“新工科”背景下食品工程原理課程的教學(xué)研究與實(shí)踐*

黃 怡，彭 鋼，李 雪，胡鵬麗，杜傳來

(安徽科技學(xué)院 食品工程學(xué)院，安徽 鳳陽 233100)

2017年2月，教育部提出推進(jìn)新工科建設(shè)，先后形成了“復(fù)旦共識” “天大行動”和“北京指南”[1-2]。推動新工科建設(shè)，必須全面推進(jìn)建設(shè)新模式、新結(jié)構(gòu)、新理念的工程教育，以“新工科”的整體面貌迎接多重戰(zhàn)略機(jī)遇與挑戰(zhàn)交織并存的新形勢、新任務(wù)，加強(qiáng)對工科專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)質(zhì)量的把控，培養(yǎng)工程實(shí)踐能力強(qiáng)，具有創(chuàng)新和實(shí)干精神的工科人才，為國家經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型和社會發(fā)展提供強(qiáng)有力的人才保障和智力支撐[3-4]。

食品工程原理是面向食品科學(xué)與工程專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，使學(xué)生掌握食品工程各單元操作的基本理論、基本知識和典型設(shè)備的構(gòu)造、工作原理和設(shè)計(jì)計(jì)算，培養(yǎng)學(xué)生的工程素質(zhì)，具備重點(diǎn)設(shè)備工藝設(shè)計(jì)的能力，具有綜合性、實(shí)踐性等特點(diǎn)。是需要學(xué)生具備一定的高等數(shù)學(xué)和物理化學(xué)知識。通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生要能識別、表達(dá)、分析和解決食品生產(chǎn)中的實(shí)際工程問題。但是，課程難度較高，學(xué)生對于課程中大量的重難點(diǎn)難以掌握；公式的推導(dǎo)及運(yùn)用的難度較大，難以將理論知識跟實(shí)際工程問題進(jìn)行對應(yīng)。結(jié)合食品工程原理課程的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，在理論和實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)對該課程的教學(xué)方法進(jìn)行研究與實(shí)踐。以學(xué)生為中心，激發(fā)學(xué)生的工程實(shí)踐能力，有利于學(xué)生更好的適應(yīng)人才市場的需求。

1 課程教學(xué)中的問題及探討

食品工程原理課程知識體系復(fù)雜，設(shè)備工作原理抽象，學(xué)生需要具備一定的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和空間想象能力，以及食品工藝加工知識，對學(xué)生的知識儲備要求較高。結(jié)合工程教學(xué)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，對以往授課經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)授課過程中學(xué)生主體地位不突出，工程實(shí)踐能力有待提升。

1)學(xué)生工程底子薄弱

結(jié)合安徽科技學(xué)院食品科學(xué)與工程專業(yè)人才培養(yǎng)方案，食品工程原理課程開設(shè)于第四學(xué)期，學(xué)生對各類食品的加工工藝流程了解不夠。食品機(jī)械與設(shè)備課程開設(shè)于第六學(xué)期，學(xué)生對食品中常用機(jī)械設(shè)備缺少直觀印象，只能從理論角度了解工作原理，無法想象設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，不利于學(xué)生對工程計(jì)算的理解；學(xué)生掌握食品工程原理課程的知識點(diǎn)難度較大[5]。

2)缺乏對理論與實(shí)踐相結(jié)合的理解

食品加工中的單元操作遵循“三傳”理論，單一單元操作往往不止遵循一種單一傳遞現(xiàn)象，前后知識點(diǎn)的銜接對學(xué)生的學(xué)習(xí)至關(guān)重要。學(xué)生對各章節(jié)理論的學(xué)習(xí)比較單一，不能將各章節(jié)的知識點(diǎn)進(jìn)行串聯(lián)。而且食品加工過程往往有多個單元操作參與，需要理解生產(chǎn)設(shè)備與前后生產(chǎn)步驟關(guān)聯(lián)設(shè)備的銜接性。因此，學(xué)生缺乏運(yùn)用所學(xué)知識分析和解決工程實(shí)際問題的能力，無法在不同的工藝場景下靈活運(yùn)用所學(xué)知識。

3)學(xué)生課前預(yù)習(xí)時間短

借助學(xué)習(xí)通、雨課堂等線上教學(xué)平臺，提前發(fā)布教學(xué)內(nèi)容，發(fā)現(xiàn)學(xué)生課前閱讀量較少，沒有提前預(yù)習(xí)課本知識的習(xí)慣。上課過程中“填鴨式”教學(xué)只能使學(xué)生被動的學(xué)習(xí)，無法發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性。學(xué)生對于較為晦澀難懂的公式推導(dǎo)只能一知半解，無法較好的吸收課上講授的知識點(diǎn)。

2 課程教學(xué)的研究與實(shí)踐

結(jié)合新工科理念，我們對食品工程原理課程進(jìn)行教學(xué)研究與實(shí)踐：注重教學(xué)過程中學(xué)生的主體地位，從課堂教學(xué)環(huán)節(jié)、實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)、過程性考核、考核評價(jià)體系等方面進(jìn)行探索，旨在提高食品工程原理課程的教學(xué)水平，培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力，為食品科學(xué)與工程專業(yè)培養(yǎng)更多的應(yīng)用型人才。

2.1 課堂互動式教學(xué)

食品工程原理課程的實(shí)踐性和工程應(yīng)用型較強(qiáng)，授課內(nèi)容中有大量食品加工設(shè)備的選型和計(jì)算，在理論講述過程中很難在學(xué)生的腦海中形成動態(tài)生產(chǎn)環(huán)節(jié)。因此可以借助教學(xué)視頻、生產(chǎn)環(huán)節(jié)演示等多媒體手段，或者通過教學(xué)模型展示等引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)。在學(xué)習(xí)過程中引導(dǎo)學(xué)生思考所學(xué)加工設(shè)備可以用于哪些食品的加工生產(chǎn)，將所學(xué)理論跟實(shí)際應(yīng)用聯(lián)系起來。例如，過濾分為濾餅過濾和深層過濾。食品加工中大多使用濾餅過濾，用于去除懸浮液中的大顆粒物質(zhì)；而深層過濾多用于凈水器的濾芯，用于去除生產(chǎn)用水中的小顆粒物質(zhì)。在互動教學(xué)過程中引導(dǎo)學(xué)生主動思考，可以培養(yǎng)學(xué)生的探索精神和實(shí)踐能力。

在授課過程中要注意學(xué)生的主體地位，采用課堂討論的方式引導(dǎo)學(xué)生思考，將學(xué)生分成討論小組，鼓勵學(xué)生發(fā)散思維，培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維[6]。例如，在流體運(yùn)輸時對離心泵的選用及安裝高度的確定，學(xué)生要理解離心泵具有最大安裝高度的限制。因此進(jìn)行設(shè)備選型時，要充分考慮應(yīng)用的限制性和實(shí)際性，所選的離心泵能否在固定工程條件下完成流體的運(yùn)輸，引導(dǎo)學(xué)生用批判性的思維來解決工程實(shí)際中的問題。

2.2 課后作業(yè)

食品工程原理課程是以培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力為根本，通過課堂上有限的工程實(shí)際計(jì)算案例分析，學(xué)生很難掌握單元操作的知識點(diǎn)。學(xué)習(xí)通、雨課堂等網(wǎng)絡(luò)在線教育平臺的普及，讓學(xué)生不受時間地點(diǎn)的約束，享受更多樣化的教學(xué)資源，同時也給學(xué)生提供了新式的作業(yè)模式[7]。授課教師根據(jù)授課進(jìn)度，結(jié)合學(xué)習(xí)通等平臺，進(jìn)行課上發(fā)布討論、課后發(fā)布作業(yè)等多種形式的考核。小組討論有助于學(xué)生在學(xué)習(xí)知識點(diǎn)的時候舉一反三，將所學(xué)知識靈活運(yùn)用，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和工程實(shí)踐能力；課后作業(yè)有助于學(xué)生鞏固所學(xué)知識點(diǎn)，將推導(dǎo)所得的公式運(yùn)用于工程實(shí)際案例的分析中。

2.3 過程性考核--章節(jié)測驗(yàn)

“學(xué)生中心、成果導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)”教學(xué)理念要求教師授課過程中要注重多元化教學(xué)，建立以過程性考核為主的課程學(xué)習(xí)考核評價(jià)制度。教學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，不能只根據(jù)一次期末考試成績進(jìn)行判斷，需要根據(jù)每個階段教學(xué)內(nèi)容和學(xué)生在教學(xué)全階段的表現(xiàn)來確定[8]。過程性考核形式多樣化，如考勤、討論、作業(yè)、測驗(yàn)、翻轉(zhuǎn)課楊、小論文等，授課教師可結(jié)合課程類型、課程性質(zhì)靈活選擇具體的考核形式[9]。

章節(jié)測驗(yàn)是對已完成部分知識點(diǎn)的驗(yàn)收和鞏固。食品工程原理中各單元操作均遵循“三傳”理論，課程知識具有一定的銜接性，章節(jié)與章節(jié)之間有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)。通過對已完成知識點(diǎn)的測驗(yàn)，加深對已學(xué)知識點(diǎn)的理解，以及增強(qiáng)對后續(xù)章節(jié)相同知識點(diǎn)的靈活運(yùn)用。例如，流體流動章節(jié)知識點(diǎn)涉及動量傳遞理論，傳熱章節(jié)知識點(diǎn)涉及動量傳遞和熱量傳遞理論。流體流動章節(jié)作為先修知識點(diǎn)，便于學(xué)生理解傳熱章節(jié)中冷熱流體之間的相互流動關(guān)系，降低學(xué)生新知識的掌握難度。

2.4 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，使學(xué)生借助人機(jī)交互界面操作實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)入不同實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)，通過數(shù)據(jù)分析、繪圖等手段完成實(shí)驗(yàn)。虛擬仿真教學(xué)，可以有效解決線下傳統(tǒng)教學(xué)中學(xué)生的參觀式學(xué)習(xí)。食品工程原理中的單元操作，涉及到多種機(jī)械設(shè)備，線下教學(xué)時無法做到每位學(xué)生的全覆蓋操作[10]。通過虛擬仿真教學(xué)平臺，每位學(xué)生可以深刻體會課本上的理論知識在實(shí)際中的運(yùn)用，提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。例如，管路中流體流動阻力測定實(shí)驗(yàn)，通過該實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)，學(xué)生可以學(xué)會倒U型管壓差計(jì)的使用方法，沿程阻力和局部阻力的實(shí)驗(yàn)分析方法，以及摩擦系數(shù)λ與雷諾數(shù)Re的關(guān)聯(lián)圖。

相比于線下實(shí)驗(yàn)教學(xué)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)給學(xué)生提供了更多試錯的機(jī)會。單元操作涉及步驟繁雜，操作時間較長，一個步驟的失誤會導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果不符。實(shí)驗(yàn)課程時間有限，線下實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)錯誤難以重新完成實(shí)驗(yàn)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中有些實(shí)驗(yàn)編寫時，操作時間會加速，以便快速模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)程，操作出現(xiàn)失誤時可以退出軟件，重新開始。學(xué)生出現(xiàn)操作的步驟可能各不相同，相互之間探討，發(fā)現(xiàn)自己操作過程出現(xiàn)的問題，增強(qiáng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題和自主解決問題的能力。同時，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺設(shè)置有試卷運(yùn)行界面，對學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)處理及實(shí)驗(yàn)分析等環(huán)節(jié)進(jìn)行評分。作為授課教師，可以通過教師端監(jiān)測學(xué)生實(shí)驗(yàn)進(jìn)程，在學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題時積極引導(dǎo)，加深學(xué)生對實(shí)驗(yàn)原理的理解。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)還可以讓學(xué)生課后在線上教學(xué)平臺上多次重復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在課堂有限時間內(nèi)無法理解的理論問題，利用課余時間進(jìn)行討論交流，培養(yǎng)學(xué)生自主解決問題的能力[11]。

但虛擬仿真教學(xué)具有一定的局限性，通過實(shí)驗(yàn)設(shè)備的觀察與實(shí)際動手操作，有一定的區(qū)別，各操作步驟記憶不深刻，可以在虛擬仿真教學(xué)實(shí)踐的后期設(shè)計(jì)線下實(shí)操課程加以解決[12]。通過實(shí)驗(yàn)設(shè)備及教學(xué)模型展示，使學(xué)生將虛擬仿真實(shí)踐學(xué)習(xí)到的理論知識，跟食品加工機(jī)械設(shè)備一一對應(yīng)，加深對食品生產(chǎn)加工過程的認(rèn)知，增強(qiáng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力。

2.5 建立合理的成績評價(jià)體系

學(xué)生課程的成績評價(jià)體系是課程教學(xué)改革的重要組成，成績評價(jià)體系需要體現(xiàn)學(xué)生的工程實(shí)踐能力，還需要符合成果導(dǎo)向。食品工程原理成績由平時成績(60%)和期末成績(40%)組成。其中，平時成績由課堂表現(xiàn)(10%)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告(10%)、章節(jié)測驗(yàn)(40%)組成，如表1所示。

表1 課程成績評價(jià)體系

2.6 食品工程原理課程實(shí)習(xí)

食品工程原理課程是一門實(shí)踐性非常強(qiáng)的學(xué)科，理論課和實(shí)驗(yàn)課有利于學(xué)生掌握工程計(jì)算知識，但對于將所學(xué)知識運(yùn)用于解決實(shí)際問題的能力還是較為薄弱。在食品工程原理課程開設(shè)的第三學(xué)期，增設(shè)食品工程原理課程實(shí)習(xí)，學(xué)生利用所學(xué)理論知識，結(jié)合實(shí)際工程問題，查閱大量文獻(xiàn)，設(shè)定工藝方案，選擇合適工藝設(shè)備，以小組形式完成流體輸送、換熱器、精餾塔等食品加工設(shè)備的設(shè)計(jì)說明書，有利于提高學(xué)生的工程實(shí)踐和團(tuán)隊(duì)合作能力。將食品工程原理理論課、實(shí)驗(yàn)課和課程實(shí)習(xí)有機(jī)融合，學(xué)生將理論賦予實(shí)踐，在團(tuán)隊(duì)討論的過程中加深對理論的理解，學(xué)會識別食品加工中的工程實(shí)際問題，有利于學(xué)生步入社會，為食品行業(yè)輸送具有工程能力的人才。

3 總結(jié)

食品產(chǎn)業(yè)的快速多樣化發(fā)展，對食品科學(xué)與工程專業(yè)人才培養(yǎng)提出了巨大的挑戰(zhàn)，對授課教師的食品工程原理課程改革提出了更高的要求，因此需要結(jié)合人才培養(yǎng)要求，持續(xù)性改進(jìn)教學(xué)方式和考核制度，以便培養(yǎng)食品科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)生的工程實(shí)踐能力，為社會培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力、團(tuán)隊(duì)意識的高素質(zhì)工程能力人才。