基于CDIO教育理念的“食品機械與設備”課程教學改革探索

王畢妮，朱彩平，張富新，邵玉宇

（陜西師范大學食品工程與營養科學學院，陜西西安 710119）

基于CDIO教育理念的“食品機械與設備”課程教學改革探索

王畢妮，朱彩平，張富新，邵玉宇

（陜西師范大學食品工程與營養科學學院，陜西西安 710119）

CDIO是“構思（Conceive）”“設計（Design）”“實現（Implement）”和“運作（Operate）”的英文縮寫，是集系統性與先進性為一體的教育理念和人才培養模式。將CDIO工程教育理念引入到“食品機械與設備”課程教學改革中，通過分析教學現狀，提出在教學理念、教學方法和考核方式等方面進行積極的教學改革探索，從而達到在教學過程中培養學生主動學習能力、工程實踐能力、團隊合作能力、溝通交流能力及整個CDIO全過程能力的教學效果。

食品機械與設備；CDIO教育理念；教學改革

Abstract：CDIO is the English abbreviation of Conceive，Design，Implement and Operate，which is a systematic and advanced educational concept and training mode.Based on the CDIO theory，CDIO engineering education mode is introduced into the teaching reform of Food Machinery and Equipment.The teaching concept，teaching methods and evaluation modes are proposed and are actively reformed based on the analysis on the teaching facts.By the reform，the independent learning ability，practice and innovation ability，team-work ability，communication ability，and the whole CDIO process capability of students are cultivated or exercised.

Key words：Food Machinery and Equipment；CDIO；teaching reform

CDIO是由美國麻省理工學院聯合其他幾所高校共同提出的一種經典工程教育模式，是將構思（Conceive）-設計（Design）-實現（Implement）-運作（Operate） 四維理念串聯成的工程教育體系，是集系統性與先進性為一體的教育理念和人才培養模式[1]。CDIO強調工程教育應當關注實踐，以工程基礎理論和專業知識為基礎，將教育過程放到工程領域的具體情境中，把理論、實踐及創新合為一體。以CDIO四維教育理念為載體，將教育過程放到工程領域的具體情境中，通過貫穿整個人才培養過程的團隊設計和創新實踐訓練，培養專業基礎扎實、職業道德高尚的新一代高水平工程師[2]。CDIO工程教育模式是近年來國際工程教育改革的新成果，在世界各地的多所大學進行了實施并取得良好的成效。自2005年汕頭大學率先實施CDIO工程教育改革以來，在教育部高教司理工處的指導和支持下，全國幾十所試點高校和許多非試點院校實施CDIO改革，形成了多個成功案例。這些改革探索不僅強調提升學生的工程實踐創新能力，更兼具人文的關懷[3]。

食品機械與設備是把食品原料加工成食品（或半成品）的主要工具，涉及食品工業生產的各個方面，是食品現代化生產過程中必不可少的組成部分。食品工業的穩步發展，離不開先進的現代化工藝技術和機械設備。近年來，傳統食品工業化已被提至議事日程，傳統食品經機械加工不僅能夠增加其附加值，也使其能較久遠地保留其生產工藝，因此將“食品機械與設備”課程作為專業必修課程在食品科學與工程專業開設。該課程主要系統地向學生介紹在食品加工過程中進行各種單元操作機械設備的結構組成、工作原理或工作過程、設備性能參數、使用方法及使用時的注意事項，其目的是使學生獲得必要的有關食品機械與設備的基礎理論知識和實踐技能，培養學生具有一定的食品機械設備選型、工藝設備設計和性能改進的能力，為今后從事食品生產過程中選用和科學使用各種先進的食品機械設備，并進行性能改進和創新設計奠定堅實的基礎[4-5]。

但是多年來，該課程開設了理論教學和實驗教學部分，盡管在提高學生實踐技能方面有明顯改善，但在當前人才培養過程中重科學、輕工程的現象非常普遍，學生的食品工程應用能力和實踐經驗較薄弱甚至欠缺，特別是在食品機械方面的工程實踐創新能力情況更加嚴重[6]。因此，針對“食品機械與設備”課程的教學現狀，結合本科食品科學與工程專業教育中出現的重理論教學輕實踐培養、重學生理論知識的學習而輕工程實踐創新能力的培養等問題，將CDIO工程教育理念應用于“食品機械與設備”課程的教學改革中。主要從教學理念、課程理論教學體系、實踐教學及考核方式等方面進行改革與探索，旨在獲得良好的教學效果。

1 課程教學現狀

目前，學院將“食品機械與設備”課程作為食品科學與工程專業本科生的一門必修課，開設在三年級第1學期，共60個學時，其中課堂講授50個學時，實驗10個學時。前期課程有“工程制圖”“機械基礎”和“食品工程原理”等，同時與各種“食品加工工藝學”課程穿插學習，為后續“食品工廠設計”課程學習奠定了必要的基礎，對學生理論知識體系的架構非常重要。然而，在實際教學過程中，發現仍存在以下問題導致教學效果不理想。

1.1 現有課程知識體系不利于學生理論聯系實際

現行“食品機械與設備”教材一般都是按照加工單位操作進行章節的劃分，包括食品輸送機械與設備、食品清理和分選機械與設備、食品粉碎機械與設備、食品分離機械與設備、食品混合機械與設備、食品成型機械與設備、食品濃縮機械與設備、食品干燥機械與設備、食品殺菌機械與設備、食品發酵機械與設備、食品速凍機械與設備、食品包裝機械與設備和典型食品生產線等，雖然條理清楚，利于學生掌握各類設備的整體特性，但對其應用舉例不具體，綜合應用性不強。學生按照此知識體系學習后，很難結合食品加工工藝方案進行設備選型和生產線的設計與改造。另外，新技術不斷地應用于食品機械的生產中，食品機械行業迅速發展，新型食品機械設備也不可能及時編入教材中。課堂教學內容如果不能及時更新，會導致課堂教學內容與行業發展脫節，學生不能準確地將所學理論知識與實際生產結合，思路跟不上，也會極大地影響教學效果。

1.2 教學方法和手段落后，對實踐性教學的重視不夠

食品機械種類繁多，內部結構復雜，僅以理論講解的單一方式使多數學生只達到感性認識水平，很難使學生深入了解和掌握食品機械的基本結構與工作原理，再加上實踐教學少，可供學生拆卸的設備材料太少，大多時候只是看看外形，學生只能通過空間想象力將實物與理論結合來學習，信息接受起來非常困難，逐漸降低了學生的學習興趣，也使得學生在食品機械與設備操作、保養和維護方面的能力和工程素養相對薄弱和不足，很難滿足食品工業發展的需要。因此，任課教師必須努力改革原有的教學方法和手段，增加教學實踐環節，將現代化的教學方法和手段與實踐教學相結合，使學生更好地掌握教學內容。

1.3 課程難度大，學生學習興趣不濃

食品機械與設備是食品工藝和機械設計相結合的產物。食品加工機械的種類太多，在有限的課堂理論教學中很難一一介紹各類機械設備及其應用情況，導致學生學習混亂，無法準確與已學食品工藝相結合，再加上與實際生產設備接觸少，學生漸漸失去學習的興趣。而且，在師范院校，女生占比特別高（大約80%），由于大部分女生對機械的學習興趣不足，也影響了該課程的教學效果。

2 基于CDIO工程教育理念的教學改革探討

為進一步提高“食品機械與設備”課程的教學效果，提升學生的工程意識和工程實踐能力，以適應現代食品工業發展對專業人才的需求，應立足食品生產的實際需求，采用CDIO工程教育理念對“食品機械與設備”課程進行教學改革與創新，加強學生工程實踐能力的培養，為我國食品生產企業輸送具有較強工程實踐創新能力的新一代高水平工程師。

2.1 教師教學理念的改革

我國高等工程教育專業的教師在授課中普遍存在重理論輕實踐、授課模式呆板、缺乏與學生溝通交流等問題，導致學生的工程能力和團隊合作能力都難以得到有效的提升[7]。而CDIO工程教育模式，則要求教師應具有較好的工程實踐能力、團隊合作能力、建造產品和系統的能力；還要求教師要提高在一體化學習、主動經驗學習方法，以及綜合評價學生學習效果等方面的能力。“食品機械與設備”課程偏重工程技術方面，因此按照CDIO工程教育理念對教師的教學理念進行改革，著重按照CDIO理念轉變教師的職能和心態，要求教師在提升自身能力的基礎上，更要遵循這一理念來進行實際教學，從而將傳統灌輸式的教學方法改為引導學生培養良好的主動學習能力、實踐創新能力、溝通交流能力及團隊合作精神等。具體表現如下。

（1）努力提高教師自身的工程能力。“食品機械與設備”課程要求教師必須與時俱進、提升自身的工程知識和工程能力，應具備良好的工程背景和豐富的食品生產實踐經驗，具備較強的機械設備應用能力。該課程主講教師在承擔課程教學任務之前，應多次進入企業進行實地考察，學習食品機械設備在實際生產中的應用情況，參與相關工程項目的設計，及時更新已有食品生產知識。努力提高教師自身的工程能力，既能使學生及時獲取一些具有針對性、代表性、與時俱進的食品機械設備選型和應用的實踐經驗，也能使課程講解更深入，使學生更容易接受，從而提高學習興趣。

（2）教師職能要轉變為啟發者、參與者和分析者。教師在教學中應更加注重以學生為中心，強調并引導學生主動學習和主動實踐，要為學生創設自主學習食品機械設備相關知識的環境，努力開發新的學習資源，并為學生提供學習方面的幫助和服務。在實踐中則應結合學生的學習興趣點，有針對性地開設實踐場所，便于學生自主選擇。在課程評估方面，要求教師采用靈活的形式進行全程式考核評價，應更注重考查學生學習過程中知識水平和綜合素質能力的提升。

2.2 課程理論教學體系的改革與創新

為滿足培養較強工程實踐創新能力的新一代高水平食品工程師的需要，在“食品機械與設備”課程教學上，結合課程教學實踐及課程特點和學生的實際情況，通過改革現有食品機械與設備知識體系，采用多種教學方法進行教學，如基于問題的教學法（PBL）、案例教學、理論與實踐相結合方式等多種教學方法綜合應用，以培養學生的主動學習、主動實踐能力和團隊精神、創新精神。

（1）根據CDIO大綱的第一層面能力要求“專業基礎知識和應用”，對“食品機械與設備”課程教學內容做出了適當調整。以實用為導向，按照當前食品加工行業最新使用的生產線對現行教材進行了重排，將每類食品加工中主要生產工序對應的生產設備集中起來，使授課內容與行業發展實際接軌，便于學生結合食品加工工藝對實際生產有更清楚的認識，有重點地篩選授課知識，選擇性地刪減了過于深澀純理論知識，忽略其中不重要的、煩瑣的設備生產能力計算等公式，重點講述設備的工作原理、工作過程、特點和具有實際應用價值的設備選型方法，使得學生對食品機械與設備理論和現有食品生產設備流程有較為全面的認知。此外，在講解設備結構、工作原理及物料流程時，可采用多媒體技術，將搜集到的單機設備的工作原理動畫和實物圖片、成套生產線的工作過程視頻等素材，以Flash的方式展現給學生，使原本枯燥的教學內容更直觀、具體化和形象化，以激發學生學習的興趣，提高學生對知識的接受程度。

（2）采用多種教學方法綜合應用，以提高課堂教學效果。采用基于問題的教學模式（PBL），該教育模式以學生為中心，其基礎是通過設計問題來引導學生進行自主學習。在CDIO教學理念下，采用PBL教學法有利于培養學生積極主動的學習能力。例如，在食品混合機械與設備一章中均質機的課堂教學過程中，現場提出問題“為什么超高溫瞬時殺菌奶需要均質處理，而巴氏殺菌奶不需要”；然后引導學生去思考對牛奶進行均質的目的，需要達到的標準，并討論其他的解決方案；最后教師結合不同殺菌處理牛奶的特性，進一步分析研討該問題，讓學生提出自己的見解。此PBL教學法有利于提高學生自主學習的積極性，增強學生思考和解決實際問題的能力。

采用案例教學，主要是引導學生講解案例，并積極參與到教學過程中。案例內容主要為某種食品的生產設備工藝流程。教師將學生分為10個小組，每組5～6個學生。首先，學生在教師指定的食品類別中，通過市場調查及小組討論，自主選擇感興趣的食品類別，每組確定1個案例內容。再利用課余時間查閱相關文獻，經討論后形成初步的案例構思。然后，具體確定講解內容，包括生產工藝流程、生產工藝操作要點、生產設備選型等，討論完善后制作成PPT。最后，通過課堂講解、組間提問、課堂討論、現場評分等方式完成系統知識的學習和鞏固。教師則從學生的團隊合作能力、交流溝通能力以及學生的表現等方面進行全面評價。該教學環節有利于發揮學生的主導作用，使學生的團隊合作能力、交流溝通能力和創造性思維能得以鍛練。

2.3 實踐教學的改革

構建適應創新型人才培養需要的創新實踐教學體系，是高等教育質量工程改革的重點和熱點[7]。基于CDIO理念的實踐教學，更應該強調學生的構思—設計—實現—運作整個系統的能力。“食品機械與設備”是一門實踐性較強的課程，在實踐教學方面更強調學生要在“做中學”，通過構建一體化、多層次、開放式的實踐教學平臺，讓學生多在實踐中學習，培養學生的主動實踐能力和創新思維。

（1）組織學生認識現有實驗室的小型食品機械設備，學生通過親自拆裝設備，對機械設備的工作原理、結構組成及使用時注意事項等有更清楚的認識，也能加深學生對所學理論知識的理解。之后增設一些相關食品加工的小實驗，使學生親自操作實踐生產，實現理論與實踐的結合。例如，在進行均質機實驗時，為加深學生對均質加工單元的理解，將均質前后牛奶的黏度及其中脂肪球顆粒大小進行對比，通過實驗數據證實理論知識，同時也提高了學生的科學思維能力。

（2） 校內有食品加工中試實驗室，開設有6條食品生產線，分別為果汁生產線（2條）、酸奶生產線、水處理生產線、饅頭生產線和天然資源有效成分提取生產線。改革后的教學內容是按照不同類別食品生產線分別介紹線上各食品機械設備的結構組成、工作原理、特性及使用注意事項等。在相關食品生產線的理論教學結束后，帶領學生去中試車間實地見習。學生結合課程理論的學習，在見習過程中提出疑問，由指導教師或車間工程師進行詳細解答。學生還可以在教師的指導下自己動手操作設備，在參與實際生產操作過程中加深對課堂理論知識的理解和掌握，也使學生的學習興趣大大增加。

2.4 考核方式的改革

教師作為學生學習效果的評價者，目前對學生“食品機械與設備”課程的考核主要以考試的方式評價學生對所學知識的掌握和理解情況，從出勤（10%）、平時作業與實驗（20%） 和期末考試（70%）3個方面進行綜合評價，忽略對學生能力和綜合素質的考核，不利于創新型應用人才的培養。結合CDIO工程教育理念與人才培養模式，對“食品機械與設備”課程學習效果考核方式進行了相應改革。

（1）期末考試在總學習成績中所占比例有所弱化，為60%。因為目前來說，這依舊是對學生知識水平考核的最有效也是最主要的評估方式。但是，在期末閉卷考試中，主要是評估學生對食品機械設備知識的掌握情況，更重要的是評估學生是否具有綜合選用和使用食品機械設備的能力。

（2）平時作業與實驗考核部分所占比例增加至30%。其中，課程作業占10%，通過設計課后作業可以進一步鞏固課堂所學的知識點，拓寬學生的知識。主要考查學生完成課程作業的情況和質量；實驗部分占10%，主要考查學生的動手實踐能力、實驗報告的書面表達能力和對實驗結果的自主分析能力；講解案例占10%，主要考查學生人際能力、團隊合作能力及創新性思維等，通過學生在課堂講解案例中的表現進行綜合評價。此外，學生在創新實踐上取得成果，或參與創新性課題或發表論文等均可以申請向教師加分。

（3） 出勤占10%。主要評價學生平時在課堂上的表現，包括學習態度、課堂回答問題情況和出勤情況等，貫穿學生學習的整個過程來進行考查。

3 課程教學改革效果

通過改變教師教學理念、精煉教學內容、豐富教學素材、改進教學方法，將“食品機械與設備”抽象的知識點形象化、具體化，結合學生講解案例，學生自主學習的積極性和自學能力均得到了極大的提高，同時學生更加注重自身能力、主動實踐能力、團隊合作精神和創新性思維的培養，課堂表現得到明顯改善。由此可見，基于CDIO理念的“食品機械與設備”教學改革收到了良好的教學效果，達到了改善教學效果的目的[8-9]。

4 結語

在分析“食品機械與設備”課程教學現狀的基礎上，將CDIO教育理念運用于該課程的教學改革中，具體體現在教學理念的改變、教學內容的精煉、教學方法的改進、理論實踐的結合及考核方式的改革等方面，旨在培養學生自主學習理論知識和主動實踐，并能運用所學理論知識分析問題、解決問題，提升團隊合作及與人交流溝通的能力，達到了該課程改革的教學效果。然而，CDIO教育不僅是這些教學方法和理念的改變，更要求教育教學和社會大環境共同協調發展才能取得預期的改革效果。已有實踐證明，有意識地將CDIO理念引入“食品機械與設備”課程教學改革的實踐中是可行的，有利于培養和提升學生的主動學習能力、工程實踐創新能力、團隊合作能力、人際交流溝通能力乃至整個CDIO的全過程能力，從而培養出一批具有較強工程實踐創新能力的新一代高水平食品工程師。

[1]周愛梅，劉欣，趙力超，等.基于CDIO理念的食品化學課程教學改革 [J].食品與機械，2015，31（2）：277-280.

[2]吳偉，吳曉娟.基于CDIO理念的“現代食品加工新技術”實踐教學改革 [J].農產品加工，2016（9）：73-75.

[3]顧佩華，包能勝，康全禮，等.CDIO在中國（上） [J].高等工程教育研究，2012（3）：24-40.

[4]馬海樂.食品機械與設備 [M].北京：中國農業出版社，2004：2-3.

[5]田玉庭，曾紅亮，張寧寧，等.“食品機械與設備”課程教學改革與創新 [J].食品工程，2013，3（3）：107-109.

[6]謝勇，劉燕玉，李剛鳳，等.基于工程能力培養的“食品機械與設備”課程教學改革 [J].食品工業，2016，37（8）：244-247.

[7]曹淼孫，梁志星.基于CDIO理念的工程專業教師角色轉型 [J].高等工程教育研究，2012（1）：88-91.

[8]田昊，唐鳳仙，單春會，等.關于如何提升“食品機械與設備”課程教學效果的探討 [J].農產品加工，2015（14）：85-86.

[9]胡勇，高永清，吳小勇，等.食品機械與設備課程設計教學實踐探討 [J].廣東化工，2013，40（15）：204，217.◇

Teaching Reform on Food Machinery and Equipment Based on the Concept of CDIO

WANG Bi'ni，ZHU Caiping，ZHANG Fuxin，SHAO Yuyu
（College of Food Engineering and Nutritional Science，Shaanxi Normal University，Xi'an，Shaanxi 710119，China）

G642

A

10.16693/j.cnki.1671-9646（X）.2017.09.052

1671-9646（2017） 09b-0083-04

2017-07-17

陜西師范大學校級教學改革研究項目（17SC-JG03）。

王畢妮（1980— ），女，博士，副教授，研究方向為功能食品加工及安全檢測。