大型仪器在大学生创新能力培养中的应用与实践——以光学微流变仪在食品化学实验教学中的应用为例.pdf
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1、 D O I:1 0.3 9 6 9/J.I S S N.1 6 7 4-1 4 7 1.2 0 2 3.0 3.0 1 9大型仪器在大学生创新能力培养中的应用与实践 以光学微流变仪在食品化学实验教学中的应用为例陈海华1,2,陈 妍2(1.青岛农业大学巴瑟斯未来农业科技学院;2.青岛农业大学食品科学与工程学院,山东青岛 2 6 6 1 0 9)摘 要:探索将大型精密仪器设备光学微流变仪应用于食品化学本科实验教学,开阔视野激发兴趣,锻炼动手实践能力,培养科学创新精神。实验以大豆分离蛋白为材料,利用光学微流变仪无损、快速、精确测试手段,生动展现凝胶形成过程,探索生物大分子运动规律,并结合实际案例,
2、详细分析大分子运动与凝胶化过程的紧密联系。实验设计尝试模拟一次科研探索过程,涵盖文献查阅、自主设计、样品制备、测试与分析、报告及总结等环节,为45人小组实验,实验过程科学探索性强。实验设计有助于培养学生的自主学习和实践能力,提高科学分析问题能力。关键词:创新能力;实验教学;光学微流变;大型仪器;食品化学中图分类号:G 6 4 2;T S 2 0 3 文献标识码:A文章编号:1 6 7 4-1 4 7 1(2 0 2 3)0 3-0 1 2 4-0 7基金项目:2 0 2 1年山东省本科教学改革研究重点项目(Z 2 0 2 1 1 6 7);山东省一流本科课程建设(鲁教高函2 0 2 03号);
3、教育部产学合作协同育人项目(2 0 2 1 0 2 0 2 8 0 4 5);山东省高等教育学会高等教育研究专项课题本科重点项目(S D G J 2 1 1 0 1 1);山东省研究生教学案例库建设(S D YA L 1 9 1 3 4);青岛农业大学食品化学优秀教学团队建设项目(青农大教发2 0 1 91 2号);青岛农业大学食品化学课程思政教学团队(X T D 2 0 2 2 0 1 0);青岛农业大学“专创融合”课程教学改革项目(Z C J G 2 0 2 1 0 2)收稿日期:2 0 2 3-0 4-2 0作者简介:陈海华(1 9 7 3),女,山东招远人,博士,教授。研究方向:食品化
4、学教学与科研。E x p l o r a t i o n a n d A p p l i c a t i o n o f L a r g e-s c a l e i n s t r u m e n t s i n C u l t i v a t i n g C o l l e g e S t u d e n t s I n n o v a t i v e A b i l i t y T a k i n g t h e A p p l i c a t i o n o f O p t i c a l M i c r o-r h e o m e t e r i n F o o d C h e m i
5、 s t r y E x p e r i m e n t a l T e a c h i n g a s a n E x a m p l e CHE N H a i-h u a1,2,CHE N Y a n2(1.B a r t h u r s t F u t u r e A g r i-T e c h I n s t i t u t e o f Q i n g d a o A g r i c u l t u r a l U n i v e r s i t y;2.C o l l e g e o f F o o d S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n
6、 g,Q i n g d a o A g r i c u l t u r a l U n i v e r s i t y,Q i n g d a o 2 6 6 1 0 9,C h i n a)A b s t r a c t:T h e a p p l i c a t i o n o f o p t i c a l m i c r o-r h e o m e t e r,a l a r g e-s c a l e i n s t r u m e n t,i n F o o d C h e m i s t r y E x p e r i m e n t t e a c h i n g f o r
7、 u n d e r g r a d u a t e s w a s i n v e s t i g a t e d,w h i c h c o u l d b r o a d e n t h e h o r i z o n,i n s p i r e t h e i n t e r e s t,e x e r c i s e t h e p r a c t i c a l a b i l i t y a n d c u l t i v a t e t h e s c i e n t i f i c i n n o v a t i o n s p i r i t.I n t h e p r e
8、 s e n t e x p e r i m e n t,s o y b e a n p r o t e i n i s o l a t e w a s u s e d t o d e m o n s t r a t e t h e p r o c e s s o f g e l f o r m a t i o n a n d e x p l o r e t h e l a w s o f m a c r o m o l e c u l e s w i t h a n o n d e s t r u c t i v e,r a p i d a n d a c c u r a t e m e a
9、 s u r e m e n t b y o p t i c a l m i c r o-r h e o m e t e r.S i m u l t a n e o u s l y,p r a c t i c a l c a s e s w e r e u s e d t o d e s c r i b e t h e r e l a t i o n s h i p s b e t w e e n t h e m o t i o n o f m a c r o m o l e c u l e s a n d t h e p r o c e s s o f g e l a t i o n.T h
10、 e p r e s e n t e x p e r i m e n t d e s i g n a t t e m p t e d t o s i m u l a t e a s c i e n t i f i c r e s e a r c h a n d e x p l o r a t i o n p r o c e s s,i n c l u d i n g l i t e r a t u r e r e v i e w,i n d e p e n d e n t d e s i g n a t i o n,s a m p l e p r e p a r a t i o n,t e s
11、 t i n g a n d a n a l y s i s,a s w e l l a s r e p o r t a n d s u mm a r y.T h e e x p e r i m e n t p r o c e s s w a s c o n d u c t e d i n g r o u p s o f 4 o r 5 s t u d e n t s,s h o w i n g s t r o n g s c i e n t i f i c e x p l o r a t i o n s p i r i t.I n a d d i t i o n,t h i s e x p
12、e r i m e n t d e s i g n a t i o n w a s h e l p f u l t o c u l t i v a t e t h e i n d e p e n d e n t l e a r n i n g a n d p r a c t i c a l a b i l i t y o f u n d e r g r a d u a t e s a n d i m p r o v e t h e i r a b i l i t i e s o f s c i e n t i f i c a n a l y s i s.K e y w o r d s:i n
13、n o v a t i v e a b i l i t y;e x p e r i m e n t t e a c h i n g;o p t i c a l m i c r o-r h e o m e t e r;l a r g e-s c a l e i n s t r u m e n t;f o o d c h e m i s t r y 2 0 2 3年8月 第3 5卷 第3期 青岛农业大学学报(社会科学版)J o u r n a l o f Q i n g d a o A g r i c u l t u r a l U n i v e r s i t y(S o c i a l S
14、c i e n c e)A u g u s t,2 0 2 3V o l.3 5 N o.3 创新能力 不足是当 代大学 生 普 遍 存 在 的 现象1-4,制约着国家创新能力的提升。习近平总书记在中国科学院第十九次院士大会、中国工程院第十四次院士大会上的讲话指出:“谁拥有了一流创新人才、拥有了一流科学家,谁就能在科技创新中占据优势。”而目前,我国高水平创新人才仍然不足,特别是科技领军人才匮乏5。因此,如何培养学生的创新能力已成为各高校教学改革面临的重要问题。关于深化高等学校创新创业教育改革的实施意见(2 0 1 5年)6和 中 国 中 长 期 教 育 发 展 规 划 纲 要(2 0 1 02
15、 0 2 0年)7均提出,“要着重培养大学生的创新能力和解决实际问题的动手实践能力”。党的十九大报告再次明确提出“要大力培养研究创新人才,加快建设创新型社会”。实验教学是培养学生实践创新能力的重要途径。先进的大型精密仪器设备应用于本科教学固然可以开阔学生视野、增长学生知识。然而,受制于大型精密仪器设备昂贵的价格和操作的严谨性,目前对本科生开设的使用大型精密仪器设备实验较多采用演示观察教学方法,这限制了学生的独立操作和独立思考能力的培养,不利于培养学生动手能力和创新性思维。近年来,高校大型精密仪器设备的数量和质量明显提升8,在本科实验教学中引入大型精密仪器设备,将最新科研成果应用到本科教学,将有
16、助于培养学生的学习兴趣和科研素养9,提高学生的科研创新能力,全面培养学生的动手能力1 0,有利于知识从理论到实践的转移1 1,为本科生实验教学提供新思路1 2。高校大型精密仪器设备主要用于科研工作和研究生培养,但现在越来越多的学者开始探索如何有效发挥这些大型精密仪器设备在本 科 实 验 教 学 和 大 学 生 科 技 创 新 训 练 中 的 作用1 0,1 2-1 4,8,以适应一流人才培养的需要。食品化学是一门兼具理论性和实践性的课程,是食品科学与工程专业、食品质量与安全专业、粮食工程专业的重要专业基础课。实验教学是食品化学课程重要的实践教学环节,其目的是帮助学生运用课堂讲授的食品化学理论知
17、识解决实际问题,有助于培养学生形成良好的科学素养和实践创新能力。食品加工过程中,蛋白质和多糖的凝胶功能性质是生物聚合物的重要性质,影响着食品品质,是食品化学的重点内容,也是食品化学实验的主要教学内容。光学微流变技术可以用于研究生物聚合物的凝胶性质,与传统机械式流变仪相比,具有无损、精确、快速、易于操作等优点1 5-1 6,可操作性强,理论通俗易懂,适宜作为本科实验教学内容。因此,在我校食品类专业大三本科生的食品化学实验教学中,应用光学微流变技术研究生物聚合物的凝胶性质,有助于改革实验教学模式,培养学生的学习兴趣,提高学生的实践创新能力和综合素质,提升实验教学质量。一、实验教学设计实验采用光学微
18、流变仪研究大豆分离蛋白胶凝过程的M S D-td e c关系曲线,分析胶凝剂对大豆分离蛋白凝胶特性的影响,包含实验预习、理论讲授、实验操作、总结汇报4部分。(一)实验预习实验开始前两周,布置任务,要求学生查阅文献,了解光学微流变仪的结构、分析原理、样品制备等相关知识,掌握相关术语,并要求学生做好实验预习笔记,培养学生自主学习能力。(二)理论讲授由教师集中讲解,介绍光学微流变技术的分析原理、样品的制备要求、分析测试步骤、仪器参数设置的原则、仪器维护及注意事项等。(三)实验操作学生分组实验,每组45人。每组学生按要求制备相应的实验样品,根据测试方法完成实验样品的M S D-td e c曲线测试、数
19、据采集。(四)总结汇报实验结束后,组织学生分析实验数据,撰写实验报告,并进行总结汇报。汇报内容围绕“为什么做”“做什么”“怎么做”展开,分析实验过程中遇到的问题,归纳实验的创新点,汇报时间约5 m i n。通过这种实验教学模式,既培养了学生实践创新能力,又培养了学生团队协作的意识。二、实验教学实例(一)实验目的了解光学微流变仪的基本原理、结构及应用;掌握光学微流变分析的制样方法、测试技术和数据分析方法;探索光学微流变技术在研究大豆分离蛋白凝胶特性方面的应用;培养学生自主学习和实践创新能力,激发学生对科学研究的兴趣。(二)实验原理光学微流变技术是一种基于动态激光光散射原理的、在静态和无扰条件下表
20、征分散体流变特性和内部结构的分析技术1 5。它依据多散斑扩散光谱学,持续追踪检测颗粒在连续相中的微观运动状521 3期 陈海华,等:大型仪器在大学生创新能力培养中的应用与实践 态1 7。由于分散相与连续相折光系数不同,给定波长的激光在试样中发生散射,形成散斑图,通过分析散斑图的变化,可以获得均方根位移(M S D)与去相关时 间(td e c)的 关 系 曲 线(M S D-td e c曲 线),根 据M S D-td e c曲线可获知样品结构的信息。与传统机械流变测试相比,光学微流变不破坏样品结构,可以在原位对样品进行测试,能实时监测样品,测量结果更加准确1 5,1 8。(三)材料与方法1.
21、实验设备与材料R h e o l a s e r M a s t e r光学微流变仪,法国F o r m u-l a c t i o n公司;R h e o l a s e r样品池(2 0 m L);D F-1 0 1 S集热式恒温加热磁力搅拌器,巩义市予华仪器有限责任公司。2.样品制备方法分别称取3份5 g大豆分离蛋白(S P I)于8 0 m L烧杯中,加入4 5 m L蒸馏水,搅拌1 h至S P I完全水化,置于9 0 水浴搅拌1 0 m i n,添加胶凝剂至S P I溶液并充分搅拌,立即转移至3个2 0 m L的R h e o l a s e r样品池中,进行测定。不同胶凝剂条件下制
22、备的样品及其标记为:样品A,不添加胶凝剂,对照;样品B,S P I溶液+0.0 8 g C a C l2;样品C,S P I溶液+0.1 g C a C O3+0.1 g葡萄糖酸内酯(G D L)。3.测试方法(1)取2 0 m L样品加入2 0 m L样品池,样品池液面与样品支架平齐,旋紧带密封圈的盖子,置于光学微流变仪中,于待测温度下平衡3 0 m i n后测试。(2)打开仪器电源,运行R h e o s o f t软件,仪器探头开始初始化。初始化完成后,单击O K按钮(图1)。图1 R h e o s o f t软件的初始化界面(3)点击主菜单F i l eN e w或快捷按钮,创建一个
23、新文件。(4)设定测试条件。点击快捷按钮,设定测试温度(图2),在N e w S e t P o i n t输入框中输入待测温度9 0 并点击A p p l y按钮。待仪器温度稳定至9 0 后,再点击主菜单A n a l y s i sS t a r t a n e w m e a s-u r e m e n t或快捷按钮,打开自动测试设置窗口(图3),勾选拟使用的测试探头(H e a d N u m b e r),命名测试 样 品(M e a s u r e m e n t N a m e),选 择 测 试 模 式(P r o g r a m)为F u l l C h a r a c t e
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- 大型 仪器 大学生 创新 能力 培养 中的 应用 实践 光学 流变 食品 化学 实验教学
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