BOPPPS-CDIO相結合教學模式在“食品專業綜合實驗”課程中的教學改革與實踐

陳啟佳,李雪梅,李丹丹,鄭艷銘,郝建雄

(河北科技大學 食品與生物學院,河北 石家莊,050018)

從卓越工程師培養計劃到新工科建設,工程人才的培養已成為我國工程教育改革發展的重要方向之一。隨著我國成為國際本科工程學位互認協議《華盛頓協議》的第18個成員,我國工程教育國際化又邁出了至關重要的一步。高等院校致力于為社會和行業培養卓越的工程人才,其核心是培養大學生的工程思維以及應用理論知識解決實際問題的能力[1]。

為了契合現代食品工業的轉型升級和高質量發展,高等院校開設一系列工程實踐類課程,以培養食品行業所需的創新型和實踐型工程人才。河北科技大學“食品專業綜合實驗”自1981年專業建立伊始便已設立,是食品科學與工程和食品質量與安全專業的核心課程之一,面向已掌握食品生物化學、食品微生物、食品工藝學、食品化學、食品分析、食品技術原理等專業知識的學生所設置的一個綜合性的實踐教學環節。該課程具有工程實踐性強等特點,是理論知識轉化為實踐能力的重要途徑之一,同時也是學生從在校學習進入食品行業的“最后一公里”。受限于理論知識不扎實和動手能力薄弱等問題,綜合實踐能力得不到有效提升,而這正是食品工業從業人員所應具備的基本素養。

傳統的講授型教學模式已難以適應食品行業工程人才的培養,探索新的教學模式來提高教學效果勢在必行。加拿大教學技能發展工作坊開發的BOPPPS(bridge-in,objective,pre-assessment,participatory learning,post-assessment,summary)教學模式陸續被引入國內高校教師培訓中并應用于理論課程教學實踐中,該教學模式在學生的深度參與學習方面已取得不錯效果[2]。在工程教育領域,麻省理工學院等4所院校共同推動的CDIO(conceive,design,implement,operate)工程教育模式,注重培養學生的實踐能力,是近年來工程教育領域改革最具影響力的成果之一[3-4]。筆者所在的教學團隊以工程教育專業認證和新工科改革為契機,結合國內外工程教育發展和改革的趨勢,積極轉變教學理念,探索BOPPPS-CDIO相結合教學模式在“食品專業綜合實驗”中的教學改革和實踐,旨在調動學生積極性,提升學生理論知識水平、創新思維、團隊協作和解決復雜工程問題等能力,為相關食品類實踐課程的教學改革提供一些思路和參考。

1 課程現狀與典型問題

我校“食品專業綜合實驗”開設在第7學期,共計60學時,內容涉及乳制品、肉制品、果蔬制品和焙烤制品等方面,具有涉及面廣、兼顧理論知識和實踐能力等特點。近年來經過一系列改革和探索,提高了學生學習效果,但課程教學仍存在部分問題,這也是其他高校“食品專業綜合實驗”普遍面臨的困難和挑戰[5-7]。

首先,實驗項目內容設置不科學。受限于以往儀器設備等實驗條件,部分實驗項目內容簡單和陳舊,不能緊密對接現代食品工業,難以培養學生的工程意識和解決復雜工程問題等能力。實驗項目類型以驗證型實驗數量居多,設計型和綜合型實驗數量較少,學生重復同樣的實驗操作得到類似的實驗結果,導致學生學習熱情不高、積極性不夠。最為重要的是,傳統實驗項目限定了實驗內容,無法給學生提供創新設計的自主空間,學生的創新思維得不到充分施展。

其次,教學手段不豐富,引導式教學不足。通常是教師先講授理論知識,再演示實驗操作,填鴨式的教學模式在教師與學生之間形成無形的屏障,處于被動的學習狀態的學生在整個過程中缺少獨立自主思考,導致理論知識不扎實,不會用理論知識解決實驗問題等。在實驗操作環節,由多名學生共同完成產品的制作,部分學生流于形式地完成實驗預習報告,沒有完全掌握實驗原理和實驗操作,加之沒有明確的實驗分工和有效的參與度考核,導致部分學生在實驗過程中參與較少或者僅是照本宣科地機械性操作,沒有達到有效鍛煉其綜合實踐能力的目的。

最后,考核方式難以全面評價學生的學習成效。現有課程考核方式以實驗報告為主,平時成績為輔,不能合理評價學生在實驗過程中的表現,不利于充分調動學生的積極性。作為一門綜合型實驗課程,“食品專業綜合實驗”涉及環節較多,包括課前的資料調研和預習/設計報告寫作,課堂上的理論知識學習、實驗動手操作、團隊溝通協作、實驗問題的分析解決等,課后的原始數據處理、實驗結果分析和實驗報告撰寫,因此課程的考核方式應涵蓋上述環節,注重過程性評價和結果評價相結合。

2 教學內容設計與實施

2.1 課程建設總體目標

為了切實解決“食品專業綜合實驗”課程中的問題,教學內容上側重設計型和綜合型實驗,突出金課標準中的“兩性一度”(高階性、創新型和挑戰度),有機融合專業知識、實驗技能和綜合素質,強調培養學生解決復雜工程問題能力,著力打通專業與行業的“最后一公里”。本課程中的理論教學引入BOPPPS教學模式,將教師的職能從知識講授者轉變為課程設計者,引導學生全方位參與式學習,代替傳統的單純聽講;實驗教學引入CDIO工程教育模式,將教師的職能從實驗內容的講述者轉變為實驗方案設計的引導者,培養學生應用已掌握的專業知識和實驗操作技能,自主地實施實驗項目,并且能針對實驗過程中的不足和失敗之處提出行之有效的解決方案。

2.2 教學內容設計

課程改革的一個重要方面是改革和完善實驗項目,給予學生更多的自主空間,使其能充分施展創新設計和綜合實踐能力。例如,在乳制品實驗中,將酸乳制作實驗和含乳飲料制作實驗整合為綜合型的含乳飲料的制作與檢驗實驗,學生歷時2天完成從原料乳到含乳飲料制作的全過程,涵蓋酸乳發酵、穩定劑配制、混料調酸、均質、殺菌和理化參數測定等一系列實驗內容,以鍛煉學生對實驗流程整體性的認知和把控。

為提高學生的工程意識和工程能力,使實驗項目能緊密對接現代食品行業,專業補充購置了全自動原位凍干機、果汁小型生產線和超高溫瞬時微型管式殺菌系統等儀器設備。得益于設備的更新,增設了基于工業化生產線的原料乳的超高溫瞬時滅菌實驗,由教師和學生共同操作復雜儀器完成實驗內容;增設采用全自動原位凍干機的凍干果蔬干制作實驗,探究不同水果和蔬菜的凍干工藝,使學生了解方興未艾的凍干食品產業;將果汁制作由原有的小試規模制作提升為小型生產線規模制作,學生可通過兩者之間的差距進一步鍛煉實踐能力,加深工程意識。

為突出課程的創新性和高階性,增設以競賽方式進行的創新實驗[8-9]。如在面包制作實驗和蛋糕制作實驗的基礎上開設焙烤創新實驗,實驗小組自主選擇焙烤產品類型并設計實驗方案,在教師指導下進行多次預實驗以獲得最佳工藝參數,并完成產品制作。創新實驗源于課程內容、高于課程內容,是課程內容進一步向外延伸,著重鍛煉學生的創新設計能力和綜合實踐能力。

2.3 教學內容的實施

2.3.1 基于BOPPPS教學模式的理論教學改革

“食品專業綜合實驗”的理論教學不僅是為了學生掌握專業知識,而且應該讓學生的獨立思考、發現和解決問題等能力得以提升。教學團隊基于BOPPPS教學理念,將以教師為中心的灌輸式理論教學轉變到以學生為中心的全方位參與式學習,結合實驗項目的特點和學生的實際情況,對本課程的理論教學進行改革和探索。

以含乳飲料的制作與檢驗實驗為例,介紹BOPPPS課程設計以及課堂教學過程的模塊化分解(表1)。通過展示不同風味的含乳飲料引入(bridge-in)課程內容,引發學生思考如何制作不同風味含乳飲料。然后,言簡意賅地闡明學習目標(objective)是掌握酸乳制作工藝流程和含乳飲料穩定性的調整和控制方法,使學生準確把握學習方向。盡管課前布置預習報告,部分學生不能較好地掌握實驗操作及其原理,通過前測(pre-assessment)了解學生的預習情況,根據摸底情況反饋的信息實時調整后續教學活動。參與式學習(participatory learning)環節是課堂教學的核心內容,通過師生互動、組內討論等方式調動學生積極性。例如,學生基本掌握預熱處理的目的是殺滅原料乳中的雜菌,此外其他作用多數同學并不了解,教師引導學生思考“發酵成品未能凝固是否和預熱處理有關”,各實驗小組討論并做出回答,最后教師講解該處理還可使乳清蛋白變性,從而達到改善組織狀態和防止成品乳清析出等目的。同樣地,針對其他關鍵知識點,教師也提出預設問題,引導學生自主思考、深度參與和交流討論,最后由教師講細致講解。需要強調的是,教師在此環節仍起到主導作用,教師課前的教學設計和課上的有效引導是學生深度參與學習的重要前提。后測(post-assessment)和總結(summary)部分不僅在理論教學進行,還要貫穿于實驗過程中,使學生能夠達到“知其然知其所以然”的目的。

教學團隊將BOPPPS教學模式應用于每個實驗的理論教學設計,鑒于實際教學受到不可控因素的影響,并不形式化照搬拘泥于其6個模塊,而是更加注重學生通過“參與式學習”,從而深度參與到課堂中來。通常按照“教師/學生提出問題-實驗小組分析討論-組間互動-得出結論”的教學思路在教學中具體實施,通過師生互動和生生互動來提高學生的課堂參與度,讓學生掌握扎實的專業知識,并推動學生將知識內化為解決實際問題的能力。

2.3.2 基于CDIO教學模式的實驗教學改革

實驗教學是理論和實踐相結合的紐帶,對培養學生的工程能力、創新思維和團隊協作等能力起著至關重要的作用。教學團隊基于CDIO的工程教育理念,將實驗環節分解為構思(conceive)-設計(design)-實現(implement)-運作(operate)[10-11],按照“項目為載體,教師為引導,學生為中心”的思路進行實施,鼓勵學生在實驗中“做中學”(圖1)。實驗項目設計或實施由3～4名學生組成實驗小組協作完成,要求明確每個實驗項目的團隊分工情況;對于一些理化指標的原始數據測定,要求全員依次動手參加。

圖1 基于CDIO理念的設計實驗實施流程

以果蔬制品加工設計實驗為例,介紹CDIO理念在課程中的貫徹和實施。各實驗小組從凍干果蔬干制作、水果罐頭制作、果醬制作和果汁制作中選擇一個子項目(下面以凍干果蔬干制作為例),學生構思實驗內容并形成初步方案,教師組織學生探討方案的創新性、可行性和擬解決關鍵問題等。在此基礎上,學生開展文獻調研和資料索引,組內討論后撰寫實驗方案,在實驗開設一周前提交給教師。結合GH/T 1326—2021《中華人民共和國供銷合作行業標準 凍干水果、蔬菜》和實驗室現有儀器設備情況,教師點評實驗方案中的工藝流程、工藝參數等內容,指出錯誤和需要改進的地方。實驗小組進行新一輪的資料查閱和組內討論來補充和完善設計報告,撰寫設計報告過程中可有效鍛煉學生的發現、分析和解決問題的能力。結合事先錄制的全自動原位凍干機操作視頻,教師演示儀器操作和講解注意事項。實驗小組依次開展儀器操作演練、實驗操作、產品的理化指標測定和感官評價,如遇到的實驗問題,組內討論、分析并及時調整實驗。實驗結束后,教師檢查各組的原始數據和實驗結果,若出現操作失誤以至于未能獲得原始數據,則需要分析原因并重新做實驗。

教學團隊遵循CDIO工程教育的理念,在綜合型、設計型和創新實驗中按照“構思實驗方案-查閱文獻資料-設計實驗方案-實施實驗操作-撰寫實驗報告”開展實驗環節,教師充分引導學生使其發揮主導作用,鍛煉學生應用專業知識解決實驗中遇到的問題,顯著提升學生的創新思維、分析解決問題和團隊協作能力。囿于驗證型實驗本身的特點,CDIO教學模式中的“構思-設計”難以在驗證型實驗中開展。

BOPPPS-CDIO相結合教學模式在理論和實驗教學上是相互補充、相互促進的[12]。BOPPPS教學模式更適用于驗證型和綜合型實驗,可使學生掌握扎實的專業知識和實驗操作技能,為復雜實驗項目夯實基礎;CDIO教學模式則更側重于設計型和創新型實驗,著重鍛煉學生的創新設計、團隊協作等能力。

2.3.3 課程-競賽相結合驅動教學改革

在BOPPPS-CDIO教學改革基礎上,以課程-競賽相結合的教學模式開設創新實驗競賽,鼓勵學生在特定實驗主題下將創新想法和專業知識有機融合,自主設計實驗方案,并解決實驗過程中遇到的問題。創新實驗競賽的開展旨在進一步拓展實驗項目的創新性,促進學生將理論、實踐和創新思維深度結合,以及更深入把控實驗的整體性。

以焙烤創新實驗為例介紹課程-競賽相結合教學模式,該實驗緊密結合“大健康、大營養”主題,學生可自主選擇感興趣的焙烤產品類型,在產品在創意、營養、外形等方面具有一定的創新性設計。焙烤創新實驗遵循CDIO理念及其實施流程,實驗小組預先提交實驗方案,教師在方案可行性、工藝流程、操作細節等方面予以指導。實驗室提供面粉、食用油、白砂糖等用量較大的原材料,其余原材料由學生提出、實驗室統一購買或者學生自行購買。實驗小組通常需要2～5次預實驗不斷地優化工藝參數,直至確定產品工藝,實驗室全天開放以供學生進行試驗,期間指導教師不斷給予建議以便學生及時調整實驗流程。預實驗完成后,每個班級在課上統一完成焙烤產品的制作,隨后各組分別進行展示性發言,介紹本組產品的設計理念、創新元素、營養價值等。由本系教師組成評委團對焙烤產品進行品鑒,從焙烤產品的創意、營養價值、口感、外形、風味、特定消費人群等多方面進行提問,由學生一一作答。

焙烤創新實驗競賽自2017年起已舉辦了5屆,取得了很好效果。與傳統實驗項目相比,創新實驗競賽可大幅提升學生自我挑戰意識,培養探索精神,增強心理素質,強化組織協調和溝通交流能力等。課程-競賽相結合教學模式改革對教師的教學提出了更高要求,教師需要不斷探索新的實驗方案,將實驗教學與實際應用緊密結合,促進教學方法和教學內容的改革。課程-競賽相結合教學模式改革為“食品專業綜合實驗”的課程建設提供多元化的教學手段和組織方式,同時也能為食品類相關實驗課程建設提供有益的探索。

3 考核方式與效果評價

考核方式是檢驗學生學習效果的重要依據,同時也是提高教學質量的關鍵[13]。以往考核方式由平時成績(含出勤和實驗表現,30%)和實驗報告(70%)兩部分組成,缺少系統性考察學生在整個學習過程中的學習能力和綜合素質,導致部分學生在實驗過程中參與度不高,實驗報告相似度嚴重,陷入“交報告前突擊寫,交報告后忘得快”的惡性循環。

通過構建注重過程性評價的多元化考核方式,側重學生在理論學習和實驗學習全過程的知識學習和技能掌握,同時也關注學生在創新設計、團隊協作和解決復雜工程問題等方面的能力(表2)。教學改革后,過程性評價占比提升至60%,包括出勤(10%)、知識水平(25%)和專業能力(25%);報告撰寫的占比降至40%,包括實驗預習報告或實驗設計報告(10%)和實驗報告(30%)。(1)出勤考核是傳統考核內容,加強出勤考核對嚴肅課堂紀律和維護日常教學秩序是十分必要的,學生無故曠課或遲到30 min,本次的實驗項目記為零分。(2)知識水平考核要求學生在整個實驗環節懂原理、會操作,以實驗小組為單位的BOPPPS參與式學習和隨堂測試2方面,考察學生專業知識的掌握程度。(3)專業能力主要考核以下3方面,首先是學生在實驗過程中儀器設備操作、實驗材料處理、理化指標測定等實驗技能;其次,實驗中遇到問題時,學生討論分析問題并提出解決方案的能力;最后,以教師評價和學生組內互評相結合的方式,考察實驗小組的組內分工、參與程度和協同合作的能力。(4)報告撰寫涉及預習報告(針對驗證型和綜合型實驗)或設計報告(針對設計性實驗和創新實驗競賽)和實驗報告2方面。實驗報告要求學生原始記錄翔實,材料方法完整,數據處理正確,結果分析合理等。需要指出的是,我們鼓勵學生做到“做中學”以及從失敗中總結經驗,如果實驗結果不理想,但分析總結到位,并提出具有可行性的改進方案,也可以給高分。

表2 食品專業綜合實驗課程考核方式

改革前學生的平時成績評價依據單一,平時成績(2016級,62人)大多集中在80～90之間,區分度較小(<0.2)(圖2-a);采用側重過程性評價的多元化考核方式后(2017級,62人),表現突出的同學得到100分,表現較差的學生僅拿到68分,成績的區分度較為顯著(>0.4),更加合理地評價了學生在實驗過程中的表現。與改革前相比較,總成績在高分階段的學生人數增加明顯(圖2-b),這得益于BOPPPS-CDIO相結合教學模式和課程-競賽相結合教學模式行之有效地提高學生積極性和參與度,培養了學生扎實理論基礎和實踐能力。

a-平時成績;b-總成績

4 結語

“食品專業綜合實驗”課程中開展BOPPPS-CDIO相結合教學模式的探索和實踐,結合注重過程性評價的多元化評價體系,學生從低效、被動的學習方式轉變成高效、主動的學習方式,大幅提高學生的課堂參與度,在加強學生理論知識水平、創新設計、團隊協作和解決復雜工程問題等方面取得顯著成效。同時,探索課程-競賽相結合教學模式,有效促進學生綜合實踐能力的提升,著力打通從專業與行業的“最后一公里”。該研究可為創新型和實踐型食品專業工程人才的培養提供有效途徑。