新工科背景下“食品工程原理”課程改革與實踐

王忠合，王 軍，林麗云

（韓山師范學院食品工程與生物科技學院，廣東潮州 521041）

復旦共識、天大行動、北京指南構成了新工科建設的“三部曲”，奏響了人才培養主旋律，開拓了工程教育改革新路徑。新經濟快速發展迫切需要新工科人才支撐，新工科建設是我國高等工程教育適應新經濟、新產業發展的重大戰略決策與部署，以培養新經濟、新產業所需的多元化、復合型、創新型的卓越工程人才為目標，是為新經濟、新興產業發展提供智力和人才支撐的工程教育實踐[1-3]。新經濟要求發展“新工科”，但“新工科”的發展不僅僅是面向未來布局新興工科專業，也要使當前的工科專業突破傳統的人才培養模式，整合升級、綜合發展，培養具備更高創新創業能力、跨界整合能力的人才，建立多樣化和個性化的工程教育培養模式。當前工科教育存在的問題有：與企業和社會需求脫節、工程能力和素質明顯不足、團隊協作及溝通能力薄弱、藝術人文社會素養與創業精神亟須拓展[4]。全國各地新工科教育實踐在教育部“復旦共識”“天大行動”“北京指南”等理念的指導下蓬勃開展，以立德樹人為引領、以促進人的全面發展、多學科交叉融合、多元的過程性評價等為特點的新工科教育為我國高校的工程教育提供了新的思路與參照。為適應新工科建設和“一帶一路”國家戰略對工程教育提出的要求，學院啟動了新工科背景下的食品科學與工程類人才培養方案的修訂工作，積極推進與工程教育相關的各類課程教學改革，并于2018 年順利通過中國臺灣IEET 的工程教育認證。

“食品工程原理”是食品科學與工程類專業必修的一門專業基礎課，主要講授食品加工和制造過程中原料進出各加工單元的相互關系及影響因素，理論知識豐富且具有非常強的實踐性，與食品工業生產中各個加工環節密切相關，在食品科學與工程類人才的工程思維培養起著承前啟后的重要紐帶作用，是由理論知識應用于工程實踐的重要橋梁，對于培養學生解決食品工業中相關工程問題的能力起著重要的作用[5-6]。“食品工程原理”涉及的內容繁雜枯燥、晦澀難懂，學生很難全面掌握，而各單元操作又相互獨立，部分單元操作的公式推導復雜，再加上實驗教學等實踐環節中學生處于被動接受狀態，學生參與實踐操作或設計的積極性和主動性相對不足，難以達到預期的教學效果和工程能力培養。近年來，筆者在“食品工程原理”教學過程中，結合新工科建設的要求，對“食品工程原理”課程教學中的問題進行了改革探索，提出了相應的措施與方法，取得了一定成果。

1 PBL 翻轉教學模式

計算機技術和食品科技的快速發展，食品工程相關領域也發生了大幅度的變化，食品專業學生需要掌握的知識、技能及工程設計實踐能力也提出了更高的要求，以MOOC、SPOCs、翻轉課堂、微課及可汗學院等信息化教學掀起教育變革的新浪潮[6]。引入“以問題為導向”的PBL 教學方法和“以學生為中心”的翻轉課程教學手段，以小組討論式教學打破傳統教學中以教師講授為主體的灌輸式教學模式，可激發學生自主學習興趣，將學生被動學習向主動學習轉變，提高學生獨立思考、團隊協作和表達溝通能力。PBL 在國外全科醫學教育中應用較多，也取得了較好的教學效果，而在食品類專業特別是食品工程類課程中的應用還比較少。

根據教學大綱的要求選擇食品工程原理教材中基礎的、應用性、創造性強的課程作為PBL 教學內容，前期主要以流體流動、傳熱、干燥等章節內容為研究重點，在講授課程內容前向學生介紹電子教學平臺的使用方法和PBL 教學的基本過程，明確目標、任務及方法，讓學生對相關單元操作的基礎知識有一個初步了解。結合各單元操作相關知識的難易程度與學生掌握的知識結構，合理制定研究問題并分發至各組成員，查閱相關資料，解決分析問題，在探討問題的過程中，學生可隨時在討論區發布自己的觀點和不能解決的問題，增加與同一小組成員及指導教師之間的互動交流，最終解決問題形成PPT 在課堂上匯報、答辯。運用PBL 教學模式讓不同性格和基礎的學生一起探討問題，并發表自己的看法，鍛煉學生的組織能力和團隊合作精神。信息技術的運用，有效解決“食品工程原理”課程內容多、涉及的知識面廣、信息量大等與學時不足的矛盾。同時，一名教師可以通過網絡平臺同時對多個班級進行課程教學指導，提高了師資的利用率，解決了師資不足的問題。

2 構建“學習通”在線移動學習平臺

借助前期的翻轉課堂教學基礎和教學經驗，利用“學習通”等智慧教學工具構建線上線下混合式在線移動學習平臺，一張網、一個移動客戶端，把教師和學生緊密地聯系在一起，轉變傳統的課堂教學以講授為主的模式，充分利用課余時間學習，培養學生“課前課后、線上線下”自主學習習慣，豐富知識獲取渠道。在信息化大數據的時代，學生獲取知識和信息不再拘泥于教材和教師[7]，教學中可利用“學習通”的各組件，吸收傳統教學的精華，借助信息技術的優勢把線上教學和線下教學完美地融合在一起，以學生學習為主體并配合課堂教學的混合式教學模式，教師在教學過程中可隨時掌握學生的學習情況和調整學習內容及任務，課堂上教師還可以引入交互式學習，利用“學習通”平臺的簽到、搶答、點名、選人、主題討論等模塊進行互動，提高學生的學習興趣，避免傳統課堂教學中學生發言主動性不高和教師課上全員考勤耗費時間多等問題。同時，教師可利用隨堂練習和測試模塊考核學生的掌握程度，加強課程的過程性考核，學生提交試卷，教師批閱后學生可查閱試卷答案，實時反饋學習效果和存在的問題。新型的線上線下混合式學習和教學模式，不僅提高了課堂效率和學生學習的主動性，還為學習過程提供了完整全面的數據記錄和過程學習評定支持，促進課堂教學由“經驗驅動”向“數據驅動”的全面轉型，有助于提升整體教學質量和打造“金課”課程。

3 引入虛擬仿真打造新型的實訓實踐模式

“食品工程原理”實驗課程是理論課程學習的重要補充和實踐，通過實踐活動驗證相關原理的理論以拓展理論教學，達到培養學生的工程思想與觀念、提高學生分析和解決實際問題的能力，是將食品工程理論知識與食品工業生產緊密結合的橋梁和紐帶。由于重視程度不夠或受條件限制，傳統的食品工程原理實驗在多數食品專業院校的實驗開出率不足，多數學生動手操作的機會少，僅僅停留在演示實驗或設備的階段，這種模式處在簡單的“填鴨式”教學階段，學生根本沒有學習的自主性和主動性，工程化思想的訓練程度低，也無法有效激發學生的探索精神。基于前期教育部支持地方高校建設項目“食品工程大學生專業能力實訓基地”和省教育廳質量工程項目“生物科學與食品工程虛擬教學示范中心”等實踐基地建設的基礎上，采用北京歐倍爾軟件技術開發有限公司的食品工程虛擬仿真軟件構建新型的實踐教學平臺，采用“虛實結合式”和“情景再現式”教學模式與方法，以彌補部分院校或傳統的食品工程原理實驗實訓受場地、設備、安全等條件制約的缺陷，順應“新工科”建設和教育部大力推進“虛擬仿真”實驗項目建設的要求，充分發掘虛擬仿真軟件的技術優勢，利用多媒體、人機交互、數據庫和網絡通信等信息技術手段，構建“以學生和能力培養為中心”的分層次、開放式、模塊化的實驗教學體系。采用模塊式和主題探討式互動教學，如以某一單元操作或某一關鍵設備為例，引導學生模擬和熟悉真實生產環境下的運行狀態、工藝參數和控制指標等，解決虛擬仿真過程中的故障與問題，完成設定的操作任務，鍛煉學生解決實際工程問題的能力。充分利用信息技術的優勢和網絡媒體的直觀性，采用線上自學與線下翻轉相結合的雙重互動模式，學生學習過程遇到問題可與教師互動、交流，線下集中討論與匯報，提升學習的積極性與主動性，培養團隊協作能力。

根據不同章節或單元操作的特點及要求，整合實驗內容與項目，實行分級指導，構建分層次實驗教學體系，實施開放式實驗教學，針對不同需求進行虛擬平臺訓練。以“食品工程原理”中的單元操作干燥為例，根據學生的知識結構與教學要求，構建了3 個不同層次的實驗內容：基礎仿真操作層次（包括的教學模塊：干燥工藝及設備的認識、流化床干燥器的操作）、工程拓展層次（包含的教學模塊：異常情況及事故的緊急處置、干燥曲線的繪制、干燥速率曲線的求解、熱空氣流量對干燥速率曲線變化的影響、臨界濕含量的變化等）、綜合設計層次（包含的教學模塊：對流干燥器的設備結構及設計），3 個層次在知識深度、操作水平、能力達成度等方面的要求逐漸提高，不同層次、不同類型的學生在完成前一個層次的學習并達到一定要求后，方可進入下一層次的學習，這種“闖關”模式的教學可激發學生的學習熱情和興趣[6-7]。

4 結語

面向新經濟的新工科建設需要工程科技人才具備交叉復合特征，不僅具有解決工程問題的能力，還要具備跨學科、跨產業的跨界整合能力，因而新工科建設中需解決應用型人才培養的新模式，遵循工程教育認證中“以學生為中心、以產出為導向、持續改進”的原則，推廣以學生為主體的培養模式，提高工程技術人才的應用能力。實施工程教育專業認證，是我國高校推進工程教育改革的重要舉措、“新工科”建設的重要內容和工程教育國際化的重要標志。“食品工程原理”是一門實踐性、工程性強的課程，內容多、公式繁雜、學習難度大，引入“以問題為導向”的翻轉教學模式，借助現代信息技術的優勢，明確目標、任務及方法，有效解決問題并發表自己的看法，培養學生的實踐能力和工程思維，鍛煉學生的團隊合作能力。利用“學習通”智慧教學工具構建在線移動學習平臺，培養學生“課前課后、線上線下”自主學習習慣，把線上教學和線下教學完美地融合在一起，以學生學習為主體并配合課堂教學的混合式教學模式，提高學生的學習興趣，加強課程的過程考核，大大提高了課堂效率，并提高了學生學習的主動性、創新性。將虛擬仿真教學體系引入到實驗教學中，突破了“食品工程原理”在傳統實驗教學中受時空條件、儀器數量和操作過程安全性等條件的限制，學生通過開放式實驗教學平臺逐級完成相應的模塊任務，掌握各操作單元的原理、相關設備的操作規程等知識，加強線上線下雙重指導和過程考核，培養學生的工程思維和創新能力。