“新工科”背景下食品工程原理課程的教學研究與實踐*

黃 怡，彭 鋼，李 雪，胡鵬麗，杜傳來

(安徽科技學院 食品工程學院，安徽 鳳陽 233100)

2017年2月，教育部提出推進新工科建設，先后形成了“復旦共識” “天大行動”和“北京指南”[1-2]。推動新工科建設，必須全面推進建設新模式、新結構、新理念的工程教育，以“新工科”的整體面貌迎接多重戰略機遇與挑戰交織并存的新形勢、新任務，加強對工科專業學生培養質量的把控，培養工程實踐能力強，具有創新和實干精神的工科人才，為國家經濟轉型和社會發展提供強有力的人才保障和智力支撐[3-4]。

食品工程原理是面向食品科學與工程專業的一門專業基礎課程，使學生掌握食品工程各單元操作的基本理論、基本知識和典型設備的構造、工作原理和設計計算，培養學生的工程素質，具備重點設備工藝設計的能力，具有綜合性、實踐性等特點。是需要學生具備一定的高等數學和物理化學知識。通過本課程的學習，學生要能識別、表達、分析和解決食品生產中的實際工程問題。但是，課程難度較高，學生對于課程中大量的重難點難以掌握；公式的推導及運用的難度較大，難以將理論知識跟實際工程問題進行對應。結合食品工程原理課程的教學經驗和學生的學習情況，在理論和實踐教學環節對該課程的教學方法進行研究與實踐。以學生為中心，激發學生的工程實踐能力，有利于學生更好的適應人才市場的需求。

1 課程教學中的問題及探討

食品工程原理課程知識體系復雜，設備工作原理抽象，學生需要具備一定的數學基礎和空間想象能力，以及食品工藝加工知識，對學生的知識儲備要求較高。結合工程教學認證標準，對以往授課經驗進行分析，發現授課過程中學生主體地位不突出，工程實踐能力有待提升。

1)學生工程底子薄弱

結合安徽科技學院食品科學與工程專業人才培養方案，食品工程原理課程開設于第四學期，學生對各類食品的加工工藝流程了解不夠。食品機械與設備課程開設于第六學期，學生對食品中常用機械設備缺少直觀印象，只能從理論角度了解工作原理，無法想象設備的內部結構，不利于學生對工程計算的理解；學生掌握食品工程原理課程的知識點難度較大[5]。

2)缺乏對理論與實踐相結合的理解

食品加工中的單元操作遵循“三傳”理論，單一單元操作往往不止遵循一種單一傳遞現象，前后知識點的銜接對學生的學習至關重要。學生對各章節理論的學習比較單一，不能將各章節的知識點進行串聯。而且食品加工過程往往有多個單元操作參與，需要理解生產設備與前后生產步驟關聯設備的銜接性。因此，學生缺乏運用所學知識分析和解決工程實際問題的能力，無法在不同的工藝場景下靈活運用所學知識。

3)學生課前預習時間短

借助學習通、雨課堂等線上教學平臺，提前發布教學內容，發現學生課前閱讀量較少，沒有提前預習課本知識的習慣。上課過程中“填鴨式”教學只能使學生被動的學習，無法發揮學生的主觀能動性。學生對于較為晦澀難懂的公式推導只能一知半解，無法較好的吸收課上講授的知識點。

2 課程教學的研究與實踐

結合新工科理念，我們對食品工程原理課程進行教學研究與實踐：注重教學過程中學生的主體地位，從課堂教學環節、實踐教學環節、過程性考核、考核評價體系等方面進行探索，旨在提高食品工程原理課程的教學水平，培養學生的工程實踐能力，為食品科學與工程專業培養更多的應用型人才。

2.1 課堂互動式教學

食品工程原理課程的實踐性和工程應用型較強，授課內容中有大量食品加工設備的選型和計算，在理論講述過程中很難在學生的腦海中形成動態生產環節。因此可以借助教學視頻、生產環節演示等多媒體手段，或者通過教學模型展示等引導學生學習。在學習過程中引導學生思考所學加工設備可以用于哪些食品的加工生產，將所學理論跟實際應用聯系起來。例如，過濾分為濾餅過濾和深層過濾。食品加工中大多使用濾餅過濾，用于去除懸浮液中的大顆粒物質；而深層過濾多用于凈水器的濾芯，用于去除生產用水中的小顆粒物質。在互動教學過程中引導學生主動思考，可以培養學生的探索精神和實踐能力。

在授課過程中要注意學生的主體地位，采用課堂討論的方式引導學生思考，將學生分成討論小組，鼓勵學生發散思維，培養學生的批判性思維[6]。例如，在流體運輸時對離心泵的選用及安裝高度的確定，學生要理解離心泵具有最大安裝高度的限制。因此進行設備選型時，要充分考慮應用的限制性和實際性，所選的離心泵能否在固定工程條件下完成流體的運輸，引導學生用批判性的思維來解決工程實際中的問題。

2.2 課后作業

食品工程原理課程是以培養學生的工程實踐能力為根本，通過課堂上有限的工程實際計算案例分析，學生很難掌握單元操作的知識點。學習通、雨課堂等網絡在線教育平臺的普及，讓學生不受時間地點的約束，享受更多樣化的教學資源，同時也給學生提供了新式的作業模式[7]。授課教師根據授課進度，結合學習通等平臺，進行課上發布討論、課后發布作業等多種形式的考核。小組討論有助于學生在學習知識點的時候舉一反三，將所學知識靈活運用，培養團隊協作能力和工程實踐能力；課后作業有助于學生鞏固所學知識點，將推導所得的公式運用于工程實際案例的分析中。

2.3 過程性考核--章節測驗

“學生中心、成果導向、持續改進”教學理念要求教師授課過程中要注重多元化教學，建立以過程性考核為主的課程學習考核評價制度。教學目標的實現，不能只根據一次期末考試成績進行判斷，需要根據每個階段教學內容和學生在教學全階段的表現來確定[8]。過程性考核形式多樣化，如考勤、討論、作業、測驗、翻轉課楊、小論文等，授課教師可結合課程類型、課程性質靈活選擇具體的考核形式[9]。

章節測驗是對已完成部分知識點的驗收和鞏固。食品工程原理中各單元操作均遵循“三傳”理論，課程知識具有一定的銜接性，章節與章節之間有較強的關聯。通過對已完成知識點的測驗，加深對已學知識點的理解，以及增強對后續章節相同知識點的靈活運用。例如，流體流動章節知識點涉及動量傳遞理論，傳熱章節知識點涉及動量傳遞和熱量傳遞理論。流體流動章節作為先修知識點，便于學生理解傳熱章節中冷熱流體之間的相互流動關系，降低學生新知識的掌握難度。

2.4 虛擬仿真實驗教學

虛擬仿真實驗教學，使學生借助人機交互界面操作實驗，導入不同實驗設計參數，通過數據分析、繪圖等手段完成實驗。虛擬仿真教學，可以有效解決線下傳統教學中學生的參觀式學習。食品工程原理中的單元操作，涉及到多種機械設備，線下教學時無法做到每位學生的全覆蓋操作[10]。通過虛擬仿真教學平臺，每位學生可以深刻體會課本上的理論知識在實際中的運用，提高學生的自主學習能力。例如，管路中流體流動阻力測定實驗，通過該實驗學習，學生可以學會倒U型管壓差計的使用方法，沿程阻力和局部阻力的實驗分析方法，以及摩擦系數λ與雷諾數Re的關聯圖。

相比于線下實驗教學，虛擬仿真實驗教學給學生提供了更多試錯的機會。單元操作涉及步驟繁雜，操作時間較長，一個步驟的失誤會導致實驗結果不符。實驗課程時間有限，線下實驗出現錯誤難以重新完成實驗。虛擬仿真實驗教學中有些實驗編寫時，操作時間會加速，以便快速模擬實驗進程，操作出現失誤時可以退出軟件，重新開始。學生出現操作的步驟可能各不相同，相互之間探討，發現自己操作過程出現的問題，增強學生發現問題和自主解決問題的能力。同時，虛擬仿真實驗教學平臺設置有試卷運行界面，對學生的實驗操作、數據處理及實驗分析等環節進行評分。作為授課教師，可以通過教師端監測學生實驗進程，在學生發現問題時積極引導，加深學生對實驗原理的理解。虛擬仿真實驗教學還可以讓學生課后在線上教學平臺上多次重復進行實驗，在課堂有限時間內無法理解的理論問題，利用課余時間進行討論交流，培養學生自主解決問題的能力[11]。

但虛擬仿真教學具有一定的局限性，通過實驗設備的觀察與實際動手操作，有一定的區別，各操作步驟記憶不深刻，可以在虛擬仿真教學實踐的后期設計線下實操課程加以解決[12]。通過實驗設備及教學模型展示，使學生將虛擬仿真實踐學習到的理論知識，跟食品加工機械設備一一對應，加深對食品生產加工過程的認知，增強學生的工程實踐能力。

2.5 建立合理的成績評價體系

學生課程的成績評價體系是課程教學改革的重要組成，成績評價體系需要體現學生的工程實踐能力，還需要符合成果導向。食品工程原理成績由平時成績(60%)和期末成績(40%)組成。其中，平時成績由課堂表現(10%)、實驗報告(10%)、章節測驗(40%)組成，如表1所示。

表1 課程成績評價體系

2.6 食品工程原理課程實習

食品工程原理課程是一門實踐性非常強的學科，理論課和實驗課有利于學生掌握工程計算知識，但對于將所學知識運用于解決實際問題的能力還是較為薄弱。在食品工程原理課程開設的第三學期，增設食品工程原理課程實習，學生利用所學理論知識，結合實際工程問題，查閱大量文獻，設定工藝方案，選擇合適工藝設備，以小組形式完成流體輸送、換熱器、精餾塔等食品加工設備的設計說明書，有利于提高學生的工程實踐和團隊合作能力。將食品工程原理理論課、實驗課和課程實習有機融合，學生將理論賦予實踐，在團隊討論的過程中加深對理論的理解，學會識別食品加工中的工程實際問題，有利于學生步入社會，為食品行業輸送具有工程能力的人才。

3 總結

食品產業的快速多樣化發展，對食品科學與工程專業人才培養提出了巨大的挑戰，對授課教師的食品工程原理課程改革提出了更高的要求，因此需要結合人才培養要求，持續性改進教學方式和考核制度，以便培養食品科學與工程專業學生的工程實踐能力，為社會培養具有創新能力、團隊意識的高素質工程能力人才。