基于學生工程能力培養(yǎng)的“食品工程原理”課程教學實踐與探索

衛(wèi)永華，趙國建，鄭亞軍，吳建虎

（山西師范大學食品科學學院，山西 臨汾 041000）

0 引言

隨著我國食品工業(yè)的飛速發(fā)展，社會對食品類專業(yè)畢業(yè)生的工程能力提出了更高的要求。“食品工程原理”課程是高校食品類專業(yè)的一門專業(yè)基礎課，主要介紹食品加工所涉及單元操作的基本原理和規(guī)律、典型設備的工作原理、構造、性能，以及工藝尺寸的計算、選型等[1-2]。以食品加工生產過程中存在的實際工程問題為研究對象，決定了該課程的教學必然是以培養(yǎng)學生的工程能力為目標[3]。

為了提高學生的工程素質，學校近年來相繼開設了“食品工程原理”實驗課程和“食品工程原理”課程設計。實驗課程尤其是課程設計開展過程中，學生反映平時在理論學習中花費了較多的時間和精力，但在實際問題面前往往還是束手無策。通過食品工程原理系列課程的學習之后，學生的工程能力并未達到預期目標。理論是實踐的基礎[4]，而學生理論知識的掌握情況又與教師教學過程密切相關。為了使學生掌握扎實的理論知識，樹立正確的工程觀念，擁有基本的工程能力，在分析前期問題的基礎上，圍繞教學內容、方法、技巧和手段等進行了課程教學探索與實踐。

1 前期課程教學過程中的問題分析

1.1 教師對部分理論知識講解不透徹，學生基礎知識掌握不扎實

“食品工程原理”是理論性和實踐性都很強的課程，其基礎理論涉及高等數(shù)學、流體力學、傳熱學、傳質學、機械學等多個學科[5]，具有范圍寬、內容廣、概念多、物理量多、方法多、圖表多、計算公式多等特點[6]。學生在初學時，經常表現(xiàn)出單元操作原理易搞混、相關概念理解不透徹、計算公式記不住、經驗公式應用范圍不明確、圖表等工具不會用、設備結構理解困難等問題。而這些基礎內容又正是相關工程計算、設備選型、單元操作開發(fā)和設備設計的基礎。因此，學生基礎理論知識掌握不牢固是阻礙工程素質形成的重要原因之一。

1.2 學生對食品工程了解少，工程素質底子薄

由于“食品工程原理”是食品類專業(yè)學生接觸較早的一門專業(yè)課，學生對食品生產過程了解較少，對食品加工工藝環(huán)節(jié)認識不夠深入，接觸食品加工機械的機會少，導致學生表現(xiàn)出只會從理論角度仿照課本上例題解題、對設備結構的空間想象力差、看不懂設備圖紙、不會使用工程手冊等缺陷。

1.3 不能將理論知識與工程實踐相結合

由于以上問題的存在，導致學生缺乏運用所學知識分析和解決實際問題的能力。常見表現(xiàn)有不會根據(jù)實際情況合理選擇經驗公式；忽略設備與上下游關聯(lián)設備的可配套、銜接性；設備選型上重技術上的先進性，輕經濟上的適用性；缺乏經濟核算意識，缺乏設備成本和操作成本的計算等。

2 課程教學的實踐與探索

2.1 研究專業(yè)課程體系，優(yōu)化課程內容

2.1.1 調整課程體系，理順“食品工程原理”及相關課程的先后關系

“食品工程原理”涉及高等數(shù)學和物理學等學科的知識，作為高等數(shù)學和物理學的后續(xù)課程在大學第4～6學期開設已形成共識，但對“食品工程原理”和“食品機械與設備”這2門課開設的先后順序因校而異。考慮到“食品機械與設備”主要講述食品加工中常用機械與設備的結構、原理和性能，與“食品工程原理”中典型設備（如離心泵、蒸發(fā)濃縮設備、板框過濾機等）的結構、運行原理有相同或相通之處，與學院相關部門溝通，已將“食品工程原理”設在“食品機械與設備”之后開設（當然同學期開設也可以），這樣可以緩解“食品工程原理”課時緊張的情況，又使這2門課程的設置遵循從難到易、從理論到實踐的規(guī)律。另外，在大學第1～4學期開設“機械設計基礎”和“工程制圖”這2門課程也是極其必要的，這有利于提高學生的基本工程素質，為后期“食品工程原理”課程學習打好基礎。

2.1.2 相近課程加強溝通，避免內容重復

由于“食品工程原理”和“食品機械與設備”這2門課程存在部分教學內容交叉，所以在教學過程中加強了與“食品機械與設備”課程任課教師的溝通，根據(jù)這2門課程的教學目的進行了教學內容劃分，避免了教學時間的浪費。而對于這2門課程的教學內容，根據(jù)課程特點調整了教學側重點。

2.2 加強經驗公式推導，培養(yǎng)學生的實際工程問題處理能力

除了理論公式外，“食品工程原理”課程還包含大量的經驗公式和半經驗公式。這類公式大多是科學家根據(jù)工程實際，通過理想化處理、建立模型、試驗模擬和數(shù)學推導得出的結果。雖然在理論教學中，學生只需根據(jù)公式進行相關計算即可，公式推導過程與學生計算能力的關系不大。但在教學過程中發(fā)現(xiàn)，如果任課教師忽略公式的推導或推導過程講解不透徹的話，學生不能真正理解公式產生的背景和應用場合，平時只能對公式進行生搬硬套，解答簡單的理論題目，而遇到實際工程問題時缺乏變通，不能對公式進行靈活運用。反之，講述經驗公式形成過程中的細節(jié)問題有助于學生工程能力的培養(yǎng)。

以過濾基本方程的推導為例，科學家通過一系列理想化假設將濾液通過濾餅的流動阻力問題轉化為濾液通過一組細管流動時的阻力問題，該環(huán)節(jié)可以讓學生明白解決工程問題時可根據(jù)情況抓住主要矛盾，忽略次要矛盾；通過床層顆粒大小對濾液流動狀態(tài)的影響（濾液在大顆粒床層中流動易表現(xiàn)為湍流，在小顆粒床層中多為層流）分析，可以讓學生明白該公式具有嚴格的使用場合；通過將過濾介質阻力虛擬為濾餅阻力，既讓學生明白過濾介質當量濾液體積Ve和當量濾餅厚度Le等參數(shù)的物理意義，又讓學生明白本質相同的過程可以采用等價轉換的思維來處理等。

2.3 認真分析公式結構，幫助學生完成公式的理解和記憶

“食品工程原理”課程中許多公式結構復雜，難以記憶，使得學生對公式表現(xiàn)出畏難情緒。在講課過程中對公式（1）的結構、規(guī)律和各項物理意義進行合理分析，可以有效幫助學生記憶公式。

以流體流動章節(jié)中的伯努利方程為例：

該方程涉及參數(shù)較多，組成復雜，學生在初學時感覺該方程比較難記。可以針對該公式進行如下分析：①流體的任意截面都有位能、靜壓能和動能，其表達式分別為gz、p/ρ和u2/2，具體到截面1和截面2分別有gz1和p1/ρ、u12/2和gz2、p2/ρ和u22/2；②流體在流動過程中因黏度產生能量損失，具體對應公式中的∑hf；③如果流體在流動過程有外功輸入，則有We；④如果流體在流動過程與外界發(fā)生熱交換，則公式中有Q。學生在明白流體流動過程中所涉及到的能量變化后，該公式就容易記憶了。

再以傳熱章節(jié)中總傳熱系數(shù)計算公式（2）～（4）為例。當流體經過圓筒壁進行傳熱時，以外表面、內表面和對數(shù)平均表面為基準時分別對應以下3個總傳熱系數(shù)計算公式：

記憶這3個方程對學生來說，同樣是個挑戰(zhàn)。可以對這3個公式按如下步驟進行分析：①所有公式等號右邊的3項內容中都有1/αi、b/λ和1/αo，其代表的物理意義分別是圓筒壁內側流體對流傳熱熱阻、管壁導熱熱阻和圓筒壁外側流體對流傳熱熱阻；而每項剩余的分式則為對該熱阻的校正項；②以圓筒壁某表面為計算基準時，某表面處的熱阻項不需再校正，如以外表面為計算基準時，則圓筒壁外側熱阻1/αo不需要校正；③以圓筒壁某表面為計算基準時，所有校正項的分子都為該表面對應的內徑，分母分別為熱阻所在位置對應表面的內徑。在教學過程中，正是通過提問的方式與學生共同進行諸如此類的分析，基本可以實現(xiàn)學生對公式的當場記憶。

2.4 合理利用各種資源，加強學生對食品工程的認識和理解

當今社會，多媒體資源極其發(fā)達。將從網(wǎng)絡、抖音、優(yōu)酷中搜集到的與食品工程和單元操作相關的圖片、視頻、Flash動畫等資源運用到教學中，發(fā)現(xiàn)其可以起到事半功倍的效果。而對即便借助圖片和視頻學生也難于理解的內容，則借助設備部件實物或實驗模型來提高教學效果。例如，由于濾漿和洗滌水在板框過濾機中的運行路線比較隱蔽，教師僅靠講述、圖片和視頻很難讓學生明白過濾和洗滌的操作原理。在教學過程中將板框過濾設備上的洗滌板、濾框和濾框部件帶入課堂，通過學生對部件內部結構的直觀觀察，實現(xiàn)了學生對板框過濾設備工作原理的快速、深入理解。

2.5 善于總結，通過“合并同類項”的方式加強學生對基礎知識的理解

在“食品工程原理”教學內容中，存在許多基本原理、思路和學習方法相近的知識點：①在傳熱、浸提和萃取單元操作中都涉及到參與傳遞過程的2種物質的流動方向問題，且存在相同的規(guī)律，即無論傳熱還是傳質，逆流傳遞效率總大于并流傳遞效率；②對于過濾、傳熱和傳質等單元操作或傳遞過程而言，其都符合速率=推動力/阻力這個規(guī)律；③如果單元操作由多個環(huán)節(jié)串聯(lián)而成，則其總傳遞速率受傳遞速率慢的環(huán)節(jié)控制。這個規(guī)律在氣體吸收、對流干燥、間壁式換熱等過程都存在。

如果在教學過程中，任課教師采取“合并同類項”的方式將相近、相通內容從教學內容中抽出來進行總結，則有助于學生理清思路，加深相關內容的理解。

2.6 加強應用題目練習，加強學生對公式的理解和應用

應用題目的練習是學生對課堂知識的應用和實踐。在教學過程中，通過適當引入例題、課后布置應用題目、作業(yè)講評的方式，不僅可以促進學生對理論知識的理解和運用，還有助于培養(yǎng)學生的工程思維和針對實際工程問題的計算能力。

3 結語

食品工業(yè)的發(fā)展不斷對工程專業(yè)人才培養(yǎng)提出挑戰(zhàn)，對“食品工程原理”課程進行改革，合理設置其教學體系，靈活運用教學技巧，對學生工程能力的培養(yǎng)可以起到事半功倍的效果。但教無定法，只有在實踐中不斷總結教訓、鉆研方法、探索思路、總結成果，才能使得教學相長。