“食品工程原理”課程創新改革與實踐

汪立君， 洪 惠， 張博雅， 周 忻， 殷麗君

（中國農業大學食品科學與營養工程學院，北京 100083）

0 引言

食品工程在食品加工過程中起到舉足輕重的作用。食品工程原理是食品工程技術的理論和實踐基礎，是一門理論和實踐結合十分緊密的專業基礎課。

“食品工程原理”課程是食品院校所有專業的核心基礎課，其主要內容是“三傳理論（動量傳遞、熱量傳遞和質量傳遞）”和單元操作（流體流動、傳熱、過濾、蒸餾、吸收、萃取吸附、蒸發和干燥等），該課程具有理論性強、涉及領域寬、設備結構復雜和操作過程煩瑣等特點。“三傳理論”之間即互相聯系又互相獨立，課程涉及基于“三傳理論”食品加工的諸多具體操作，學生對于“三傳理論”和單元操作的理解與掌握仍不足，不能很好地搭建起理論與實際食品工程工藝之間的橋梁。

各高校“食品工程原理”課程教學團隊本著提高課程質量、緊抓教學水平的宗旨，近年來通過潛心鉆研和努力改革，切實提高教學水平。汪昌保等[1]對“食品工程原理”課程國內外教學研究發展現狀進行了討論與分析。國內學者分別從“食品工程原理”課程的理論教學、實驗教學和課程設計3 個教學環節探討了教學內容和方法[2-9]。

基于此，本課程教學團隊首先將課程體系進行優化設計，利用信息化平臺和資源庫，增強學生對理論的深度理解；利用有效思維工具，構建結構化的課程學習思維，建立起理論知識和實踐應用的連接，幫助學生搭建起完整且深入的知識體系；通過科研、競賽等促進學生將所學知識用于解決復雜工程問題。

1 基于結構化的教學模式

1.1 構建結構化教學模式

課程充分利用信息化平臺（雨課堂、微信群、在線教育平臺等），將資源庫的內容信息化、電子化，并面向全體學生開放；建立“動”和“靜”資源庫，并在教學中靈活使用；構建“課前＋課中＋課后”的翻轉課堂；有效促成“由教師教”到“學生主動學”的轉變。引導學生采用思維導圖輔助學習，串聯不同章節知識點，構建結構化學習模式。這種模式使學生學習情境由易到難，循序漸進，將不同知識點相互嵌入、共同作用，幫助學生形成較為穩固的知識結構體系，并培養學生的系統性思維和邏輯性思維（圖1）。

圖1 利用信息化平臺和動靜交替資源庫構建結構化教學模式Fig.1 Structured teaching mode constructed by using information platform and dynamic static resource

1.1.1 課程體系逐漸進階與優化

撰寫理論課的教學大綱和教學講義，通過不斷優化教學內容來提升教學質量（圖2）。課程依據模塊化分解、系統性、綜合性和能力培養導向原則進行設計[10]。

圖2 課程教學體系優化設計Fig.2 Optimization design of course teaching system

1.1.2 建立高水平的“動”和“靜”資源庫

基于以上的改革思路，體現課程“高階性、創新性、挑戰性”，不斷更新動靜交替的教學資源庫，資源庫的內容和水平是打造“高階性、創新性、挑戰性”課堂的核心，包括教學課件、例題庫、習題庫、習題庫答案、素材庫和主要公式等，均已置于在線教育平臺上。通過文字圖片的“靜”與視頻動畫的“動”相互交替使用，增強學生對理論知識的深度理解。

課程涉及大量計算，使學生對食品加工的總體流程和設備感到難以掌握。“原理-傳動-結構-功能”的傳統講授方法不能滿足學生理解和掌握相關內容的需要，并且教材中采用的機械結構圖多以二維圖為主，優化度不高、可視化程度低。為了解決這個問題，在PPT、例題和習題引入自主制作的三維結構圖（圖3 以傳熱為例）、三維動畫和多媒體視頻，通過采用不同的顏色并模擬物料的復雜運動，實現了更多的可視化功能[6]。

圖3 自主制作的課程教學示意（傳熱）Fig.3 Self-made course teaching diagram （heat transfer）

1.2 學研結合夯實學生基礎理論知識

將食品加工過程最新的科研成果、科研案例、專利技術引入到教學的講解與實操中，培養學生緊跟世界一流技術的意識。以干燥為例，基于“十三五”國家重點研發計劃《典型高熱敏性高活性農特產品物料干燥工藝調控與閾值界定研究》子項目的研究，將最新的科研成果融入到課堂教學中。同時將知識點與科研案例一一對應，真正做到教學支持科研，科研反哺教學[10-11]。

如圖4 所示，在講解干燥動力學曲線-“魔幻”干燥曲線時，向學生講解經典的恒定干燥條件下的干燥特性曲線及在實際科研生產中的非恒定干燥條件下的干燥曲線，通過對比，激發學生批判性和創新性的思維方式。通過學研結合，全面培養學生工程能力，課堂也從枯燥乏味變得有滋有味。

圖4 科研案例與知識點一一對應（干燥曲線）Fig.4 One by one correspondence between scientific research cases and knowledge points （drying curve）

如圖5 所示，在單元操作干燥的講解中，發現學生對物料中的水分分類（含量）-“神奇的水”這一概念很難掌握。為此，將科研中最新的采用核磁共振技術測定桔梗在不同干燥階段的水分定量呈現出來，通過這種方式的講解，學生不僅掌握這一知識點，還激發科研興趣，激發學生緊跟世界一流科研的思維，真正做到教學支持科研，科研反哺教學。

圖5 科研案例與知識點一一對應（神奇的水）Fig.5 One by one correspondence between scientific research cases and knowledge points（magical water）

通過學研結合，培養學生的科學研究及工程實踐能力。此外，教師通過指導學生參加國家級、省部級和校級創新創業項目，拓展學生的視野，激發學生科研興趣，培養學生工程能力。

1.3 賽教互促培養學生解決工程問題的能力

延伸第2 課堂，通過以賽促教提升學生的工程能力。食品工程原理課程通過賽教互促強化學科競賽的教學引領作用。自2018 年首屆全國大學生食品工程虛擬仿真大賽，在教學中引入競賽內容，打造“賽事常規化”的教學環境，打磨出競賽與教學相結合的教改方案。

以賽促學，培養實驗實踐生力軍。通過大賽激發學生學習的積極性和主動性，激發學生學習鉆研科學實驗理論和技術的熱情，鼓勵學生重視實踐動手能力，啟迪學生在科學實驗中充分發揮自己的創造才能，培養學生的拼搏精神、團隊合作精神，培養學生的創新精神和綜合素質，全面提升學生解決復雜工程問題的能力。在課程教師的指導下，學生組隊準備比賽。

以賽促教，探索素質教育新途徑。把大賽作為深化實驗實踐教育改革的重要方式，引導團隊教師主動開展課程體系、教學方法、教師能力和管理制度等方面的綜合改革。同時，這也增進師生的交流與互動，促進教師的教和學生的學，實現教與學的和諧統一。

2 教學創新效果及成果

2.1 課程教學反饋

如圖6 所示，經過理論課程、實驗課程的學習和實操訓練，學生表示如此設置課程學習內容和考核方式，使學習從被動接受與執行，變成主動參與，通過人人參與的形式，學生更愿意通過自己動手鉆研搞清楚原理與結構，進而提升學生的積極性、主動性、獨立性、參與感、獲得感與成就感。主講教師課堂教學效果也得到學生的高度評價，本院排名前3.7%。對2019 屆學生234 人進行調查問卷，收集有效問卷181 份。調查問卷顯示，有85.08%的學生認為“雨課堂”混合式教學對食品工程原理的學習有幫助，雨課堂的混合教學得到學生的認可；有97.24%的學生認為示意圖的使用在復雜概念的學習和習題的解析過程中有幫助；學生在思政方面也收獲很大。近3 年課后學生思維導圖的提交率，由最初的5%提升到20%。

圖6 學生對“食品工程原理”課程的教學反饋Fig.6 Student feedback on teaching of "Principles of Food Engineering"

2.2 “知識＋能力”目標能力顯著提升

學生在全國食品工程類大賽上取得優異成績，凸顯“食品工程原理”創新教學新范式建設的成效。教學團隊指導的參賽隊在第一、二屆全國大學生食品工程虛擬仿真大賽（全國總決賽）上獲特等獎（總分第1 名）。指導的參賽隊獲第三、四屆全國食品專業工程實踐訓練綜合能力競賽（全國總決賽）特等獎（總分第1 名）。

3 結束語

食品工程原理是食品類高校的必修核心專業課，影響面廣，教學團隊在2019 和2021 年教育部高等學校食品科學與工程類專業教學指導委員會會議上2 次介紹“食品工程原理”課程創新教學改革措施和建設成效，受到與會人員一致肯定。課程資源庫和范式曾被多所院校采用。該課程教學新范式取得顯著效果，為其他高校相關課程建設的改革與發展提供了范例，對食品工程類相關課程的建設具有引領和示范作用。