠杆菌鉴定和计数、金黄色葡萄球菌鉴定和计数;模块2:微生物生长的数学模型,实验内容是在浓缩番茄汁中接种酿酒酵母,发酵48 h内监测菌落数并做数学模型[3];模块3:微生物死亡动力学,实验内容是通过监测不同高温处理下食品样品中荧光假单胞菌、嗜酸乳杆菌、大肠杆菌等微生物的死亡动力学进而得到该微生物的D值和Z值[4];模块4:风险分析与关键控制点体系与溯源分析,实验内容是用PCR和q-PCR技术对污染食品的微生物做菌种鉴定和确立饺子加工过程的关键控制点(critical control point,CCP)点。以上实验均具有高度的综合性和设计性,每个模块都包含多个实验环节,具体的实验条件包括处理温度、接种浓度、采样时间点等关键参数均由学生自行设计,而且每个实验环节又涉及多种实验技术,因此,课程具有极高的难度和挑战度。该实验课的教学过程与以往食品科学与工程专业传统教学班的实验课的设计理念和安排方式差异显著,对相关专业的实验课程教学改革具有重要借鉴意义。

1 传统实验课程教学中存在的问题

1.1 课程细分程度太高,难以形成知识网络连接点

我校以往并未对食品科学与工程专业本科生开设过《微生物与食品安全》课程,与之接近的课程有《食品安全学》和《微生物学》,这两门课程一直是该专业的核心课程。《食品安全学》内容涵盖食品中生物污染和化学污染的来源、危害和控制手段、食品安全性毒理学评价方法和食品安全法律、法规、体系,其中微生物污染课时少、内容浅。另一门相关课程《微生物学》,内容包括微生物的发展史和一般共性、各类微生物的形态、构造、功能与鉴定、营养与代谢、生长与控制、遗传变异与育种、传染与免疫等,与食品安全直接相关内容占比不高。综上,《食品安全学》和《微生物学》两门课程的内容难以在学生的知识网络中形成连接点,即由于课程的高度分化导致内容割裂,且使学生缺乏在实际食品样品中研究有害微生物繁殖和死亡过程的学习经历。

1.2 验证性实验为主且模式保守,较少涉及食品样品

大多数高校的《微生物学》课程虽设有实验环节,但以基本的实验操作练习为主,且均为简单的验证性实验,例如培养基的配制、对微生物的形态观察、计数、培养、生理生化、环境影响等实验内容,样品多为在培养基中的细菌悬液,食品样品涉及较少。实验教学资源以纸质教材为主,部分高校配套有老师录制的教学视频[5]。对每次实验内容的细节(如称重、加液体积、pH调整、温度和时间)全部都有详细的规定。实验员提前配好试剂、准备好实验材料、调试好设备,教师在课堂上讲授实验原理、步骤、设备使用方法、强调注意事项,甚至演示实验,然后学生再原封不动地照着实验书上的步骤操作。这种授课模式下的学生参与度不高,导致学生的学习热情和积极性不高[6]。作业一般为纸质实验报告。学生按学号顺序分组,每组同学均为合作多年的搭档。另一门相关课程《食品安全学》在我校为考查课,未开设实验。

其他高校虽有为食品专业学生开设的《食品微生物学》实验,但同样存在实验难度低、缺少综合性实验和设计性实验、未在真实食品中开展实验等问题[7]。例如,中国大学MOOC上某高校精品课《食品微生物学实验》中把显微镜的使用、培养基的配制和灭菌等微生物学最基本的操作都分别作为一次独立的实验,而其余所有实验均未使用到食品样品,也就是说这门课程的名称上虽然在“微生物学”前面加了“食品”前缀,但并未真正在食品中开展微生物实验。

2 Food Microbiology and Safety实验课程教学体系的建设与创新

2.1 食品微生物学与食品安全学有机融合,实现知识整合

课程的四大实验模块设计均以食品产品或食品生产为情境,模拟真实生产场景,关注食品微生物安全。实验模块1为食品中的微生物分析,实验样品同时包含液态样品牛奶、半固态样品沙拉酱、卡仕达酱、固态样品香肠、牛肉、鱼糜,通过测定新鲜的和室温放置几天后的食品水分活度、pH、菌落总数计数、大肠杆菌鉴定和计数、金黄色葡萄球菌鉴定和计数,学生通过总结分析能够充分掌握食品物理化学特性对腐败菌生长的影响;模块2的实验内容是监测不同温度下、不同pH值的浓缩番茄汁中酿酒酵母发酵过程并构建数学模型,学生可以由实验数据得出温度和pH等食品参数对真菌生长的影响;模块3通过监测3种不同食品样品中荧光假单胞菌、嗜酸乳杆菌、大肠杆菌等微生物在高温处理下的死亡动力学进而得到微生物的D值和Z值,上述实验可以得出食品特性对微生物的耐热性的影响,也提示在实际生产中设定杀菌温度、时间等条件时要充分考虑食品特性;模块4的实验内容是用PCR和q-PCR技术对污染食品的微生物做菌种鉴定、溯源,并据此帮助确立饺子加工过程的CCP,做到了将食品微生物学与食品安全生产过程的高水准融合(图2)。

2.2 设计性实验,激发主观能动性,锻炼统筹能力

为激发学生的主观能动性和锻炼统筹能力,提供给学生的实验讲义其内容的精细程度由模块1到模块4递减。模块1:食品中的微生物分析,讲义中详细讲解了包括均质、梯度稀释等食品样品的处理方法、水分活度和pH的测定方法、设备的使用方法、PCA和Baird-Parker琼脂平板等几种培养基的配制方法、食品中菌落总数计数、大肠杆菌鉴定和计数、金黄色葡萄球菌鉴定和计数的细节,讲义篇幅有13页之多。而模块2:微生物生长的数学模型,实验内容是在浓缩番茄汁中接种酿酒酵母,发酵48 h内监测菌落数并做数学模型,指定了发酵温度和采样时间点,实验工作量大幅提高,但讲义只有3页。模块3:微生物死亡动力学,讲义仅指定了食品样品种类和其对应的应接种微生物种类,要求通过自行设计实验得到D值和Z值,没有指定实验温度和采样时间点,实验难度高、工作量大,但讲义只有2页。模块4:风险分析与关键控制点体系与溯源分析,要求用PCR和q-PCR技术对污染香肠和速冻饺子中的微生物做菌种鉴定和确立食品加工过程的CCP,只给出了基本原理和思路,没有给出PCR和q-PCR技术细节。因此,学生欲顺利开展实验并得到可接受数据,需要认真复习理论课内容、查阅大量资料、寻找相关资源、设计实验细节、提前准备材料以及提前开展预实验和重复部分有错漏的实验。

2.3 目标驱动,实验过程贴合实际,锻炼管理能力

为尽可能展现微生物研究的实际工作流程并锻炼学生规划时间的能力,课程的第2模块设定为啤酒酵母在浓缩番茄汁中生长的数学模型。该实验各组的发酵温度不同、涉及取样时长为48 h,前24 h需每隔2 h取样,在必要的情况下可以将发酵中的培养物放置于冰箱冷藏并假定其停止生长。实际工作中,实验室对学生全天开放且安排教师过夜值守,各组学生根据各自的日程自行安排取样时间、组员轮流排班取样且能及时准备好所需灭菌培养基、无菌水等试剂和耗材,整个过程虽持续数天但有条不紊、井然有序。

课程第3模块主题为微生物死亡动力学,6组学生分别采用了牛奶、稀释卡仕达酱、橙汁等不同食品样品,并且每种样品中接种了荧光假单胞菌、大肠杆菌、嗜酸乳杆菌等不同的微生物。由于无法从文献中检索到完全一致的实验,因此设计实验温度和采样时间点等实验条件就成为学生要攻克的第一道难关。此外,实验涉及的工作量巨大且集中,每个小组在1 h内都要采样近20次、每样稀释4～6个数量级、做百余块培养皿的平板计数。在实际开展实验过程中,操作台临近的2个小组自发合作,所有成员流水作业,分别专门负责计时并采样、给试管编号并标记、梯度稀释、给培养皿编号并标记、铺培养皿、摇匀等,整个流程一气呵成、配合默契。

课程的第4个模块、风险分析与关键控制点体系与溯源分析(图3),实验操作内容包括:(1)建立速冻手工饺子加工过程的危害分析的临界控制点(hazard analysis and critical control point, HACCP)体系;(2)从生产过程的特定阶段取样,以确定微生物污染物可能进入产品的位置;(3)对速冻手工饺子制造厂进行环境监测[8-9]。实验场景为手工饺子加工厂,研究对象是速冻手工饺子——典型的中餐食品,其加工过程简单、适合在实验室中模拟还原。此外,饺子是非熟制食品,面皮、生肉、蔬菜和调料被加工成为饺子、经速冻后计量包装成为终产品,在运输、销售直到食用前保持冷冻状态。如果饺子在加工过程中被产毒素微生物污染,食用者很可能会因此而中毒,因为食用前的蒸、煮等熟制过程对大多数毒素破坏不大。因此GB/T 23786—2009《速冻饺子》中明确规定了速冻饺子中的菌落总数、大肠菌群、致病菌(沙门氏菌、志贺氏菌、金黄色葡萄球菌)、霉菌的最高安全限量值。

2.4 随机分组,培养团队合作能力,践行公平原则

为充分锻炼团队合作能力以及实现公平原则,Food Microbiology and Safety实验课采用5人一组、全班一共6组的随机分组模式,且4个模块分别做4次随机分组,这样就使得每一位学生在整个实验课程中分别与不同的搭档合作,且避免个别小组能力强的学生过于集中,兼顾公平原则。一些原本乐于做规划和安排、有较强领导力的学生能够在不同的分组中始终得到能力凸显,而一些在传统模式的实验课程中依赖性强、不积极动脑动手、喜欢躲在角落里刷手机的学生因为要适应不同的搭档而主动或被动地承担起更多的任务。在实际教学过程中,发现几乎所有学生都按照各小组制定的分工忙碌在各自的岗位上,真正实现了让全体学生忙起来、动起来。

2.5 资源丰富,深挖内涵拓展外延,多渠道供给

本实验课基础的教学资源是一份简洁的英文版讲义,相关建立模型和计算部分可参考外方开放给学生的Stream教学平台上的资源(图4),包括理论课授课视频、PPT、辅助材料。此外,本课程组教师和助教学生一起建立了一套完整的支撑材料,包括按模块内容各组实验所需的试剂和耗材清单、根据讲义细化的实验指南、共享的实验技术文件包等。在第4模块——风险分析与关键控制点体系与溯源分析,为学生提供食品行业药品生产质量管理规范(good manufacturing practice of medical products,GMP)文件包、多种食品加工过程的HACCP文件和卫生标准操作程序(sanitation standard operation procedure,SSOP)作为参考。

2.6 作业展示,理论实践有机结合,锻炼表达能力

以往实验课的评价方式包括课堂表现、实验态度、动手能力、预习报告、实验报告等环节考评,前3种评价方式随机性大、客观性差,后2种因缺乏监督过程导致同质性高,而传统的实验教学评价中单纯依靠教师的眼力和记忆力不易发现雷同报告和抄袭行为。在Food Microbiology and Safety实验课的评价中,不但使用了查重软件来鉴别抄袭报告,而且在期末考评中增加了报告展示环节,要求各小组的每一位同学都要做陈述发言,这一方面给学生提供了分享实验成果和经验、锻炼总结和表达能力的机会,另一方面也使小组内部实验成绩的给定更加科学合理。

3 Food Microbiology and Safety实验课程教学改革的成效

3.1 综合设计性实验提高了课程挑战度

2018年6月21日,教育部部长陈宝生在新时代全国高等学校本科教育工作会议上指出:“要提高大学生的学业挑战度,合理增加大学本科课程难度、拓展课程深度,扩大课程的可选择性,激发学生的学习动力和专业志趣,真正把‘水课’变成有深度、有难度、有挑战度的‘金课’。” 随后,教育部高等教育司司长吴岩在第十一届“中国大学教学论坛”上提出了“金课”的评价标准为“两性一度”,即高阶性、创新性、挑战度。所谓“高阶性”,是知识、能力、素质的有机融合,培养学生解决复杂问题的综合能力和高级思维;所谓“创新性”,是课程内容反映前沿性和时代性,教学形式呈现先进性和互动性,学习结果具有探索性和个性化。所谓“挑战度”,是指课程有一定难度,需要跳一跳才能够得着,对老师备课和学生课下学习有较高要求[10-11]。

本实验课程开设于大三第一学期,此时学生已经完成了《微生物学》实验的学习,掌握了基本实验操作技能。本门课程的前半部分的菌落平板计数、菌种鉴定的学习为开展难度更大、综合程度更高的研究实验项目奠定了基础;后半部分对文献查阅、方案设计、总结及报告等方面的能力要求进一步提高。此外,通过多次随机分组推进了深度合作学习,不仅培养学生合作技能和解决冲突的技能,而且要平衡放权与控制,从而为提升课程挑战度和锻炼学生创新思维提供了新的思路[12]。

3.2 目标驱动型教学激发学习热情提高课程目标达成度

2019年,教育部在《关于一流本科课程建设的实施意见》中指出,人才培养的核心要素是课程,课程的质量直接决定着人才培养的质量。近年来,全国高等教育界掀起以学生为中心的教育改革潮流,其中不乏以降低课程难度和要求、迎合学生心理的讨好式“以学生为中心”,但也有专家明确指出:以谁为中心就意味着谁应该是教学环节中最忙碌的角色,那么以学生为中心的教学环境下学生就应该是最忙的。教学,作为一个设计活动,其本质是问题解决与需求满足,是一种基于目标达成的系统化思考的过程。因此,必须以目标为指向,强调方法、手段与其核心基础所反映的认识论一致的相互联系,并通过评价判断其成效[13]。本课程通过在4个模块中设定4个场景和相应的项目或岗位目标,基于项目或岗位目标的驱动教学方式把教学目标当做教学的主线,教师在课堂中占主导地位,学生作为课堂中主体。学生以项目目标为引领、以理论知识为支撑,通过自发和自觉设计与实践,顺利完成了项目要求。

课程组对学生进行了过程性评价和总结性评价相结合的考评方式,4个模块对应的4个课程目标全部同学达成度均大于0.7。此外,还邀请学生对教师和课程进行了评价,本课程所有任教教师的评教平均分92.74分,占开课学院评教百分比前10.22%,多名学生在开放性评价中表示“课程内容理论联系实际,实用性强”、“在本课程的实验过程中,我把微生物课上学的知识充分运用到食品的生产和贮藏过程”、“学习本课程的获得感很强”。

4 结语

我校与新西兰梅西大学合作开设的Food Microbiology and Safety实验课程,针对传统课程高度分化导致内容割裂、实验内容以验证性实验和基本操作练习为主、被动接受式学习、课程难度低且缺乏挑战性等问题,进行了一系列改革创新,包括通过课程设计实现知识整合,将食品微生物学与食品安全学有机融合、设定复杂实验目标以激发自主学习并锻炼统筹能力、建设多渠道、多样化的线上教学资源支撑自主学习、全英文教学全方位锤炼英语听说读写能力等多措并举,已收获了较为理想的教学效果。在今后的教学过程中,将继续深化改革,加强整个教学链的建设,并把合作办学的经验推广到更大的范围,力求为食品工业的可持续发展培养具有更高综合素质的专业人才。

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