新工科背景下《釀酒工廠綜合設計》教學改革及應用

鈕成拓，鄭飛云，劉春鳳，王金晶，許鑫，李崎

(江南大學 生物工程學院 工業生物技術教育部重點實驗室，江蘇 無錫，214122)

釀酒是我國的傳統產業，酒類產品包括以啤酒、葡萄酒為代表的發酵酒和以白酒、威士忌為代表的蒸餾酒。酒類產品深受我國消費者喜愛，與人民的美好生活息息相關[1]。近年來，我國釀酒行業發展迅速，除傳統四大酒種外，威士忌、果酒等酒類產品也逐步被消費者接受，成為市場的寵兒。我國是世界上最大的酒類產品生產國和消費市場，且釀酒行業發展方向已從重數量轉向重質量[2-3]。隨著近年來釀酒行業的飛速發展以及行業科技力量的顯著提升，具備較強工程能力及科學素養的人才成為制約酒類生產企業發展的關鍵因素[4-5]。

釀酒工程專業是江南大學生物工程學院辦學歷史最長、特色鮮明且馳名國內外的本科專業，被譽為“釀酒工程師的搖籃”和“釀酒行業的黃埔軍校”，已為國內外釀酒企業培養輸送了大量領軍人才和專業技術骨干。在釀酒工程專業培養方案中，《釀酒工廠綜合設計》屬于釀酒工程專業本科生集中性實踐的課程，是酒類工藝學、化工原理等理論課程的實際應用環節，是工程理論知識的拓展和工程實踐能力培養的一個重要的訓練階段。在新工科背景下，成果導向教育(outcomes-based education,OBE)理念被廣泛應用于課程教學，被各大高校廣泛接受[6-7]。作為一門實踐性較強的典型工科課程，對《釀酒工廠綜合設計》課程教學內容和方式進行改革，可以進一步提升本門課程的教學效果，最終加強學生對課程相關能力的掌握程度。

1 《釀酒工廠綜合設計》教學特點及改革必要性

新工科建設是教育部在我國加入國際工程聯盟《華盛頓協議》后啟動的新時代中國高等工程教育，旨在提高我國工科教育教學質量[8]。依托“學生中心、產出導向、持續改進”理念，在國家重點實施“一帶一路”、“中國制造2025”等重大戰略背景下，樹立創新型工程教育理念，著力提升本科生解決復雜工程問題的能力，強化教學過程中工程倫理意識與職業道德的深入，對培養具有造福人類和可持續發展理念的工程科技人才提出了更高的要求，因此加快工科課程的改革創新迫在眉睫[9]。

《釀酒工廠綜合設計》課程旨在加強學生對釀酒工程理論知識的理解，培養學生理論聯系和指導實踐的意識及能力，掌握工廠設計的流程與規范，建立工廠設計布置中的全局觀，了解釀酒工廠設計的特殊要求，結合后續生產實習、釀酒工藝綜合實驗等課程，完成對釀酒工程專業全面的綜合性訓練[10]。在《釀酒工廠綜合設計》課程實際教學過程中，授課教師發現以下問題嚴重影響了實際教學效果和學生對課程相關知識和能力的掌握：(1)《釀酒工廠綜合設計》課程與理論或實驗課程教學方式及內容有較大差異，本科生在接觸該課程教學時容易出現邏輯思路混亂、理論與實際情況不匹配等情況，說明同學對于釀酒工廠實際情況缺乏了解；(2)本科生在課程教學期間欠缺資料搜索與收集的能力，對于釀酒行業設備現狀及成本控制意識較為薄弱；(3)本科生的工程實踐思維較為欠缺，缺少對于專業圖紙和設計方法的直觀認識，欠缺對圖紙繪制規范性的深入認識。

基于上述原因，以教育部提出的新工科建設為導向，對近年來《釀酒工廠綜合設計》課程教學經驗進行整合和反思，借助江南大學生物工程學院引入工程認證為契機[11]，結合釀酒工程專業教學大綱和培養方案，在教學內容設置、教學方式和考核方式等方面進行了系統改革和優化，希望能夠提升學生對于釀酒工廠的熟悉程度，提高學生的工程實踐能力，使學生掌握將所學知識和技能應用于釀酒工廠實際的能力，不斷提升《釀酒工廠綜合設計》課程的理論和實際教學效果。

2 《釀酒工廠綜合設計》課程教學改革方式

在《釀酒工廠綜合設計》課程多年教學經驗基礎上，授課教師通過教學內容優化、教學方式改革以及考核方式細化等方式(如圖1所示)，建立了基于OBE理念的課程人才培養與目標達成度評價體系，考察了教學改革對該課程教學效果提升的影響。

2.1 課程教學內容優化

《釀酒工廠綜合設計》課程具有實踐性強的特點，需要學生對釀酒實際生產流程和生產環境具有一定主觀印象。盡管釀酒工程專業本科生在前期課程中系統學過啤酒、蒸餾酒、葡萄酒和黃酒等酒類工藝學，但是仍然缺乏實際釀酒工廠生產經驗。針對上述情況，授課教師近年來對國內外開設的工廠設計類課程進行調研，了解其教學內容和教學方法，并根據本課程自身特點吸取值得借鑒的經驗，融入本課程的教學過程。依托江南大學生物工程學院與釀酒行業典型企業良好的產學研合作關系，熟悉掌握釀酒行業實際需求和最新發展趨勢，并依據培養方案中該課程對釀酒工程專業本科生畢業能力的支撐情況，優化課程教學內容，系統梳理從設計任務書布置、工藝論證、工藝衡算、設備選型、圖紙繪制到說明書撰寫的課程完整流程；在此基礎上，通過教學內容實時更新、引入釀酒企業實際案例和輕工設計院專家講座，使《釀酒工廠綜合設計》課程教學內容更貼合實際，與生產實踐相匹配。

《釀酒工廠綜合設計》課程教學周期為4周，教學內容包括設計任務書布置、工藝流程的選擇與論證、工藝計算、設備選型與設計、設計說明書的撰寫與整理5個部分?；卺劸乒こ虒I同學前期學過的《釀酒工程裝備與工廠設計》理論課程，在課程起始階段教師會組織同學回顧釀酒工廠及設備設計相關知識并布置任務書，然后學生在4周時間內開展課程設計的工作：第1周要求學生完成釀酒工藝的選擇和論證；第2周完成物料衡算和熱量衡算的計算工作；第3周完成設備選型，并繪制工藝流程圖、工廠平面圖、車間平/立面圖等圖紙；第4周完成單體設備圖的繪制以及設計說明書的撰寫。在課程進行過程中，授課教師每周會組織課程討論，同時在整個教學周期內安排講座1～2次，每次1學時?！夺劸乒S綜合設計》是一門實踐性很強的綜合性課程，課程設計內容為釀酒生產企業依據生產工藝和生產要求進行工廠設計，與工廠實際情況非常貼切。因此，在近2年課程教學過程中，授課教師在原先課程教學內容基礎上，在課程課題授課中引入了精釀啤酒車間、威士忌生產企業設計等近年來國內外蓬勃發展的新型釀酒企業，使學生全方位了解釀酒相關企業設計要求和標準；與此同時，在日常課堂教學過程中引入釀酒生產企業實際案例，講解特定釀酒生產企業依據生產工藝和生產特點開展的物料/熱量衡算，著重講解企業設備選型以及企業平面布置的依據和方法，讓學生初步具備工程思維，從工藝、實際生產、成本等多方面理解釀酒企業工廠設計的內涵和標準。在此基礎上，邀請國內知名釀酒設備生產企業和輕工業設計院相關專家就釀酒設備以及釀酒工廠設計等相關方向給釀酒工程專業學生開設講座，讓學生進一步了解釀酒工廠設計過程中的注意事項和關鍵因素。在原先教學內容的基礎上，實時更新教學內容，引入工廠實際案例，并邀請設計院專家進行專題講座，可以引導釀酒工程專業本科生加強工程實踐思維，夯實學生的工程實踐能力，全方面加強工科學生的綜合實踐能力。

2.2 課程教學方法改革

《釀酒工廠綜合設計》課程主要包括教師課程講授、任務布置、資料查閱、答疑交流、工藝計算、圖紙繪制、說明書撰寫。由于學生缺乏實際工廠生產經驗，對于教師課堂授課知識存在一定的理解困難，主要體現在物料/熱量衡算存在計算錯誤、設備選型不合理、圖紙繪制不合規。為了提升教學質量，加深學生對工廠實際的直觀印象，授課內容中實際工廠設計案例以及國內著名設計院專家的講座可以使學生對工廠實際和工業設計有直觀的了解；然而，基于目前課程教學主要以教師講授和答疑輔導為主，存在學生被動輸入興趣不高、積極性不夠等問題。因此，在近2年教學過程中，授課教師在課題授課過程中主要采取了以下4個方法：(1)引入精釀啤酒、威士忌等生產企業的設計，上述產品更貼近學生生活，更容易引起學生興趣；(2)通過引入生產企業或輕工設計院專家講座，讓學生對工廠實際情況更為熟悉；(3)觀看工廠介紹、車間管路等視頻，向學生展示和講解實際工廠圖紙；(4)組織選修過該課程的高年級同學與同學們進行經驗交流，提升學生對課程的了解程度。上述4種方式并舉，極大提高了學生的學習積極性；與此同時，進一步將課程答疑輔導更改為分組的策略，由2位授課老師分別帶領若干個小組開展師生討論，圍繞一個釀酒工廠建設項目，系統完成工藝論證、計算、設備選型、圖紙繪制等設計工作，培養學生小組之間的團隊協作能力，加強教師與學生之間的溝通，有效提高學生的學習積極性，從而全面培養學生綜合運用工程知識的能力。針對部分學有余力的同學，設置具有吸引力和挑戰性的開放性課題，引導同學開放思想，用已經學會的工程知識進行相關工廠設計，提升學生對釀酒工廠設計的理解；在案例教學工作中，采用設計理念先進的實際釀酒工廠案例，邀請相關釀酒企業專家講述該工廠在設計過程的實際情況，尤其是工藝選擇和論證部分的前期調研和工作，同時邀請輕工設計院的專家對該釀酒工廠案例進行解讀，講述該實際案例在理論聯系實際過程中體現的設計理念、工廠設計過程和值得關注的設計亮點和細節。在此基礎上，若條件允許，將采用觀摩學習的方法，在教學過程中抽取1～2 d的時間帶領同學到釀酒行業典型企業，進入廠區和生產車間進行現場觀摩，深入了解工廠的平面布置情況、車間工藝、設備及其布置情況，有助于學生對工廠實際情況的了解，從而更好的完成釀酒工廠的設計。

由于設計任務書題目有限，3～4名同學會分配到相同的任務書。為了防止相互抄襲等“打醬油”現象的存在，每位同學均要求在課程結束時提交一份完整的設計說明書。盡管設計任務書相同，但是在不同的設計理念下工藝的選擇、計算和設備的選型及設計均會有很大差異。此舉基本可以避免同學之間相互抄襲的情況，從而避免“打醬油”的情況。

2.3 課程考核方式細化完善

教學課程考核不僅僅是考察學生對于相關知識點、學習要求和學習指標的掌握程度，同時也是考察學生對于課程目標完成度的認可程度[12-13]。授課教師在課程施教過程和結束之后，通過直接評價和間接評價2種方法共同評價學生的學習效果。在直接評價過程中，通過課程得分加權進行評價，以同學最終提交的設計說明書為主要評價依據，主要包括如下4個部分：根據布置內容，完成釀酒生產企業工藝流程設計與論證，并體現一定創新思維(10%)；利用所查閱資料和所學知識，優化工藝流程中的物料衡算和熱量衡算，工藝說明書撰寫規范，實現生產工藝與環境、經濟、社會協調可持續發展(20%)；根據所選工藝，通過分析、計算以及設計，完成單體設備的選型和設計，解決釀酒工業生產中的工程問題(30%)；利用現代化工具，掌握基本的繪圖能力，繪制圖紙完整規范，具備初步的獨立工程化設計能力(40%)。而在間接評價中，授課教師設計了問卷調查，通過問卷調查法對參與課程的同學進行調研，由學生自行評價完成設計任務書之后自身見識和能力上的提升，同時對授課教師提出后續課程教學的改進之處，為下一輪教學提供參考[14]。在針對學生進行得分評價時，不僅通過最終任務書中體現的物料/熱量衡算結果、設備選型結果及圖紙繪制情況進行分數評價，同時考察在授課、討論和交流過程中針對學生的成長情況，做到過程與結果并重。此外，設定本課程必須掌握的知識點和技能以及提高性指標點，在課程教學過程中(尤其是通過設置挑戰性內容)，考察學生的目標達成度[15]。最終，基于OBE理念，建立了《釀酒工業綜合設計》課程的目標達成度分析，根據該課程設置的4個課程目標和教學內容，考察學生學習成績對于課程目標的支撐程度。通過上述分析，將本次教學成效進行記錄，反思并進一步改進教學方法，形成“教學-反饋-改進”閉環，持續性提升教學方法，最終達到理想的教學效果。

3 《釀酒工廠綜合設計》課程教學效果

根據《釀酒工廠綜合設計》課程教學內容和教學方法改革，授課教師在2017級和2018級釀酒工程專業本科生中進行了2輪教學過程。根據課程大綱，該課程教學目標主要為以下4點：(1)學會將所學理論知識運用到工程設計實踐課程中去，強化所學專業知識的系統化，掌握釀酒工廠設計基本知識，并熟練運用到課程設計的實踐環節；(2)通過不同釀酒工藝路線對比和工藝認證，掌握對全廠的物料衡算和熱量衡算的計算方法，夯實工藝設計的正確方法；(3)深入了解典型釀酒設備的特點，培養學生釀酒設備的選型和非標設備的設計能力。通過團隊協作，提升學生對知識的綜合運用能力和應變能力，培養學生工廠設計思路的完整性和設計理念的合理性；(4)理解并系統掌握工廠設計所要表達的內容，了解工程設計圖紙的規范，清晰表達到設計成果(圖紙)上。掌握設備工作原理及其與工廠實際生產中的匹配，通過不同視圖表達設備的結構特征、性能及工作特點以及各種生物反應器的設計原理和輔助設備的造型計算，從而培養學生獨立工程化設計能力。在此基礎上，對2017級和2018級的釀酒工程專業學生個體和整體的的學習效果進行了基于OBE理念的目標達成度分析。由圖2可知，2017級和2018級釀酒工程專業學生對于4個課程目標的達成度均高于75%。2017級釀酒工程專業學生對于課程目標1、課程目標2、課程目標3和課程目標4的目標達標度分別為76%、79.2%、82.8%和83.2%。2018級釀酒工程專業學生對于4個課程目標的達成度均高于2017級學生，分別達到84.3%、83.8%、86%和84.4%。上述結果說明經過教學內容和教學方式改革，釀酒工程專業學生對于《釀酒工廠綜合設計》課程學習效果顯著提升，教學效果能夠滿足提出的課程目標要求。

圖2 釀酒工程專業2017級和2018級學生整體目標達成度Fig.2 Overall objective achievement scale of students from Grade 2017 and 2018 majoring in brewing engineering

圖3為2017級和2018級釀酒工程專業學生對于《釀酒工廠綜合設計》4個課程目標的個體目標達成度分析。從圖3可知，2017級學生對于課程目標1的達成度主要分布在80%左右，部分同學達到90%或低于70%，而2018級同學的課程目標1達成度均高于80%。2018級同學對于課程目標2、課程目標3和課程目標4的達成度均優于2017級同學。由此可見，經過課程教學內容和教學方法的改革，2018級同學對于課程相關內容的掌握程度均優于2017級同學，說明課程教學改革取得了良好的效果。

綜上，《釀酒工廠綜合設計》是釀酒工程專業的綜合性實踐環節，是培養釀酒工程專業學生工程實踐綜合能力的重要途徑。在教育部新工科建設的背景下，基于OBE理念，對該課程教學內容、教學方式和教學考核方式進行了改革，并應用于實際教學，取得了較好的應用效果，對于夯實學生的工程專業知識和能力具有重要意義，也為工程教育認證奠定了良好的基礎。

a-2017級學生；b-2018級學生圖3 釀酒工程專業2017級和2018級學生個體目標達成度分析Fig.3 Individual objective achievement scale of students from Grade 2017 and 2018 majoring in brewing engineering