《Frontiers in Food Science and Technology》：Design, development, and implementation of take-home laboratory kits for measurement of water vapor transmission rate of polymeric films
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许多学生因多种原因难以获得实验室设施和实体实验的机会。使用低成本工具复制实验室设备和测试方法并开发的家用套件（take-home kits），为支持面向所有人的科学与工程教育提供了一种有前景的解决方案，包括参加在线学位项目的学生，以及因残疾而无法参加线下实验室
许多学生因多种原因难以获得实验室设施和实体实验的机会。使用低成本工具复制实验室设备和测试方法并开发的家用套件（take-home kits），为支持面向所有人的科学与工程教育提供了一种有前景的解决方案，包括参加在线学位项目的学生，以及因残疾而无法参加线下实验室课程的学生。本研究阐述了用于测量聚合物薄膜水蒸气透过率（water vapor transmission rate，WVTR）的低成本且用户友好的家用套件的设计与开发；这是食品包装课程中的一个重要主题。所述套件包含内部制造（in-house fabricated）组件和市售低成本传感器。研究人员开发了具体说明，以指导学生在执行实验、收集和分析数据时进行操作。说明还包括套件在不使用时应如何储存和维护的指引，以便其能够在多种场合重复使用。实验室讲义包含实验前和实验后测验（pre- and post-laboratory quizzes），课程教师可使用这些测验对教学工作进行形成性评估（formative assessments）。讲义还包含评估学生学习体验以及人口学和学术特征的调查，用于考察这些家用实验室工具的可行性、可接受性和潜在教育价值。大多数学生反馈证实，家用套件提供了宝贵的动手实践经验，有助于他们学习该课程旨在传授的科学原理。
研究背景方面，实验室课程是科学与工程课程的重要组成部分，有助于学生连接理论与应用，并建立实践技能和概念知识。已有研究显示，实验室活动可增强概念理解并促进认知发展，学生也更重视通过动手实践获得学习体验。然而，许多学生因财政资源缩减、昂贵实验室设备稀缺、COVID-19大流行期间线下实验室活动停止、参加在线学位项目或身体残疾等原因，难以进入实验室设施并参与实体实验。远程实验室（remote laboratories，RL）被认为是一种有前景的解决方案，可利用低成本家用套件复制实验室设备和测试方法，为所有学生提供更公平的参与机会。但RL在食品科学和工程课程中的开发与应用仍较有限，食品包装课程尤其缺乏定制的家用实验套件。基于此，研究人员设计、开发并部署了低成本、用户友好的水蒸气透过率（water vapor transmission rate，WVTR）实验室套件，并评估其可行性、学生学习结果和潜在教育价值。
研究人员开展的研究基于ASTM E96/E96M-21方法，制作了可重复使用的WVTR家用实验套件，并在多所机构实施。套件包括内部制造组件和市售低成本传感器，配有实验说明、储存维护指南、前后测验、学习体验调查及开放性问题。研究结论支持这些家用套件在食品科学与工程教育中的可行性和潜在教育价值，能够为学生提供必要的动手实验经验；但研究未设置同期对照组，且缺乏完整的个体层面前后匹配，因此结果不应被解释为证明其优于或等同于传统线下实验室教学。
主要关键技术方法方面，方法基于ASTM E96/E96M-21，将膜样密封在含干燥剂或水的不透性测试杯口，形成水蒸气压力梯度，置于受控相对湿度（relative humidity，RH）室中，通过分析天平定时称量质量变化。套件包括干燥器、不透性测试杯、分析天平、RH和温度传感器、真空脂/密封剂、干燥剂及测试膜。测试杯由丙烯酸板制造，开口直径5 cm。测试膜为Toppan Inc.（Tokyo, Japan）提供的聚乙烯对苯二甲酸酯（polyethylene terephthalate，PET）和聚丙烯（polypropylene，PP）基多层材料，厚度110 microns。样本队列来自八所合作机构的本科和研究生食品包装课程，实施跨越七个学期，从Fall 2022到Fall 2025；有效完整的前测和后测响应分别为162和118。五所beta测试机构包括Washington State、California State Polytechnic Pomona、Cornell、The Ohio State和Rutgers Universities。评估工具包括前后测验、调查和开放题；统计分析采用卡方/两比例z检验、比值比（odds ratio，OR）及95%置信区间（confidence interval，CI）、Mann–Whitney U检验、Welch两样本t检验和McNemar精确检验等。
研究结果部分，学习结果评估（Assessment of learning outcomes）通过前后测验和调查进行。Q1评估薄膜厚度对WVTR的影响，正确率从实验前63.0%提高到实验后76.3%，增加13.3个百分点，OR=1.89（95% CI：1.11–3.21；p=0.018）。Q2评估温度对WVTR的影响，正确率分别为74.1%和75.4%，p=0.798。Q3评估薄膜表面积对WVTR的影响，正确率从17.9%提高到25.4%，增加7.52个百分点，OR=1.56（95% CI：0.88–2.78；p=0.127）。在52名可唯一匹配的响应者中，Q3正确率从13.5%提高到30.8%，McNemar精确检验p=0.022；总知识均分从1.62提高到1.88，Wilcoxon符号秩检验p=0.065。非配对样本总均分从1.55±0.95提高到1.77±0.88，Mann–Whitney检验p=0.045，Welch敏感性分析p=0.045，Hedges’ g=0.24。开放式问题中，115/118名学生回答了“挑战”问题，105/118名学生回答了“限制/改进”问题。学生报告的挑战包括水蒸气通过测试膜的速率较慢、测试杯密封泄漏，以及家庭或宿舍中温度和湿度波动。限制/改进回答中，17.1%报告“无问题/无建议”，43.8%为混合回应，39.0%主要报告限制/问题。建议改进包括更明确指导控制和记录RH与温度、提供可接受的测量日程、改进杯密封垫圈、提供故障排查清单、使用更多密封脂、增加校准检查、额外湿度计电池，以及修订说明书以纳入测试膜暴露表面积信息。
机构分层学习结果（Institution-stratified learning outcomes）通过按机构描述前后测验表现。八个机构的Q1正确率在实验后数值上均较高，但差异幅度不同，部分机构实验后样本量较小。Q2表现总体较高，且机构间前后差异相对较小。Q3在机构间变异较大，若干机构有改善，其他机构变化不大或略有下降。总知识均分也因机构而异。由于前后响应无法完全个体匹配、机构样本量不等且学生嵌套于教师、课程和学期，未进行机构特异性推断检验。24个非标准或模糊访问码不能可靠归属机构，这些响应保留在合并分析中，但排除在机构分层汇总之外。机构分层结果应作描述性解释。
家庭套件开发与实施中遇到的障碍（Hurdles encountered during the development and implementation of the take-home kits）通过实施反馈总结。研究人员在采购低成本组件、组装套件和安全运输至不同地点方面需要大量规划；交付限制和延迟有时影响及时实施。干燥剂安全使用和机构审查委员会（Institutional Review Board，IRB）合规批准也是挑战。由于学生进行WVTR测试时没有直接监督，实验设计需尽量减少危险化学品和尖锐物体造成的伤害，因此需要仔细选择材料、清晰安全文档和详细说明。Kelley报告了在家实验中安全与监督挑战。根据首批套件学生反馈，研究人员制作了预录视频，补充WVTR测试执行说明。Amsen报告了远程化学实验套件的物流挑战；Traum and Hadi提到部分学生最初在正确组装家用套件方面存在困难，提示需要清晰说明、图示和可能的教程视频。另一个限制是缺乏即时教师或助教帮助，响应可能延迟或需使用虚拟沟通工具，问题解决延迟可能增加学生挫败感。克服这些物流挑战需要创造力、适应性和大量机构与教学支持。
讨论与局限方面，研究无法获得完整的个体层面前后测链接，因此162份前测和118份后测的合并比较代表组间关联，而非个体内或因果学习估计。响应数量差异也可能反映参与或未响应差异。可唯一匹配样本较小，统计功效有限。研究未纳入接受传统实验室教学或其他教学干预的同期对照组。实施在不同机构、教师、课程、学术水平和学期之间存在差异，可能造成响应聚类。额外学分激励和相同三个测验题目的重复使用可能带来动机、选择或测试效应。项目级统计检验为探索性，未校正多重比较。因此，研究结果主要应解释为可行性和潜在教育价值的证据，而非比较有效性的确定性证据。
研究结论翻译如下：远程实验室为支持远程教育提供了一种有前景的方法。异步远程学习通过允许学生选择何时、何地以及如何学习而提供灵活性。本文报告了用于测量聚合物薄膜水蒸气透过率的实验性家用套件的成功开发与实施。该套件使用低成本设备、传感器和内部制造组件组装而成。这些套件为食品科学与工程专业学生提供了必要的动手学习经验。尽管跨科学与工程学科对远程和虚拟实验室方法的报道日益增多，但针对食品科学与食品包装教育专门设计的家用实验实验室的文献相对有限。本研究通过评估向远程学习者提供动手聚合物包装实验的可行性，为这一新兴领域作出贡献。学生学习的间接和直接评估结果均表明学生表现积极。间接评估通过学生调查进行，主要是自我报告实验后体验，涉及四个动机因素，如“兴趣”、“能力”、“努力”和“感知价值”，由Fabiyi et al.另行报告；直接评估涉及本研究报告的实验前和实验后测验。本文研究结果支持在食品科学与工程教育中使用家用WVTR实验室套件的可行性和潜在教育价值。然而，由于本研究未包含同期对照组，且无法获得完整的个体层面实验前/后匹配，结果不应被解释为证明其优于或等同于传统线下实验室教学。参与和动机效应也应予以考虑。使用额外学分鼓励参与可能优先吸引更有动机完成活动及相关评估的学生。此外，相同的三个概念性题目在实验前和实验后测验中均被使用；因此，部分改善可能反映对评估工具的熟悉，而非仅反映实验室体验。总体而言，研究结果表明学生体验总体积极，并支持家用实验室套件在食品科学与工程教学中的可行性和潜在教育价值。这些套件还使学生能够在没有教师持续在场的情况下进行动手实验活动。需要进一步开展具有完整个体层面实验前/后匹配和客观实验表现测量的对照研究，以确定其相对于传统实验室教学的有效性。实践应用方面，本研究证明在远程学习和在线教学环境中实施低成本家用实验室套件以提供动手实验经验的可行性，该方法可作为食品包装课程其他主题以及食品科学与工程其他项目实验室活动开发的模型。
