循環認知理論在“食品工程原理”中的教學探索

吳迪迪，胡 新，劉艷紅，劉生杰，蘭 偉

（1.阜陽師范大學信息工程學院，安徽 阜陽 236041；2.阜陽師范大學生物與食品工程學院，安徽 阜陽 236037）

“食品工程原理”課程涉及到高等數學、大學物理（熱力學、傳質學、流體力學、傳熱學）、食品化學、生物學、化學反應工程、計算機技術（工程制圖）、普通化學及物理化學、經濟學等多學科知識，是一門的多元化、綜合性的課程，讓學生將所學的知識融會貫通具有一定難度，因此對學生學習及教師教學方式提出要求較高[1-2]。傳統的本科教學模式是通過教師課堂授課章節內容后再結合線下實驗的教學模式，在如今知識多元化的時代，在教學過程中應注重的是因材施教，明白各課程間的差異性，區分理解性、識記性、綜合性知識。

循環認知模式認為經驗是知識源泉，利用已有的知識、思維和經驗學習新的知識，將新學習的知識應用于已有的經驗，將知識存儲在大腦里面，獲得知識、培養技能、產生認知的過程總結為學習本質。初級階段的認知被認為通過閱讀、聽講、研究、觀察、理解、探索、實驗、實踐等手段獲得知識或技能的過程，是一種使個體可以得到持續變化，知識和技能、方法與過程、情感與價值的改善和升華的行為方式。高級階段的學習是人在生活過程中，通過獲得經驗而產生或潛能的相對持久的行為方式[3]。

M·戴維·梅里爾[4]五星教學法結合生活體驗，思考如何能有效激發學生的自主能動性，以培養學生發現問題、解決問題的能力為出發點，以提高教學質量、學習效率為目的提出循環認知教學模式，將學習的新舊知識、思辨能力應用到實際問題中，經不斷地發現問題、分析問題、獲取知識、解決問題再回到發現問題的過程，實現新知識轉化經驗認知的循環認知模式。具體通過以下5 個階段思考[5]：①學生投入到解決真實世界問題；②學生的先前知識被激發為新學習的基礎；③學習新知識被闡述給學生；④新知識被學生應用；⑤新知識被融合到學生的認知世界。

從“食品工程原理”教學的本質出發，基于Merrill 五星教學法引導性地培養學生的學習興趣愛好、刻苦鉆研的精神。研究探索提出“循環認知教學法”，旨在將學生的被動學習轉換為主動學習，將傳統的滿堂灌轉為主動吸收，最終實現知識的活學活用。

1 傳統教學過程中存在的問題分析

1.1 學習主動性不足，課前預習不充分

“食品工程原理”課程屬于交叉學科，涉及學科公式、知識點較多，且概念生澀，預習相對吃力，對學生基礎要求較高，需花時間和精力去學習鉆研，逐漸喪失學習動力。因此，對學習后面知識產生阻礙，在循序漸進的學習環節中儲備的知識出現斷層，逐漸導致學生失去學習的信心和興趣，甚至會對課程產生畏懼和抵觸情緒；另外，任課教師更需有過硬的專業知識，對于課程整體把握全面，利于指導教學、教書育人。部分教師在教學過程中對一些應用較少的理論或者其他學科的知識選擇性的刪減甚至跳過，在教學環節中未起到很好傳播知識作用。通過翻轉課堂改變教學模式進行答疑解惑，課堂使用思維導圖區分課程知識點、重難點，使知識點具有連貫性。

1.2 理論聯系實踐的能力、意識不足

結合已知理論，整個學習過程將學生對知識的理解分為“不知而學之，學之而知之，知之而用之，用之而思之，思之而熟之”等幾個階段；目前學生學習狀態培養實踐應用能力，往往在教學環節忽視了應用能力的培養。①學生知識儲備有限，知識應用能力熟練度有待加強；②缺乏實際生活體驗：“食品工程原理”中的原理、現象及公式的應用都源于實際生產、生活案例，傳統的教學模式大多針對概念、原理進行介紹，教學模式脫離了實際生活。③學生能做到上課認真聽課，滿堂灌地接受知識，但實際做不到認真有效的思考，脫離了實際問題。有針對性地進行案例分析，從學生熟知的事物中進行講解，逐漸深入學習探究。

1.3 偏向于識記類實驗作業較多，耗費大量無效時間

其他課程識記類作業、傳統實驗內容文字部分較多占用大量課余時間，導致“食品工程原理”有效學習時間不足，喪失學習主動性、動力。針對大學一二年級學生來說，課程量較大、實驗課程較多，學生課后無時間對“食品工程原理”課程進行有效的學習、課前預習及課后復習，導致實際學習效果并不理想，降低學生的學習興趣、有效學習時間。

1.4 學生碎片化學習

“食品工程原理”是融合其他學的完整學科，任課教師將其拆開來上[6-7]，對其他學科選擇刪除或不講，使知識體系碎片化，關聯度不完整，導致學生理解不透徹、問題增多；提出的循環認知教學模式，教學中增加對數理公式的理解和工程學應用層面的教學模塊，優化教學內容，突出教學重點。根據布魯姆教育理論[8]對教學目標的分類理論表明，學習分為初級認知、高級認知兩個階段。分別對應記憶-理解- 應用- 分析- 評價- 創造等階段。目前對“食品工程原理”課程傳統的教學目標停留在低級認知的記憶理解階段，而需過渡到分析規律實現創新的高級階段。通過解決碎片化學習方式，對容易記憶和理解的知識進行升華，對重難點知識進行解析、在應用中不斷發現問題，進而發揮學生的創造能力，發揮學生的主觀能動性，使“食品工程原理”知識體系更完整。

布魯姆對教學目標的分類理論見圖1。

圖1 布魯姆對教學目標的分類理論

1.5 學習缺乏計劃，自律能力有待提高

在課間深入學生宿舍了解到，受游戲、手機誘導，大多數學生都是利用上課時間進行預習。學生課前未有效預習，課后很難做到復習，在課后缺乏自律能力，缺乏教師約束，難以集中注意力在課程上，導致上課內容推進效果較差，達不到預期效果。當代大學生需要在學習的階段培養認真鉆研、迎難而上的學習態度。為了讓學生培養自主學習的意識、興趣，提高自律能力，形成良好的學習習慣，通過“學習通”線上將上課的課件及教學筆記等提前發給學生，加深對課程知識內容的理解，在線上設置時間，學生翻看PPT 的學習時間也算在平時成績中，以此來督促學生，培養學生自律意識，提高自主學習能力。設置課程思政環節，目的讓學生對知識點的掌握透徹、產生濃厚學習興趣，明確學習不僅是為了完成畢業任務，更重要的是深刻體會到學有所用，思維邏輯得到提高，用于未來的職業生涯。

1.6 考核形式單一

課程考核分為平時考核（30%） 和期末考核（70%）。平時考核主要以作業、簽到的方式進行打分，考試形式單一，期末成績合格即可完成課程的學習，讓學生感覺學習知識為了考試，極大限制學生的學習興趣、效率。將平時成績分值適當提高，平時成績提高到50%，期末考試50%。平時成績包括上課簽到10%，課堂互動表現30%，課后作業10%等，考核形式多樣化，減輕學生學習心理壓力，提升學生學習主觀能動性[9-10]。期末考核內容進行變化，試題設計逐漸增加以復雜工程應用為主的試題，重點考核學生工程思維和應用解決問題的能力，課堂互動提高學生學習興趣，有利于激發學生學習熱情，興趣促進學習效率的提高，效率促進期末考試成績的提高。提升學習成績并不是主要目的，最終是培養學生應用知識的能力。

2 循環認知教學方法的探索與實踐

循環認知教學模式是將舊知識與新知識相結合再次形成已知知識的過程，目的是提高學生的能力，發揮學生自主學習能力，將知識與實際問題建立聯系，既解決生活問題，又提高創造力。學習的初級階段學生需要理解知識，掌握記憶知識，進一步結合實際生活實現理論聯系實際，高級階段需要不斷地訓練分析客觀規律的能力，將認知、動作、情感融入生活并不斷推理評價，最終實現創新。通過翻轉課堂設計循環認知教學模型，將教學主體轉變為學生主體，給學生講解新知識并激發已有的舊知識，讓二者有機的融合再次形成新知識，達到靈活應用知識的程度，為后期的畢業設計、學科競賽項目做好鋪墊。

M·戴維·梅里爾五星教學法見圖2，循環認知教學設計過程見圖3。

圖2 M·戴維·梅里爾五星教學法

圖3 循環認知教學設計過程

2.1 課前思維導圖方式梳理知識點體系架構，聚焦學習重、難點

思維導圖可歸納總結學習內容、方式，梳理知識點，清晰掌握課程的完整結構脈絡，交代完整的學習任務、訓練完整任務、形成任務序列。食品工程原理本身是一門綜合性學科，知識面涉及較廣、知識點之間涉及脈絡錯綜復雜，因此在教學過程中在傳統的教學基礎之上增加此環節，目的在于建立知識的演化過程，梳理交叉學科知識之間的相互聯系，已知知識的查漏補缺，建立完整化的知識體系，將不同知識體系融會貫通，實現實踐應用相結合，使學生獲得學習成就感，激發學習的興趣和源動力。通過教師認真分析數理公式結構及知識點上下邏輯關系，對課程整體完全把控，幫助學生完成公式的理解和記憶。建立起章節之間的結構、聯系，有助學生對課程的邏輯關系的理解由繁化簡，通過知識的獲取后再將簡單的問題復雜化、系統化。實現“學習- 總結- 再學習”的循環認知過程。具體思路：概念介紹→公式推導→案例分析→實驗模擬操作+仿真教學→生活情景回顧→知識點記憶升華→發散思維（知識融合及創造）。

章節知識點思維導圖見圖4。

圖4 章節知識點思維導圖

2.2 課程中梳理目標，講解重、難點知識

示證新知（Demonstration）：課程緊扣目標施教、精心提供指導、善用媒體促進教學。提前發放PPT 給學生集合教材預習新知。課程前通過和學生互動，讓學生提出疑惑、試著去解決問題，通過翻轉課堂教學模式，實現教學主體的轉變。將情景教學環節的設計思路應用于課堂實踐，建立在傳統上課以理論為中心的基礎模式上，貼近生活，培養學生對于課程的興趣愛好，加深實驗原理的理解。傳熱是不可避免的單元操作：食品微生物實驗中高壓滅菌鍋使用、食品加工過程中的加熱與冷卻中，影響傳熱效果涉及到哪些因素（傳熱面積、材料的導熱率、材料厚度等），能解決熱量的傳入和導出的問題；其他的典型的單元操作：如殺菌、冷凍保藏、蒸發和冷凍濃縮、干燥、蒸煮、焙烤、酒的蒸餾及煮飯過程。由此加深對傳熱章節的教學目標及重難點的理解。

2.3 將課程目標與已知理論建立聯系，實現情景教學模式

上課時，在示證新知基礎之上，激活舊知（Activation）：明確知識結構→補就原有經驗→回憶原有知識、經驗。生活情景再現，結合生活中場景、已有經驗，將其與新知建立起聯系。傳統教學模式下，實驗教學通常依附于課程理論教學，存在著實驗內容簡單無系統、教學形式單一、學生按部就班完成既定實驗操作及報告、學生缺乏實驗興趣和創新動力等問題，學生的綜合分析能力、創新思維及工程素養培養方面存在明顯不足。針對如何在“食品工程原理”實驗課程教學過程中，實現提高學生學習的主動性、重視創新與實踐能力、提高工程素養，培養創新型專業人才的目標，成為其實驗課程教學改革成敗的關鍵[11]。例如，講到板框過濾環節的時候，單純講理論知識學生很難理解，先講茶杯過濾茶葉現象，思考其與濾紙過濾濾液過程的區別，思考影響因素及條件。當見到板框過濾實驗的模型之后，實現情景再現，將板框過濾中的參數獲取方法、影響過濾的因素告訴學生，并讓學生驗證并推導相關的計算公式，激發學生的學習興趣。

2.4 翻轉課堂實現知識的融會貫通

知識融會貫通（Integration）：靈活創造應用→反思完善提高→實際表現業績。前提是掌握新知，與實際應用相結合。通過翻轉課堂以問題為導向的學習模式探索[12]，讓學生上課以小組為單位設計實驗場景，上課的章節內容能解決哪些問題？如何解決問題的方式進行討論講解，在上課過程中，學生會有明確的目標，對學習產生興趣。結合思維導圖使思路更清晰，帶著問題邊學習邊思考邊掌握，在最后一節課中留有20 min 時間設計實驗模型，解決實際生活問題。將學生機械化抄寫實驗報告的時間節省下來讓學生有更多的時間去預習課程知識。參照實驗過程結合生活場景，分析主要知識點、實驗注意事項，涉及到得主要方程式中的參數、影響因素、公式的推導過程；通過情景教學發散思維，靈活創造應用、創新設計新的實驗方案，并在課堂加以討論，有利于課堂學習效率的提高。

2.5 以解決實際問題為導向，啟發式教學相結合

應用新知（Applying new knowledge）：緊扣目標操練→逐漸放手操練→問題操練。傳統的初級教學目標已經不能滿足學生的學習知識需求，沒有激發學生的創造能力。改變傳統滿堂灌給學生講解理論知識，首先把握學生的理論基礎，通過生活、意識中存在記憶調動學生潛在知識調動學習積極性。過渡到高階認知學習目標：將理論課程與畢業實踐相結合，如畢業設計中的工藝設計類實驗、食品工廠設計類實驗涉及到的傳熱過程中的典型單元操作（如殺菌、和冷凍保藏、蒸發和冷凍濃縮、干燥、蒸煮、焙烤、酒的蒸餾等），因這些單元操作中涉及到傳熱的基本概念、傳熱機理，對于學生掌握傳導、對流、輻射換熱的基本規律及計算方法相得益彰，將理論知識應用于生活實踐中，達到學以致用效果。教學成果展示：將理論課程中的相關知識應用于科技競賽活動，在安徽省第三屆食品創新大賽并獲得了，一項省級一等獎、一項省級三等獎。

教學成果展示見圖5。

圖5 教學成果展示

3 結語

循環認知教學模式在“食品工程原理”線上、線下的翻轉課堂中均可使用，另外可以結合現有的條件利用實驗課程、穿插仿真軟件或網上優質視頻資源還原現場生活情景更有利于將理論與實際應用相結合，幫助實現教學主體的轉變，教師由主體作用轉變成引導者，通過小組課堂的討論與研究，有針對性地引導、培養學生自主學習能力及意識，做到學習中有的放矢。同時，結合我國現階段推行的減負政策，適當減少學生課后作業負擔，有更多的時間去思考、總結，實現知識活學活用，提高學習效率。通過知識點的反復再現，對于知識點的掌握程度會有很大的提升，與傳統教學模式相比較，同樣是利用上課時間，但是通過教學模式的改變，讓學生對知識的掌握更牢固，將知識融會貫通能力、分析問題的處理能得以提升，也是教育行業所提倡的“授人以魚不如授人以漁”。