面向新工科的糧食工程實驗課程群建設與實踐

吳曉娟，吳偉*，林親錄，周文化

中南林業科技大學食品科學與工程學院，稻谷及副產物深加工國家工程實驗室（湖南 410004）

糧食安全始終是關系國計民生的重大問題，更是關系社會穩定、經濟發展、國家自立的全局性重大戰略問題。糧食工程專業的設立和建設，是糧食行業“一體化”創新發展的要求，更是“人才興糧”戰略順利實施的基石[1-2]。2013年9月，中南林業科技大學食品科學與工程學院在建設食品科學與工程等專業的豐富經驗下，依托稻谷及副產物深加工國家工程實驗室的平臺優勢，開設了糧食工程專業，旨在培養從事糧食加工和糧油產品開發、糧食科學研究和質量檢驗、糧食深加工和質量管理等方面工作的復合型人才。近年來，通過修訂人才培養方案、完善課程體系建設、加強硬件設施建設等舉措，我校糧食工程專業在培養糧食工程復合型人才方面取得了明顯成效。但是，隨著工業4.0階段的到來，“新工科”概念應運而生，以新技術、新業態、新產業、新模式為特點的新經濟發展迫切需要更多工程實踐能力強、創新創業能力強、具備跨界整合能力的高素質復合型人才[3]。我校糧食工程專業在構筑和建設新型高等工程教育體系方面還缺乏實踐經驗，同時，作為新設專業，在教學管理、教學理論研究、教育教學質量尤其是實踐教學改革方面與本領域資深院校還存在較大差距。

“課程群建設”是近年來國內高校教學改革的重點和方向。課程群將多門相近課程的內容融合為一個整體，能夠整合和優化配置教學資源，提高教學資源利用效率[4]。目前，國內已有多所高校開展了食品類專業理論課程群建設的研究與探索，例如：江蘇大學食品科學與工程專業采用食品專業物理類課程群建設支撐工程人才培養[5]；鄭州科技學院食品類專業開展食品工藝課程群建設探索[6]。但這些食品類專業課程群建設的重點偏重于理論部分，對實踐部分的課程群建設未給予充分重視。而多所高校關于物聯網工程、機械工程、生物工程等專業實驗課程群建設的經驗表明，實驗課程群建設和實踐對于培養大學生創新思維、動手能力、分析問題和解決問題能力具有顯著成效。例如：湖北工業大學信息類專業開展了物聯網環境下網絡實驗課程群及實驗綜合平臺建設，研究并提出一種分層次的網絡實驗課程群體系結構，為師生提供了一個高水平和高效率的教學科研平臺[7]；福建農林大學機械類專業開展了機械設計課程群多層次實驗課教學體系的構建與探討，不僅培養了學生對實驗課的積極性，還能夠加深學生對理論課的理解[4]；安徽農業大學農業生物技術實驗教學中心開展了生物類實驗課程群多元化成績評價體系的創新研究，形成了一套比較規范科學的實驗考核辦法，提升了農業生物技術人才的培養質量[8]。因此，擬根據“新工科”人才培養的要求，結合我校糧食工程專業在實驗教學方面存在的問題，通過多層次實驗課程體系的構建、多樣化實驗教學方法的應用和多元化成績評價體系的實踐，積極開展糧食工程實驗課程群建設與實踐，以期提高學生個體的綜合素質、創新意識和工程實踐能力，創新培養高素質糧食工程科技人才。

1 我校糧食工程專業開設初期的實驗教學現狀

1.1 實驗課程體系不夠完善

糧食工程專業開設初期，我校食品科學與工程學院在充分調研了河南工業大學等高等院校糧食工程專業辦學模式的基礎上，結合食品科學與工程專業的實驗課程體系，構建了糧食工程專業的實驗課程體系，將實驗課程分為基礎課、學科基礎課、學科基礎選修課、專業課、專業選修課五大類（圖1）。其中，基礎課包括《無機及分析化學實驗》等4門課程，學科基礎課包括《食品微生物學實驗》等9門課程，學科基礎選修課包含《食品添加劑實驗》等5門課程，專業課包含《稻谷加工工藝學實驗》等5門課程，專業選修課包含《食品實驗設計與分析》等11門課程。但這34門實驗課程相互獨立，沒有形成課程群體系，每門課程的任課老師只負責本門課程的教學大綱，導致課程之間的實驗內容不協調、不連貫，甚至出現不同課程實驗內容重疊的現象。例如：《食品生物化學實驗》《食品化學實驗》《食品營養學實驗》均安排了“蛋白質含量測定”的實驗項目；《油脂加工工藝學實驗》和《油脂生產安全技術實驗》均安排了“油脂過氧化值測定”的實驗項目。并且，這些實驗課程共計約190個實驗項目，但其中僅有14.74%為設計性或綜合性實驗，其余均為驗證性實驗（圖2）。驗證性實驗主要是對所學理論知識進行驗證，在培養學生個體創造性、批判性思維以及分析問題、解決問題的能力方面效果不佳。隨著糧食產業的轉型升級以及與物聯網、大數據、云計算等產業的不斷融合，糧食工程專業人才的知識結構迫切需要向信息工程、智能制造等領域擴展，適應并引領糧食產業向多領域、多梯度、深層次、高技術、智能化、低能耗、高效益、可持續的方向發展，因而高素質糧食工程科技人才缺口更加明顯[9]。顯然地，以驗證性實驗為主的實驗課程體系已不能適應新工科背景下新型糧食工程科技人才的培養要求，全方位培養學生工程意識和綜合工程實踐能力的集“驗證、設計、綜合、創新”為一體的多層次實驗課程體系亟待建設和優化。

圖1 2013年我校糧食工程專業實驗課程設置情況

1.2 教學方法和內容較為落后

傳統的糧食工程專業實驗教學普遍采用的是傳統的“灌入式”“被動式”教學模式。不管是基礎課還是專業課，大多沿用教師講授為主的方式，學生的主體地位并未得到充分重視。整個實驗教學過程基本是由教師安排好實驗內容，準備好實驗儀器，擬定出實驗步驟，設計好實驗數據記錄表格，學生不用動腦思考，只要按照擬定的步驟去做，就能順利地完成實驗報告[10-11]。其次，基礎課實驗內容陳舊單調，與專業聯系較少。以《有機化學實驗》為例，全校開設此課程的有20個本科專業，參與學生近1 100人次，但涉及基本操作的驗證性實驗居多，例如“熔點、沸點的測定”“蒸餾和分餾”，只是對所學有機化學知識及相關理論進行驗證，沒能真正體現出有機化學的原理和技術在不同專業中的應用[12]。再次，專業課實驗內容設計落后，課堂教學缺乏生動的呈現手段。例如，《糧食釀造發酵工藝學實驗》的實驗教學內容停留在諸如傳統的手工工藝發酵、簡單的發酵食品制作等方面，同時由于缺乏新型實驗設備，難以開發、設計與當下電子化相關的新的實驗教學內容[13]。因而，多層次實驗課程體系的構建，必然要求對基礎課、專業課的實驗教學內容進行整合、優化、融會貫通，同時也亟待先進的教學方法支撐和實踐。

圖2 2013年我校糧食工程專業實驗項目類型分析

1.3 考核指標和方法較為單一

“考核標準單一化”是糧食工程專業大多數實驗課程的共性問題。傳統實驗教學中，由于教學內容陳舊、教學模式固化、實驗操作煩瑣等因素，幾乎所有實驗課程在評定學生成績時，都以實驗報告成績為主要參考依據[11-13]。這種“重結果輕過程”的做法使得學生逐漸形成了“高分=好的實驗結果+工整的實驗報告”的錯誤觀念[12]。有些學生因缺乏興趣不做實驗，直接謄抄他人實驗報告；有些學生為應付考勤而做實驗，按部就班，缺乏思考；而認真做實驗的學生則認為這種考核方式幾乎不能反映真實的實驗能力和水平，積極性受到嚴重打擊。目前，考核與評價已成為我校糧食工程專業實驗教學實踐中最困難的一個環節。多層次實驗課程體系的構建和實踐，必然要求建立更為科學合理的成績評價體系，作為衡量實驗教學質量的依據和提高教學質量的保證。

2 糧食工程專業實驗課程群建設與實踐

2.1 多層次實驗課程體系的構建

2.1.1 實驗課程優化設置

2017年，中南林業科技大學第一屆糧食工程專業本科生畢業，盡管就業率和就業質量名列學校前茅，但學生個體的綜合素質和創新實踐能力與行業發展和企業需求還存在較大差距，例如：從事糧油工程設計的學生在工廠設計尤其是管路設計等方面的知識儲備不足，從事糧油質量監督檢驗工作的學生在糧油品質分析和微生物檢驗方面的操作技能不夠熟練，從事糧油加工的學生在產品開發方面的創新性思維和綜合設計能力有待加強等。針對這些問題，2018年修訂的培養方案中將課程進行了優化設置（圖3），主要舉措有：在基礎課中，增加《大學物理實驗》，鞏固學生的物理理論知識，為后續相關專業課夯實基礎。在學科基礎課中，去掉《食品保鮮學實驗》，因為實驗項目偏向果蔬、畜禽食品保鮮；將《食品工程原理實驗》更改為《食品工程原理實訓》，重點培養學生的工程意識[14]；將《食品分析實驗》更改為《糧食品質分析實驗》，以糧油食品為實驗原料進行組分分析，可以更好地提高學生符合企業需求的實踐操作技能。在學科基礎選修課中，去掉《食品感官科學實驗》和《食品包裝學實驗》，增加《食品微生物檢驗學實驗》和《糧食工程供電自動化實驗》，使學生能夠根據職業規劃進行合理選擇，進一步牢固專業基礎。因學時和學分控制，在專業選修課中，去掉了糧油深加工與副產物綜合利用方面的相關實驗課程，但將其中的部分綜合性實驗項目整合到糧食、油脂和食品加工工藝學實驗課程之中，同時將食品安全控制技術實驗和油脂生產安全技術實驗合并為糧油生產安全技術實驗。通過優化設置，糧食工程專業的實驗課程由34門精簡到27門，盡管課程數量減少了，但是通過課程優化設置和實驗項目整合，實驗課程體系更加契合行業發展和企業需求。

圖3 新的糧食工程專業實驗課程設置情況

2.1.2 實驗類型不斷完善

在優化設置實驗課程的基礎上，對27門實驗課程重新進行分類，分為專業基礎性實驗課程、綜合提高性實驗課程和生產實踐性實驗課程，每門課程再分別設置不同類型的實驗項目，使各門課程組合成為一個結構合理、層次清晰、彼此連接、相互配合的連環式課程集群（圖4）。專業基礎性實驗課程以驗證性實驗項目為主，例如：《有機化學實驗》設置3個基本操作實驗、2個合成實驗和1個綜合設計性實驗，驗證性實驗項目比例占83.3%[12]。綜合提高性實驗課程以綜合性實驗為主，例如：《食品生物技術實驗》設置了發芽糙米中γ-氨基丁酸的提取與測定、溶菌酶的提取及酶活力測定等實驗項目，綜合性實驗項目比例占66.7%。生產實踐性實驗課程則以設計性和創新型實驗項目為主，例如：《小麥加工工藝學實驗》設置了不同面粉改良劑對面條品質影響的實驗項目，要求學生通過查閱資料選擇各種新型的面粉改良劑，設計性和創新型實驗項目比例占50%。對27門課程170余個實驗項目進行統計分析，其中驗證性實驗比例為50.37%，綜合性實驗比例為36.67%，設計性實驗比例為7.78%，創新型實驗比例為5.18%（圖5）。這樣，保留的驗證性實驗可使學生更加牢固地掌握基礎知識，增設的綜合性和設計性實驗可以全面提高學生的工程實踐能力，開設的創新型實驗則有利于培養學生的創新創業意識。

圖4 糧食工程專業實驗課程群的構成

圖5 新的糧食工程專業實驗項目類型分析

2.1.3 科研平臺開放支撐

我校食品科學與工程學院擁有稻谷及副產物深加工國家工程實驗室、糧油深加工與品質控制湖南省重點實驗室、糧油深加工與品質控制湖南省協同創新中心、湖南省稻谷深加工工程中心等多個科教平臺，具有較為完備的實驗設施條件。將實驗區域合理布局、實驗設備分類布置，形成了專業基礎實驗平臺、精密儀器共享平臺和生產實踐實驗平臺等三個功能齊全、層次分明、資源共享的實驗平臺，為糧食工程實驗課程群的構建提供了有力的硬件支撐（圖6）。例如：物性分析實驗室擁有質構儀、流變儀、粉質儀、快速黏度測定儀、大米食味計、大米外觀品質檢測儀等多臺儀器設備，不僅可以滿足《食品物性學實驗》等專業基礎性實驗課程的開設，還有利于《糧油品質分析實驗》《現代儀器分析實驗》等課程綜合提高性實驗項目的實施；中試車間擁有多功能谷物加工、智能發芽、米粉生產、飲料生產和稻米脫鎘等多條中試生產線，完全能夠滿足生產實踐性實驗課程中設計性、創新型實驗項目的開展。為充分發揮支撐平臺的資源優勢，結合糧食工程專業的培養目標，學院還建立了新型的“五開放”管理模式，即實驗平臺開放、實驗團隊組合開放、實驗時間開放、實驗內容開放和實驗指導方式開放，為高素質糧食工程科技人才的培養奠定了良好的基礎[15]。

2.2 多樣化實驗教學方法的應用

2.2.1 教學方法推陳出新

傳統的“灌入式”教學模式通常是以教師為中心、以書本為中心、以課堂教學為中心，很難激發學生深層的學習動機和興趣。近年來，“學生是知識建構的主體、教師是教學活動的主導”等觀念已逐漸成為高校教師的共識，翻轉課堂、研討式教學、混合式教學等多種新的教學模式逐漸受到重視。結合不同實驗課程的特點，糧食工程實驗教學改革過程中也開展了一些新的教學方法的應用，并取得了一定成效。例如：在《糧食品質分析實驗》課程中采用研討式教學模式，將學生分成若干小組，引導各小組通過查閱國家相關食品標準或國內外文獻，了解檢測原理，掌握檢測方法，并制定出具體的實驗方案；然后在課堂上按自己設計的方案進行操作，并形成實驗報告；如果出現問題，就分析原因找出問題，在課后可到實驗室對改良后的實驗方法進行驗證。通過這種方法教學，不僅可使學生在實驗設計、實驗操作、數據分析方面的能力得到鍛煉，還可提高獨立解決問題的能力[16]。在《現代儀器分析實驗》課程中引入思維導圖教學策略，在課堂討論時，要求學生圍繞主題中心勾畫儀器分析（色譜、原子吸收光譜、紅外光譜等）的思維導圖，讓所有學生展開思維，提出自己的角度和觀點，逐步擴展思維導圖的“枝葉”，不僅能夠幫助學生對所學知識進行系統性總結，還可以鍛煉學生用已有知識解決未知問題的思維方式和能力[17]。

圖6 糧食工程實驗課程群支撐平臺

2.2.2 教學資源不斷豐富

傳統的實驗課堂，教師只需要準備好實驗指導書即可。而翻轉課堂、研討式教學、思維導圖教學策略等新模式則要求教師在課前準備更多的教學資源，包括課件、視頻和擴展資源等。例如，《食品生物化學實驗》采用多媒體視頻輔助教學，將儀器設備操作演示、實驗過程中需要注重的細節、操作前準備工作、操作結束收尾工作等課件資料提前發送給學生，學生利用業余時間進行觀摩學習，以達到生動形象展示實驗教學的目的[18]?！队椭庸すに噷W實驗》在實驗教學開始前的理論課上，準備了多家企業提供的油料預處理、油脂壓榨（或浸出）、毛油精煉、成品油灌裝成套生產線視頻，創設有助于教學內容實現的情境，讓學生對油脂生產過程形成感性認識[11]。《食品工程原理實訓》則創新應用現代呈現技術，幫助學生構建對食品工程原理知識多維度的認知體系，將食品工程應用案例中的物質形態變化、傳熱與傳質等過程進行虛擬呈現，在相關食品工程應用案例的講解中，也利用真實場景虛擬現實技術，讓學生身臨其境感受工程應用現場，獲得對理論知識應用更為真實的認識和理解[14]。

2.3 多元化成績評價體系的實踐

根據糧食工程實驗課程群的特點，各門課程都摒棄了以往單一的考核評價方式，靈活采用實驗操作、實驗報告、期末理論、方案設計等多元化的評價依據和方法。例如：《油脂加工工藝學實驗》將考核評價分為知識和技能、思維和方法、習慣和態度三個層面，知識和技能主要考察學生的基礎理論知識和實踐操作技能，思維和方法主要考察學生創新意識和處理問題能力，習慣和態度主要考察學生預習情況、課堂考勤和組內協作情況[11]。《有機化學實驗》將綜合考評分為四部分，包括平時成績（實驗預習、實驗操作、考勤和衛生等）、實驗報告、設計性實驗成績、期末理論（抽簽口試），對學生的動手能力、思維能力、團隊協作能力等多方面進行考核[12]?！妒称飞锘瘜W實驗》將實驗課成績分為實驗前的預習、實驗前的準備工作、預實驗、實驗操作、實驗報告、實驗后的收尾工作等六個部分，依據學生在實驗各個環節的表現情況進行評價[18]?？偟膩碚f，在構建糧食工程實驗課程群的過程中，形成了多元化成績評價體系（圖7），更加注重評價指標的科學性、考評依據的全面性和評價過程的可操作性。研究發現，多元化成績評價體系可以更加科學、合理、公平地評價學生的實驗課程成績，促進學生對糧食工程的培養目標進行全面認識，提高學生的綜合實驗能力和科學創新素質。

3 結論

針對我校糧食工程專業存在的實驗課程體系不夠完善、教學方法和內容較為落后、考核標準和方法較為單一等問題，以“新工科”建設理念為指引，通過多層次實驗課程體系的構建、多樣化實驗教學方法的應用和多元化成績評價體系的實踐，積極開展糧食工程實驗課程群建設與實踐。通過教學改革和實踐，在一定程度上提高了學生個體的綜合素質、創新意識和工程實踐能力。然而，糧食行業的工業化進程是一個持續前進的過程，對于糧食工程專業人才的數量需求和質量要求也將不斷提高，因而，“新工科”背景下糧食工程專業人才培養模式的探索之路仍然任重而道遠。