基于CDIO模式的食品工程原理課程教改與探索

何志平 陳芳 鮑宗亮

近幾年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，食品企業(yè)機(jī)械化程度不斷提高。例如食品的包裝，15年前在浙江的眾多中小企業(yè)中還大量采用人工包裝，但近年來(lái)，幾乎絕大部分企業(yè)都采用自動(dòng)化包裝生產(chǎn)線進(jìn)行機(jī)械化包裝，生產(chǎn)環(huán)節(jié)的自動(dòng)化程度不斷提高。因此，食品專業(yè)人才培養(yǎng)要求也發(fā)生了變化，如何提高學(xué)生的實(shí)踐能力，成為高校育人模式改革的新方向。食品工程原理本質(zhì)是單元操作原理集合，是進(jìn)行食品工藝設(shè)計(jì)、機(jī)械與設(shè)備設(shè)計(jì)及選型等課程的必備知識(shí)，是食品科學(xué)與工程專業(yè)的核心課程之一。本文主要對(duì)基于CDIO模式的食品工程原理課程的教學(xué)改革進(jìn)行摸索，從而為食品工程原理的課程改革以及學(xué)生實(shí)踐能力提升提供參考。

一、CDIO工程教育模式概述

近年來(lái)，工業(yè)界逐漸認(rèn)識(shí)到，由于嚴(yán)重脫離實(shí)踐，高校工程專業(yè)所培養(yǎng)的畢業(yè)生難以適應(yīng)現(xiàn)實(shí)工業(yè)生產(chǎn)的需要。高校工程教育必須主動(dòng)調(diào)整人才培養(yǎng)模式，以滿足工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的需求。CDIO工程教育模式就是在這種情況下應(yīng)運(yùn)而生的。

CDIO是2001年由美國(guó)麻省理工學(xué)院聯(lián)合瑞典的查爾姆斯技術(shù)大學(xué)、林克平大學(xué)以及皇家技術(shù)學(xué)院等3所高校共同開(kāi)發(fā)的一種全新工程教育理念和實(shí)施體系。CDIO是英文單詞“構(gòu)思”（Conceive）、“設(shè)計(jì)”（Design）、“實(shí)施”（Implement）、“運(yùn)行”（Operate）的縮寫(xiě)。CDIO工程教育的設(shè)計(jì)靈感源于工程產(chǎn)品/系統(tǒng)的生命周期，注重培養(yǎng)學(xué)生掌握扎實(shí)的工程基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識(shí)，并在此基礎(chǔ)上將教育過(guò)程放到工程領(lǐng)域的具體情境中，通過(guò)貫穿整個(gè)人才培養(yǎng)過(guò)程的團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)和創(chuàng)新實(shí)踐訓(xùn)練，培養(yǎng)專業(yè)基礎(chǔ)扎實(shí)、職業(yè)道德高尚的新一代高水平工程師。

二、基于CDIO 的“食品工程原理”教學(xué)改革思路

食品工程原理核心教學(xué)內(nèi)容是“三種傳遞”，即熱量、質(zhì)量和動(dòng)量傳遞。熱量傳遞以理論計(jì)算為主，因而應(yīng)多設(shè)計(jì)一些計(jì)算場(chǎng)景，增加學(xué)生的理論掌握程度。質(zhì)量傳遞和動(dòng)量傳遞在食品企業(yè)中應(yīng)用比較普遍，比如物料干燥、輸送、固液離心處理、沉降、提取、攪拌等，因而需要進(jìn)行實(shí)際操作來(lái)提升學(xué)生的動(dòng)手能力。下面以物料干燥實(shí)驗(yàn)來(lái)探討CDIO教育模式在“食品工程原理”教學(xué)中的應(yīng)用。

2.1 構(gòu)思階段

物料干燥是食品原料處理的重要單元操作，干燥過(guò)程可以分為水分?jǐn)U散內(nèi)部控制和外部控制過(guò)程。內(nèi)部控制過(guò)程主要受到物料厚度、物料內(nèi)部空隙結(jié)構(gòu)、水分結(jié)合牢固程度等因素的影響，而外部控制過(guò)程主要受到空氣相對(duì)濕度的影響。不同物料干燥特性相差很大。學(xué)生通過(guò)查詢相關(guān)資料，并考慮到山核桃是浙江的特產(chǎn)，其物料干燥還比較落后，選擇新鮮山核桃進(jìn)行干燥試驗(yàn)，觀察干燥過(guò)程中含水量、水分比和干燥速度的變化。

2.2 設(shè)計(jì)階段

山核桃目前以自然晾曬和熱風(fēng)干燥為主，干燥方式比較落后。學(xué)生在查詢其他物料干燥的基礎(chǔ)上，選擇不同大小的山核桃進(jìn)行干燥試驗(yàn)，考察物料尺寸對(duì)干燥速度、平衡含水量、有效水分?jǐn)U散系數(shù)等干燥特性的影響。設(shè)置不同干燥溫度試驗(yàn)，考察干燥溫度對(duì)干燥特性的影響，并利用阿倫尼烏斯公式，對(duì)不同溫度有效水分?jǐn)U散系數(shù)進(jìn)行回歸，并計(jì)算出山核桃的干燥活化能，從而從根源上了解物料的干燥特性。設(shè)置不同干燥方法，如間歇微波干燥、真空干燥、自然晾曬和熱風(fēng)干燥對(duì)山核桃干燥特性的影響，在平衡干燥速度（時(shí)間消耗）、能量消耗和山核桃中不飽和脂肪酸變質(zhì)速度（營(yíng)養(yǎng)消耗）的關(guān)系，嘗試建立高效合理的山核桃干燥工藝。

2.3 實(shí)施階段

食品工程原理是一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，面對(duì)一些實(shí)際生產(chǎn)中的技術(shù)問(wèn)題，需要通過(guò)實(shí)踐才能真正熟練掌握。學(xué)生按照設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方案進(jìn)行山核桃干燥試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，山核桃尺寸對(duì)干燥時(shí)間幾乎沒(méi)有影響，卻對(duì)山核桃平衡含水量影響很大。通過(guò)與老師交流，得出不同大小山核桃干燥應(yīng)該在不同溫度下進(jìn)行，應(yīng)該進(jìn)行分級(jí)干燥。在進(jìn)行溫度干燥時(shí)，學(xué)生先進(jìn)行干燥曲線的繪制，發(fā)現(xiàn)溫度對(duì)干燥速度和平衡含水量影響顯著。從山核桃樣品的干燥要求來(lái)看，35℃進(jìn)行干燥的樣品不達(dá)標(biāo)，干燥溫度過(guò)高，干燥明顯變快，不飽和脂肪酸也快速上升，導(dǎo)致干燥樣品品質(zhì)下降，不利于后期加工。學(xué)生們?cè)谟懻摰幕A(chǔ)上認(rèn)為45℃是山核桃最適宜的干燥溫度。在對(duì)干燥方法對(duì)山核桃干燥特性的影響實(shí)驗(yàn)中，同學(xué)們可以觀察到干燥方法對(duì)山核桃干燥速度影響很大，同時(shí)通過(guò)干燥數(shù)據(jù)和機(jī)理分析，推斷出不同干燥方法對(duì)山核桃干燥熱量傳遞和水分傳遞的影響，從中篩選出綠色高效的工藝。通過(guò)山核桃干燥試驗(yàn)的實(shí)施，能夠讓學(xué)生熟悉干燥特性的評(píng)價(jià)，并初步掌握干燥的機(jī)理，從而有利于提升學(xué)生對(duì)物料干燥知識(shí)的熟練程度和運(yùn)用水平，從而大大提升學(xué)生的實(shí)踐能力。

三、結(jié)語(yǔ)

食品工程原理是食品專業(yè)的核心課程，但區(qū)別于其他課程，該門(mén)課程理論公式較少，而經(jīng)驗(yàn)公式較多，應(yīng)用場(chǎng)景復(fù)雜，具有極強(qiáng)的實(shí)踐性。學(xué)好食品工程原理能大大提升學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力。本文通過(guò)事先查詢相關(guān)資料，選擇具有特色的山核桃作為干燥原料，并通過(guò)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，串聯(lián)起常見(jiàn)的干燥知識(shí)，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)實(shí)施，大大提升學(xué)生的實(shí)踐能力。本文采用CDIO工程教育模式，對(duì)食品工程原理課程進(jìn)行改革探索，有利于提升食品工程原理的教學(xué)質(zhì)量，從而提升學(xué)生的實(shí)踐能力。

通訊作者：陳芳