本站原创摘 要：在高校大学生中开展研究性和创新性实验,目的是培养大学生科技创新能力及自主管理能力.在项目开展中,组织一个朝气蓬勃、活力强大的管理核心,团结全组力量,充分调动同学学习与研究的主动性、积极性和创造性.改变由指导老师下发任务或指令,学生被动执行的局面,实现学生从被动实验到自己提出方案并完成实验的转变,从而达到培养和提高学生科技创新能力的目的.
关 键 词：食品安全与卫生管理研究性学习创新性实验人工神经网络
在大学生研究性和创新性科研项目中,要改变由指导老师一步一步发指令由学生被动完成任务,还是科研小组同学主动学习、主动定方案（方向）、定任务后,再由指导老师和全组同学商讨,小组同学分别完成相应工作任务,再学习,再研讨,再实验等,直到项目完成.这是研究性和创新性项目培养和提高同学自主管理能力和科技创新能力非常关键的环节.在这个环节上,老师不再是“司令员”,而是科研小组中的普通一员.下面以“水培虾、南美白对虾、斑节对虾氨基酸紫外可见光谱人工神经网络定量测定及营养学分析”大学生科技创新项目为例,说明一些具体作法.
1.组织小组同学展开调研,明确科研与生产实际相结合,培养社会调查能力
“水培虾、南美白对虾、斑节对虾氨基酸紫外可见光谱人工神经网络定量测定及营养学分析”项目小组成员来自学校中三个专业不同年级的同学,自愿组合而成.首先在老师的主持下由小组同学选出2名学习好、责任心强、实践操作能力强的同学组成项目小组管理核心.然后小组负责同学则将同学分成二个调查组,分别到海产品养殖场和海产品销售市场展开调研.二个小组调查完毕,通过汇总与讨论,大家明确了目前舟山人工养殖虾体主要有三大代表品种：水培虾、斑节对虾和南美白对虾.这三种虾适应范围广,产量高,是目前我国东海养殖的主要特色品种.其营养丰富,口感鲜美,市场需求量大,经济价值较高,具有良好的市场前景.因此,必须依靠通过对这三种虾的优良品种的选育、饲料配料的组合和筛选及其营养价值的分析等工作进一步提高其质和量.而这些工作的开展必须进行氨基酸的测定.可见,虾体肌肉中氨基酸含量的测定具有十分重要的意义.于是同学们经充分讨论后认为：开展“虾体氨基酸检测”的创新性实验,不但具有重要的实际意义,而且可行性强.不但可加深同学们的专业基础知识,还可拓展同学们知识视野,培养科技创新能力.
2.组织同学学习相关背景知识,提高自主学习能力,加深对基础课程知识的理解
项目小组管理核心下一步则是组织科研小组成员复习《生物化学》、《营养学》、《食品分析与检验》等基础及专业课程,首先是进一步加深同学对虾体中氨基酸的认识.氨基酸是人体必不可少的营养成分之一,而有些氨基酸是不能在人体内自行合成必需要从食物中获取,如异亮氨酸、亮氨酸、甲硫氨酸（蛋氨酸）、赖氨酸、苏氨酸、苯丙氨酸和缬氨酸,它们称为必需氨基酸[1].因此虾体中氨基酸的检测分析主要就是针对这些必需氨基酸.必需氨基酸的含量高,虾的营养价值就大,商业价值就高.而养殖对虾虾体中氨基酸含量的传统检测方法存在费用高、样品用量大、检测方法费时繁琐等问题,不适于养殖生产控制特别是虾体氨基酸含量的快速分析.结合《现代仪器分析》课程中的知识,同学们提出用最简单的紫外-可见光谱法结合人工神经网络用于三种对虾主要氨基酸（必需氨基酸和鲜味氨基酸）的不经分离定量测定.光谱数据在BP人工神经网络实现对虾肌肉中氨基酸定量分析的基础上[2],进一步试验采用较新的具有较强自适应能力和较好预测效果的极限学习机（ExtremeLearningMachine,ELM）神经网络模型完成定量分析和预测,尝试为对虾虾肉中氨基酸多组分分析提供一种不需贵重仪器的简易新方法.
3.组织同学自主检索查阅文献,学习人工神经网络方法,拓展知识视野
方向任务明确以后,项目小组管理核心则组织小组同学自主检索相关文献,自主学习相关知识,开拓知识视野,重点组织小组同学学习人工神经网络方法.经过项目小组全体成员的多次学习与探讨,大家都清楚的知道了人工神经网络现在已经是解决化学问题的一种重要的化学计量学方法.是模拟人脑神经元的工作原理来建立模型进行分类与预测的一种化学计量学手段[3].目前,人工湖神经网络应用于氨基酸混合液测定中主要是误差反向传播(Backpropagation,BP)人工神通网络（BP是由输入层,输出层以及若干隐含层节点间互连而成的一种多层网络）.但它存在一些无法克服的缺点,如：训练速度慢；训练过程可能不稳定；容易陷入局部极小点,无法达到全局最小；而且可见-紫外光谱所含的波长数据点多,具有多重共线性,会造成建模时间长等问题.经过小组学习探讨和老师的指导,大家提出针对海产品对虾氨基酸溶液光谱测定中波长数据点多的问题,我们可以试用极限学习机完成对虾体肉中必需（主要）氨基酸含量测定并与BP神经网络等方法进行分析对比.进一步的学习与探讨,小组同学明确了极限学习机（ExtremeLearningMachine,ELM）神经网络是南洋理工大学G.B.Huang等人在2006年提出的一种人工神经网络模型训练新算法,与传统的误差反向传播(Backpropagation,BP)人工神通网络方法相比,极限学习机有泛化性能好、训练学习速度快等优点[4].
4.组织同学主动联系药品试剂市场,锻炼社会人际交往能力
在购写所实验所需的试剂与材料方面,项目小组管理核心同学认识到,本项目所需主要仪器为紫外可见分光光度计和氨基酸分析仪,但实验试剂则不同于以往的实验课,老师配好实验用试剂后供同学直接使用.现在是需要通过小组同学自己去市场联系,同学自己购写,写来后还需同学自己配制,因此这是一个培养同学社会人际交往能力的好机会.项目小组管理核心则首先组织同学上网查找相关试剂的供应商的信息,然后让同学比较这几家商家的报价及其产品的可靠性,从中挑选出合乎条件的2-3家商家,最后由项目小组管理核心负责联系着2-3家商家,并与小组成员讨论比较后进行购写.
5.组织与分配小组同学各自完成相应的具体实验项目,培养实验实际操作能力
在仪器使用等方面老师则重点指导这几个同学,即他（她）们同时也就成为这个项目小组的“指导老师”.如由他（她）们负责实验试剂的配制或指导同学配制,负责指导同学进行仪器操作,负责分配或指导同学完成相应的具体实验项目,辅助或指导实验小组同学完成实验设备的具体配置等等.如以下取同龄期、同体长、同体重的南美白对虾、竹节虾（日本对虾）和水培虾称重,匀浆机匀浆10min,真空干燥箱在50℃下真空干燥,制成粉.分别称取水培虾粉、南美白对虾粉,竹节虾粉加盐酸水解24h这些实验过程,均在项目小组管理核心同学的安排下有条不紊地完成.
在指导老师的辅导下,项目小组管理核心组织小组同学分别取三种虾的水解液稀释成9个浓度,用L-8800型氨基酸分析仪分别测定三种虾体9个浓度水解液的氨基酸含量.用紫外-可见分光光度计分别对三种虾体9个浓度的水解液进行光谱扫描[5],获取一系列光谱数据.再取未知氨基酸浓度的三种虾体3个不同浓度的水解液同样进行光谱扫描获取光谱数据.然后用已知氨基酸浓度的光谱数据训练神经网络并对未知浓度虾水解液进行氨基酸含量预测.结果见图1和图2.通过对测定结果的分析进一步加深了小组同学对《现代仪器分析》课程中光谱扫描和吸收光谱曲线概念和几种人工神经网络模型的理解和认识.
6.老师和小组同学一起学习讨论人工神经网络方法,分析测定结果,培养科学分析能力
在对测定结果的分析中,项目小组全体同学分成3个学习小组,每个小组对照参考资料,根据所得测定数据结果与数据可视化图形（如图1、图2等）,先进行分析讨论,有了初步的认识后,指导老师和全体小组成员在一起再进行充分的分析与探讨.最后大家得出结论：紫外-可见光谱数据结合三种人工神经网络（①误差反向传输神经网络,BP.②径向基函数神经网络,RBF.③极限学习机神经网络,EML）对氨基酸溶液中氨基酸浓度的测定,径向基函数神经网络（RBF）的预测结果比误差反向传输神经网络（BP）好,但极限学习机神经网络（EML）的预测效果要好于误差反向传输神经网络（BP）和径向基函数神经网络（RBF）.同时大家进一步认识到,氨基酸溶液（如虾肉水解液）中氨基酸的定量分析,一般都是用比较昂贵的分析仪器如高效液相色谱仪等仪器来完成,而且操作复杂、费时、费劲.所以,如果是使用普通的紫外-可见光谱仪结合计算机数值方法来完成虾肉中的氨基酸测定,所用仪器简单普遍,且分析样品不经分离.推广开去,不但可用于对虾肌肉中氨基酸含量测定及品质评判,也可用于其他水产品和肉类食品中氨基酸含量的分析,即在食品质量分析方面有一定的意义[6].
7.结论
从以上讨论分析可见,紫外-可见光谱结合人工神经网络方法测定氨基酸溶液中氨基酸浓度具有一定的科学研究价值和经济价值.
再说在本次研究性和创新性实验中,指导老师的指导工作着力于以下几个方面,首先是：辅导学生建一个工作能力较强的项目小组管理核心.有了这个项目小组管理核心,所以以下工作都是在项目小组管理核心的配合下顺利完成的.第一,指导学生完成实验相关背景知识和基础课程学习；第二,引导学生思考如何查阅检索所须文献,提高学生获取有效信息的能力.第三,引导学生独立购写所需实验试剂,提高学生社会交往能力.第四,指导学生自行完成实验试剂的配制,培养同学的动手操作能力.第五,参与小组讨论学习,帮助学生提高分析问题和解决问题的能力.
通过此次研究性学习,本科学生作为科研创新实验的主体,不仅加深了对基础课程知识的理解,还拓展了知识面（如人工神经网络、化学计量学等方面的知识）.不但提高了仪器操作方面的实际操作使用能力,还提高了计算机技术方面的能力（如人工神经网络建模、数值计算等等）,从而激发了同学们的创新性思维和创新意识,全面提升了科技创新能力.