基于CDIO理念的食品化學(xué)課程改革與實(shí)踐

□南昌大學(xué) 阮征 胡曉波 劉成梅 高金燕 聶少平 歐陽崇學(xué) 謝明勇 蔡丹 周勤

基于CDIO理念的食品化學(xué)課程改革與實(shí)踐

□南昌大學(xué) 阮征 胡曉波 劉成梅 高金燕 聶少平 歐陽崇學(xué) 謝明勇 蔡丹 周勤

為了不斷提高食品化學(xué)課程的教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果，更好地培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力、創(chuàng)新意識和團(tuán)隊(duì)精神，根據(jù)CDIO教育理念，對該課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式進(jìn)行了改革與探索。通過食品產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，有機(jī)整合食品化學(xué)理論與實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容，形成以設(shè)計(jì)為導(dǎo)向、食品專業(yè)知識為橋梁、工程能力培養(yǎng)為目標(biāo)的教學(xué)模式。教學(xué)實(shí)踐證明該項(xiàng)目的實(shí)施大大提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性，提高了工程實(shí)踐能力。

CDIO；食品化學(xué)；教學(xué)模式；教學(xué)內(nèi)容

近年來工程人才短缺和工程教育質(zhì)量問題，是全世界面臨的共同問題[1]。我國傳統(tǒng)的工程教育存在不少問題：以學(xué)科知識為核心的教育實(shí)踐在對歷史、社會和環(huán)境的認(rèn)知與責(zé)任方面的教育不足；課程設(shè)置注重學(xué)科導(dǎo)向和知識的完備性，而非按產(chǎn)業(yè)需求導(dǎo)向，沒能充分考慮學(xué)生的就業(yè)需求；教學(xué)內(nèi)容偏向理論，更新慢，缺乏實(shí)踐；教學(xué)方法多為單向灌輸，學(xué)生缺乏以用為主的主動學(xué)習(xí)；評價(jià)體系中理論考試和實(shí)踐考試相分離，考核方法單一；強(qiáng)調(diào)個人學(xué)術(shù)能力而忽視團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神；重視知識學(xué)習(xí)而輕視開拓創(chuàng)新能力的培養(yǎng)等問題[2]。因此高等工程教育的改革迫在眉睫，工程教育與國際接軌是必然趨勢。2000年麻省理工學(xué)院和瑞典皇家工學(xué)院探索研究CDIO工程教育模式，CDIO（Conceiving-Designing-Implementing-Operating，構(gòu)思-設(shè)計(jì)-實(shí)現(xiàn)-運(yùn)作）以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運(yùn)行的生命周期為載體，讓學(xué)生以主動的、實(shí)踐的、課程之間有機(jī)聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)工程[3，4]；是近年來國際工程教育改革的最新成果。

本文首次在高校食品專業(yè)中引入基于CDIO工程教學(xué)模式，提出食品化學(xué)課程培養(yǎng)方案，有機(jī)整合食品化學(xué)理論與實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生構(gòu)思、設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)食品工業(yè)產(chǎn)品。在深入理解CDIO工程教育教學(xué)模式理念和方法的基礎(chǔ)上，提出“以能力培養(yǎng)為主線，產(chǎn)品設(shè)計(jì)做驅(qū)動，課程反饋管理，理論實(shí)踐一體化”的教學(xué)模式，形成了具有創(chuàng)新性和特色的教學(xué)大綱和教學(xué)內(nèi)容。重點(diǎn)闡述在教學(xué)活動中貫徹這一教學(xué)模式的實(shí)踐與思考，給出具體的教改方案，從而改進(jìn)教學(xué)方式方法，提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果。

一、基于CDIO教育理念的課程內(nèi)容改革

傳統(tǒng)的食品化學(xué)教學(xué)模式由理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)兩部分組成。理論教學(xué)內(nèi)容主要是了解食品材料中主要成分的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，食品組分之間的相互作用和這些組分在食品加工和保藏中的物理變化、化學(xué)變化和生物化學(xué)變化，以及這些變化和作用對食品色、香、味、質(zhì)構(gòu)、營養(yǎng)和保藏穩(wěn)定性的影響；實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容主要服務(wù)于課程教學(xué)的主線，實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要包括驗(yàn)證試驗(yàn)和教師指定的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，以加深對基礎(chǔ)理論知識的理解，加強(qiáng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)動手能力，僅僅是理論教學(xué)的補(bǔ)充與輔助。按照傳統(tǒng)教學(xué)模式，學(xué)生往往只能達(dá)到學(xué)習(xí)目的中前面兩點(diǎn)，對食品化學(xué)對食品多方面的影響以及在食品工業(yè)中的實(shí)際作用則很難理解，學(xué)習(xí)積極性不高，教學(xué)效果不理想。如何使食品化學(xué)與食品生產(chǎn)實(shí)際問題緊密結(jié)合，使學(xué)生在解決工程問題的過程中更深刻地領(lǐng)會和掌握食品化學(xué)理論知識，同時加強(qiáng)工程能力，一直是我們思考的問題。近年課題組引入新型的教學(xué)理念和教學(xué)方式，基于CDIO理念的食品化學(xué)課程的改革與實(shí)踐，同傳統(tǒng)教學(xué)模式相比，CDIO更加注重工科學(xué)生在校期間的工程實(shí)踐，CDIO以工程產(chǎn)品從策劃到運(yùn)行的生命周期為載體，以綜合培養(yǎng)的方式讓學(xué)生在課堂內(nèi)外都能主動學(xué)習(xí)工程產(chǎn)品的相關(guān)理論，并參與工程實(shí)踐活動，使學(xué)生在工程基礎(chǔ)知識、個人能力、人際團(tuán)隊(duì)能力和工程系統(tǒng)能力四個層面達(dá)到預(yù)定目標(biāo)[5，6]。

CDIO是一種以工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)為導(dǎo)向、工程能力培養(yǎng)為目標(biāo)的工程教育模式。工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)是工程實(shí)踐的精髓所在。CDIO培養(yǎng)模式就是通過項(xiàng)目設(shè)計(jì)將整個課程體系有機(jī)而系統(tǒng)地結(jié)合起來的,所以需要學(xué)習(xí)和掌握的內(nèi)容都圍繞項(xiàng)目設(shè)計(jì)這個核心。項(xiàng)目教學(xué)強(qiáng)調(diào)以學(xué)生的主動學(xué)習(xí)為主，將學(xué)習(xí)與具體的項(xiàng)目關(guān)聯(lián)，使學(xué)習(xí)者投入于項(xiàng)目實(shí)施過程中，把學(xué)習(xí)內(nèi)容設(shè)置到復(fù)雜的、有意義的項(xiàng)目中，通過項(xiàng)目的實(shí)施發(fā)現(xiàn)問題和不足，達(dá)到真正掌握工作的技能，形成解決問題的技能和自主學(xué)習(xí)的能力。

食品化學(xué)是一門基礎(chǔ)性專業(yè)理論課程，CDIO能否很好地應(yīng)用在食品化學(xué)教學(xué)中值得探索。經(jīng)過教學(xué)調(diào)研，我們認(rèn)識到CDIO在食品化學(xué)課程應(yīng)該有很好的應(yīng)用前景。例如食品化學(xué)中重要理論“水分活度”這個概念，實(shí)驗(yàn)教學(xué)會演示測定水分活度的方法，一般的實(shí)驗(yàn)方法是將食品放在一個密閉容器，處于不同濃度鹽溶液之上。學(xué)生很難理解水分活度對食品質(zhì)構(gòu)、外觀和貨架期的影響。例如，設(shè)計(jì)開發(fā)某種具有良好外觀和具有較長貨架期的食品（比如餅干、果醬），為了更長的貨架期，不僅需要研究滅菌的方法，還需要測定水分活度以便研究各種控制水分活度的方法；針對產(chǎn)品外觀，又涉及課程中非常重要的內(nèi)容——美拉德（Maillard）反應(yīng)。通過一些真實(shí)食品生產(chǎn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)使得學(xué)生具有直接運(yùn)用知識的能力。這樣學(xué)生在項(xiàng)目設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)理論知識的同時，提高了工程應(yīng)用、科研和解決實(shí)際問題的能力。

圖1 傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容

傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容，從食品中的水、碳水化合物、蛋白質(zhì)等按章節(jié)依次講解，并且在理論講授同時輔助實(shí)驗(yàn)，內(nèi)容獨(dú)立分散（見圖1）。基于CDIO模式，課題組構(gòu)建了以產(chǎn)品（項(xiàng)目）設(shè)計(jì)與實(shí)施為核心的教學(xué)體系，以項(xiàng)目“金華火腿”為例，首先老師提及或講解火腿涉及食品化學(xué)的主要知識點(diǎn)包括蛋白質(zhì)性質(zhì)、脂肪氧化、水分活度、風(fēng)味等，與傳統(tǒng)的教學(xué)不同，這里的知識點(diǎn)不零散簡單羅列，而是依據(jù)相關(guān)性有機(jī)整合起來。然后學(xué)生完成個人/小組作業(yè)，查閱金華火腿工藝流程中所涉及的上述理論知識，并努力多掌握。金華火腿的工藝流程：鮮豬后腿→修割→腌制→浸腿→洗刷→曬腿→整形→發(fā)酵→堆碼→成品。如腌制過程中食鹽從肉表面的高濃度向內(nèi)部低濃度擴(kuò)散，而肌肉水分則從內(nèi)部較高向外部較低滲透出來，直到各組織平衡為止，當(dāng)食鹽總滲透壓大于微生物滲透壓時，起到了防腐抑菌作用；這個環(huán)節(jié)體現(xiàn)了食品化學(xué)中水分活度知識點(diǎn)并與食品微生物中知識點(diǎn)形成了交叉，提高了學(xué)生綜合能力。金華火腿具有獨(dú)特風(fēng)味，它是由復(fù)雜的化學(xué)變化所產(chǎn)生，比如，脂類水解釋放部分游離脂肪酸與單甘酯等，形成風(fēng)味物質(zhì)；游離脂脂肪酸則容易氧化[7]；蛋白質(zhì)在蛋白酶或氨肽酶的作用下降解生成游離氨基酸[8]。學(xué)生通過設(shè)計(jì)或?qū)嵤┲R點(diǎn)在加工工藝中的作用，加深了對課程相關(guān)內(nèi)容的理解。同時小組討論工藝中金華火腿品質(zhì)的檢驗(yàn)，聯(lián)系食品化學(xué)分析和生產(chǎn)實(shí)際，找到合理檢測方法或手段，如火腿中亞硝酸鹽含量是火腿重要質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，檢測方法有鹽酸萘乙二胺法、熒光法、離子選擇電極法、氣相色譜法，顯然后面三種方法需要檢測儀器要求較高，不適合在生產(chǎn)中使用。然后開始小組項(xiàng)目，分組解決金華火腿的貨架期、風(fēng)味等實(shí)際生產(chǎn)中問題，深入了解項(xiàng)目中相關(guān)的知識，科學(xué)整合了學(xué)生的知識體系，并且提高了學(xué)生的工程項(xiàng)目思維與團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。最后小組匯報(bào)完畢后集體完成火腿項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)，完成一個真正的產(chǎn)品。個人作業(yè)和小組項(xiàng)目設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)了基礎(chǔ)工程知識和解決問題的能力，小組項(xiàng)目中培養(yǎng)了學(xué)生團(tuán)隊(duì)溝通能力，從而通過課程改革后以項(xiàng)目設(shè)計(jì)為中心的教育方法提高了學(xué)生的綜合能力。

圖2 CDIO模式下項(xiàng)目“金華火腿”為核心教學(xué)內(nèi)容

二、教學(xué)模式改革

采用圍繞產(chǎn)品設(shè)計(jì)與開發(fā)的講授方式，有機(jī)結(jié)合理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)。如圖3所示，課程授課包括四個學(xué)習(xí)活動。基于CDIO工程教育理念的食品化學(xué)教學(xué)模式進(jìn)行了以下幾個方面改革和探討。

圖3 教學(xué)模式

課堂講授主要包括兩個方面的內(nèi)容，一是基礎(chǔ)知識的講授以及課程內(nèi)容的布置，主要由教師、選定的學(xué)生和助教共同完成，因產(chǎn)品的目標(biāo)客戶是學(xué)生，所以在制定課程內(nèi)容時必須考慮他們的接受能力和意見。二是在學(xué)生上臺講演環(huán)節(jié)，主要由指定學(xué)生就相關(guān)課程內(nèi)容交流學(xué)習(xí)心得。在上臺之前，至少有一次要在教師面前排演，以保證技術(shù)含量以及相關(guān)學(xué)術(shù)內(nèi)容的正確性。課堂講授可以讓學(xué)生先作預(yù)習(xí)，以小組分工的方式輪番上臺，學(xué)生以自己的語言展現(xiàn)他們對每周課程內(nèi)容的理解思路。這樣也有助于教師觀察學(xué)生理解的盲點(diǎn)或創(chuàng)新點(diǎn)。教師必須明確所授課程在本專業(yè)知識結(jié)構(gòu)中的地位和作用，以及學(xué)生學(xué)習(xí)本課程應(yīng)該掌握的基本知識和能力，要特別強(qiáng)調(diào)相關(guān)知識和能力在實(shí)踐中的有機(jī)聯(lián)系。學(xué)生應(yīng)從實(shí)際或已有的知識中發(fā)現(xiàn)和提出問題，或教師留下思考題，通過后面?zhèn)€人作業(yè)和小組項(xiàng)目環(huán)節(jié)解決，在學(xué)生進(jìn)度報(bào)告中評估教學(xué)效果。

設(shè)計(jì)學(xué)生的個人作業(yè)，要求學(xué)生利用所學(xué)知識，對一個產(chǎn)品項(xiàng)目進(jìn)行構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、運(yùn)行，系統(tǒng)地完成一個工程實(shí)踐經(jīng)歷。其目的是讓學(xué)生從解決工程問題的角度學(xué)習(xí)專業(yè)知識，掌握工程思維方法，進(jìn)而形成對工程的興趣。對食品生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品質(zhì)量檢控中運(yùn)用學(xué)科知識進(jìn)行分析討論對提高學(xué)生獨(dú)立分析問題、認(rèn)識問題、解決問題的能力具有十分重要的作用。教學(xué)主體思想在于強(qiáng)調(diào)不同作業(yè)之間的相關(guān)性，前一次作業(yè)是后一次作業(yè)的基礎(chǔ)，以讓學(xué)生體認(rèn)到產(chǎn)品開發(fā)的連續(xù)性，向他們灌輸可持久化的工程理念，并告訴他們產(chǎn)品開發(fā)的過程與產(chǎn)品的表象功能同樣重要。

課程內(nèi)容中小組項(xiàng)目環(huán)節(jié)的安排正是基于工程學(xué)習(xí)要以創(chuàng)造產(chǎn)品為導(dǎo)向的理念，采用在產(chǎn)品開發(fā)中學(xué)習(xí)具體知識，再用學(xué)到的具體知識進(jìn)一步指導(dǎo)產(chǎn)品開發(fā)的學(xué)習(xí)模式。在小組項(xiàng)目的實(shí)施過程中，我們主要應(yīng)用整合與劃分的團(tuán)隊(duì)協(xié)作思想。一方面，促使學(xué)生體驗(yàn)團(tuán)隊(duì)協(xié)作意義；另一方面，在遇到問題時，通過教師啟發(fā)，學(xué)生自己分析失敗原因，有助于其對相關(guān)知識的理解和靈活運(yùn)用。讓學(xué)生在小組中討論和完成項(xiàng)目，這本身就是一個綜合性較強(qiáng)的實(shí)踐內(nèi)容，可在很大程度上培養(yǎng)學(xué)生的素質(zhì)和能力，可以直接考察學(xué)生的學(xué)習(xí)過程，也可以考察學(xué)生跨學(xué)科的學(xué)習(xí)能力、設(shè)計(jì)才能、創(chuàng)造力和領(lǐng)導(dǎo)能力。因此，學(xué)生們會變得更有責(zé)任感，由此可引導(dǎo)他們學(xué)習(xí)態(tài)度的轉(zhuǎn)變和技能的進(jìn)步。

進(jìn)度報(bào)告，工作模式是讓學(xué)生先將個人和小組的最終目標(biāo)精確地用文字記錄，引導(dǎo)學(xué)生與其團(tuán)隊(duì)的學(xué)習(xí)和產(chǎn)品開發(fā)行為。CDIO教育的目標(biāo)之一，是讓學(xué)生體認(rèn)到工作流程可以左右產(chǎn)品的優(yōu)劣?？梢砸?guī)定：每個小組每周都必須上臺報(bào)告自己本周取得的成果、下周的目標(biāo)以及實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的計(jì)劃。注重設(shè)計(jì)報(bào)告的規(guī)范性，不僅能訓(xùn)練學(xué)生的文字表達(dá)能力，而且要求學(xué)生對結(jié)果進(jìn)行分析和對比，得出結(jié)論，培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)思考和知識發(fā)現(xiàn)能力。

整個教學(xué)過程中，把課堂當(dāng)作是一個交換知識的工作空間，教師不再是一個知識的單純講授者，更像是一名教練或者導(dǎo)演，掌握著全體學(xué)生學(xué)習(xí)的進(jìn)度。

三、教學(xué)改革結(jié)果

教學(xué)的主體是學(xué)生，從學(xué)生的反饋意見可以找到改革中的不足，我們對教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法效果、綜合效果進(jìn)行問卷調(diào)查，結(jié)果見表1-3。

表1 教學(xué)內(nèi)容滿意度調(diào)查

表2 教學(xué)方法效果調(diào)查

表3 綜合效果調(diào)查

表1顯示96%的學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容持滿意的態(tài)度，表2所示為對教學(xué)效果的調(diào)查結(jié)果，可以看出98%的學(xué)生對教學(xué)方法感到滿意。學(xué)生從自身學(xué)習(xí)情況出發(fā)，對此最初評價(jià)，這樣的結(jié)果表明絕大多數(shù)學(xué)生在這樣的教學(xué)方法下能夠輕松地學(xué)習(xí)和掌握食品化學(xué)的基礎(chǔ)知識和獲得相關(guān)的能力。表3數(shù)據(jù)顯示：學(xué)生對講課內(nèi)容的理解程度、實(shí)際生產(chǎn)的了解、學(xué)生分析、團(tuán)隊(duì)合作滿意度是滿意的。自探索與實(shí)踐CDIO工程教育模式以來，我們本著邊教邊學(xué)、教學(xué)相長的原則，我們通過不斷實(shí)踐、反思、再實(shí)踐、再反思的過程，從實(shí)踐中汲取經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，不斷完善教育模式中的難點(diǎn)與細(xì)節(jié)，以達(dá)到最好的教學(xué)目的。

結(jié)合食品化學(xué)課程的特點(diǎn)探討了基于CDIO工程教育理念的、以項(xiàng)目設(shè)計(jì)為引導(dǎo)的實(shí)踐教學(xué)模式，突破了傳統(tǒng)教學(xué)模式，有以下兩大特點(diǎn)：一是對食品化學(xué)課程內(nèi)容進(jìn)行精選和重組，達(dá)到了教學(xué)內(nèi)容和項(xiàng)目教學(xué)統(tǒng)一，讓學(xué)生身處于食品生產(chǎn)情境中，通過小組討論，獲得對食品化學(xué)理論與產(chǎn)品或設(shè)計(jì)更為深入的理解，并且親自發(fā)現(xiàn)知識、重新提煉或建構(gòu)自己的食品知識體系；二是該教學(xué)方法激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，使學(xué)生體會到在實(shí)踐中探尋知識的樂趣，更重要的是讓學(xué)生參與整個項(xiàng)目中構(gòu)思→設(shè)計(jì)→實(shí)施→運(yùn)作的全過程，有助于科學(xué)研究能力和工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)[9，10]。從而激發(fā)起了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，轉(zhuǎn)變了學(xué)習(xí)態(tài)度，培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識。以產(chǎn)品為導(dǎo)向的工程教育，做中學(xué)，學(xué)中做，使得以往理論實(shí)踐相脫離的問題得到解決，更加強(qiáng)調(diào)了學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)。它對后續(xù)的課程教學(xué)、畢業(yè)實(shí)習(xí)和設(shè)計(jì)乃至為學(xué)生接受未來工程師終身教育奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[11]。

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G642.0

項(xiàng)目名稱：江西省教改課題。項(xiàng)目號：JXJG-09-1-27，JXJG-10-1-1。

項(xiàng)目名稱：江西省級精品課程《食品化學(xué)》建設(shè)項(xiàng)目。