新工科背景下食品工程原理課程教學改革與實踐

摘 要： 食品工程原理課程作為食品相關本科專業的核心課程，在新工科背景下需要不斷探索教學改革思路和積累實踐經驗。通過分析食品工程原理課程教學中存在的學習趣味性和目標性差、思政融合度低、課堂互動少及信息化程度不高等問題，提出重構基于BOPPPS 教學模式和案例教學法的課程內容、建設基于深度融合理念的課程思政案例庫、設計基于碎片化學習策略的線上教學課件的課程教學新模式。實踐證明，教學改革取得了良好的效果，可為工程類課程提供可復制的教學改革思路和實踐經驗。

關鍵詞：BOPPPS；課程重構；案例式教學；課程思政；碎片化線上教學

中圖分類號：S2；G642 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1795（2024）11-0135-06

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.202411321

0 引言

2017 年2 月以來，教育部積極推進新工科建設，先后形成了“復旦共識”“天大行動”和“北京指南”，并發布了《關于開展新工科研究與實踐的通知》《關于推薦新工科研究與實踐項目的通知》，全力探索形成領跑全球工程教育的中國模式、中國經驗，助力高等教育強國建設。2018 年，教育部印發《教育信息化2.0 行動計劃》提出，實施信息技術與教育深度融合示范培育推廣計劃。2019 年，中共中央、國務院印發《中國教育現代化2035》提出，加強高等學校思想政治教育、加快信息化時代教育變革的要求。2020 年，教育部印發《高等學校課程思政建設指導綱要》提出，建立科學設計課程思政教學體系的指導性意見。2021 年，教育部印發《普通高等學校本科教育教學審核評估實施方案（2021—2025 年）》提出，堅持推進學生中心、產出導向理念的本科教育教學改革。總之，工科基礎課程的教育信息化、課程思政、以學生發展為中心和學習產出導向是新工科背景下我國高等工程教育改革的重要方向[1]。

食品工業是實施鄉村振興和可持續發展戰略的重要依托，隨著綠色生產和智能制造的融入正發生新一輪的產業升級，這對食品技術人才解決復雜工程問題的能力提出了更高要求[2]。食品工程原理課程是我國本科高校食品相關專業的核心基礎課程，培養學生運用動量、熱量、質量傳遞基本理論解決食品加工單元操作工程問題的思維和能力，在自然科學基礎課與工程學科專業課之間起著承前啟后、由理及工的橋梁作用。新工科背景下食品工程原理課程教學改革，對于培養一流食品工程人才具有重要的支撐作用[3]。本研究針對食品工程原理課程教學存在問題，采取了一系列教學改革措施，取得了良好的實踐效果，可為工程學科專業課提供可復制的教學改革思路和實踐經驗。

1 存在問題

1.1 課程內容理論和計算多，學習趣味性差

食品工程原理課程作為一門由理及工、由基礎到應用的過渡課程，涉及內容范圍廣，包括抽象的動量、熱量和質量傳遞原理，復雜的數學推導過程，基礎的工程思維與計算，以及大量設備原理與選型。因此，課程內容對于尚未接觸過工程學科專業課的學生而言，學習難度高、知識枯燥乏味、需走出舒適區，學習效果不甚理想[4]。

1.2 課程內容與工業實際場景脫節，學習目標性差

食品工程原理課程計算屬于流動、傳熱或傳質等基礎原理的工程運用，與食品工業實際應用場景缺少直觀的關聯。因此，課程內容對于缺少工程實踐經驗的學生而言，學習目標不明確、內驅力不足，容易造成學習積極性和參與度不高的問題，達不到培養應用型人才的目的[5]。

1.3 課程內容與思政元素融合不夠

食品工程原理課程涉及的知識點為基礎原理和計算，與國家戰略發展方向和中華優秀傳統文化等常見思政點的關聯不夠直觀，缺少顯性思政教育元素。因此，教學實踐中容易出現機械疊加思政課內容的情形，導致思想教育效果不理想，削弱課程的思政教育作用[6]。

1.4 授課節奏過快且教學方法單調，課堂互動性差

食品工程原理課程存在知識點多、計算難度大和課堂學時少的矛盾，課堂講授節奏往往較快，未免造成單向知識灌輸和互動效果不理想的問題，難以調動學生的主動性和積極性，同時也不能準確把握學生的學習效果，會導致學生對課堂滿意度低、教師授課成就感不高[7]。

1.5 在線課程資源和教學工具利用少，信息化程度低

食品工程原理課程在線課程資源往往以授課課件、授課視頻和課外圖文資料為主，然而，這些在線課程資源需要占用長時間的注意力，不符合信息化時代大學生碎片化學習的現狀，導致在線課程資源利用率低。此外，食品工程原理課程課堂測驗通常涉及大量計算，客觀上限制了在線教學互動工具的使用，不利于課堂信息化[8]。

2 改革措施

針對食品工程原理課程教學中存在問題，結合新工科背景下高等工程教育改革方向，從教學內容、教學方法、課程思政和信息手段4 方面開展教學改革，重構基于BOPPPS 教學模式和案例教學法的課程內容、建設基于深度融合理念的課程思政案例庫、設計基于碎片化學習策略的線上教學課件的課程教學新模式。

2.1 基于BOPPPS 教學模式和案例教學法的課程教學重構

考慮到食品工程原理課程內容理論和計算多、學習趣味性差和注意力強度要求高的特點，結合BOPPPS教學模式和案例教學法進行課程內容重構和教學設計。根據心理學研究結果，學習個體注意力一般只能持續10～15 min。BOPPPS 教學模式將課堂教學分解成6 個相對獨立又互相承接的環節，即課堂導入（bridge-in）、目標建立（objective）、課前摸底（pre-assessment）、互動學習（participatory learning）、課后測驗（postassessment）和課堂小結（summary），每個環節維持在10～15 min，通過模塊化分解課堂時間來吸引學生注意力，形成有效學習、互動學習和深度學習[9]。案例教學法是一種引導學生圍繞生產或生活中實際案例進行分析、研究和討論的互動式、啟發式教學方法，既可避免傳統的被動式灌輸，也可以培養學生發現問題和解決問題的能力[10]。本研究根據BOPPPS 教學模式和案例教學法的內涵進行了課程內容重構和教學設計。

2.1.1 課堂導入

本環節的目的是盡快將學生注意力吸引至課堂教學活動中，包括復習和啟發兩個小環節。通過課堂提問的方式來復習上一節課或上一章節的重要知識點，既可快速讓學生注意力回歸課堂，也可為本節課內容做好知識鋪墊，還有助于學生鞏固上節課學習內容。通過生活現象或工程實際案例分析的方式來啟發式引入本節課學習內容，既可以起到激發學習興趣的作用，也可以為后續理論和計算內容的學習提供直觀的生活經驗或應用場景。

以流體力學基礎章節為例，描述課堂導入環節案例教學實施細節。本章內容可以分為4 次講授：①通過課前短視頻中牛奶管路輸送需要配備泵，引入流體流動需要消耗機械能，進而導入本章學習主題 “流體流動為什么消耗能量”；②引導學生進行人體血液流動的流體動力學分析，討論高血脂引起高血壓的原因，進而導入本章學習主題“流體流動需要消耗多少能量”；③引導學生運用所學達西?范寧公式，分析人體血液流動壓降主要發生在外周區域的原因，進而導入本章學習主題“流體流動的能量需求如何測算”；④引導學生分析古代水渠給水系統、輪式提水機械筒車和阿基米德式螺旋抽水機涉及的動力和機械條件，進而導入本章學習主題“ 流體輸送設備原理與選裝”。

2.1.2 目標建立

本環節的目的在于使學生了解本課程的學習目標和重難點內容，主要包括思維導圖式和條目式兩種展現形式。運用3W 黃金圈法則（Why-How-What）凝練每一章節和每一節課學習內容的內在邏輯，并以思維導圖或者條目的形式來簡要展示每個章節和每節課的學習目標和重難點，有助于學生快速建立目標，產生學習內驅力，從而提高學生的主動性和參與度。

以流體力學基礎章節和傳熱章節為例，描述目標建立環節思維導圖和條目的運用。①采用思維導圖的形式，展示流體輸送機械的學習目標和重難點，如圖1所示；②采用條目的形式，展示傳熱的學習目標和重點，如圖2 所示。

2.1.3 課前摸底

本環節的目的是了解學生先前知識與經驗，從而調整課程內容深度與進度，一般采用問答題或填空題的形式，借助于在線教學工具（微助教和ClassIn）來實現。問答題可以要求學生以專業術語或關鍵詞的形式回答，闡述個人對所提問題的觀感，或者針對所提主題開展頭腦風暴，回答結果以詞云的形式展現。填空題可以通過題干提示學生回憶以前所學內容或課前視頻知識點，回答結果的正確率和錯漏之處可以實時地被教師掌握。課前摸底活動可以展現出學生知識積累、個人經驗和興趣所在，使教師準確識別學生需求，從而調整課程的起點和節奏，以適應不同知識基礎和學習經歷的學生群體，達到因材施教的目的。

以緒論章節為例，描述課前摸底環節問答題的運用：引導學生利用在線教學工具，回答你最熟悉的工業化食品是什么？結果以詞云的形式展現，如圖3 所示。并進一步引導學生根據你列舉的工業化食品、分享你對食品工業的理解進行課堂討論，從而引出食品工業、食品工程和食品工程原理課程的內涵。

2.1.4 互動學習

本環節目的在于通過師生或生生的互動來實現參與式學習，可以引導學生圍繞課堂內容的生活或工程應用，完成主題討論、案例分析、課堂計算等簡短的任務，展示個人或團隊成果，并評估彼此的工作，以此來強化學生對課堂內容的掌握，培養學生的獨立思考能力和協同合作意識。

以溶液濃縮和傳熱章節為例，描述互動學習環節主題討論、案例分析和課堂計算的運用。①講解各類蒸發器的結構形式和特點之后，讓同學們圍繞“果汁和牛奶濃縮應選用哪種蒸發器”“果醬、果漿和糖漿濃縮應選用哪種蒸發器”兩個主題進行討論，根據討論情況強調蒸發器選型要點，加深學生對蒸發器結構形式和特點的理解。②在對流傳熱章節，引導學生用所學知識分析3 個小問題，即“夏季和冬季溫室大棚的外表面換熱系數是否一樣”“暖氣片的片型或高矮對對流傳熱系數有無影響”及“光滑管與粗糙管換熱效果哪個更好”，加深學生對無相變對流傳熱過程和影響因素的理解。③講解多層圓筒壁熱傳導的計算后，引導學生運用所學公式解決生活中的一個小問題，即“氣溫下降時，保暖性好的衣服穿在里面好，還是穿在外面好”，加深學生對多層圓筒壁熱傳導計算和特點的理解。

2.1.5 課后測驗

本環節的目的是及時檢驗學生對課堂內容的掌握情況，評估課堂教學是否達成預設目標。測驗形式可以為填空題、選擇題或判斷題等客觀題，借助于在線教學工具進行答案收集和實時批改。教師根據答題錯誤率了解學生對哪些知識點掌握不好，以便于在課堂上及時查漏補缺。值得一提的是，微助教和ClassIn 等在線教學工具的隨堂測試功能，能夠極大地方便教師統計和分析測驗結果，可大幅節約課堂時間。

2.1.6 課堂小結

本環節的目的在于整合回顧課堂所學知識，進一步鞏固學習目標。教師可以通過條目的形式總結重要知識點，或者采用思維導圖來回顧所學內容的內在邏輯，幫助學生形成長期記憶，但這種灌輸式總結不一定能夠吸引學生注意力，可能會達不到預期的效果?；邮娇偨Y是一種引導學生自主回憶和總結的課堂小結方式，可以要求學生分條列出重要知識點或繪制所學內容的思維導圖，借助于在線教學工具收集和點評，這種經過回憶復述和思考加工的知識更容易形成長期記憶。

2.2 基于深度融合理念的課程思政案例庫建設

食品工程原理課程一般開設在大學二年級上學期，學生經過大學一年級導論課的學習，對于食品相關專業有了初步認識，但也存在工程知識基礎薄弱的問題，因此，本課程起到承上（導論課）啟下（工程類專業課課）的關鍵作用，可以進行食品工程倫理和愛國奉獻價值觀方向的引領[11-13]。遵循“鹽溶于水”的課程思政教學設計理念，緊密結合教學內容，構建完善的課程思政知識體系，進行科學合理的教學設計，并在課堂實踐中進行應用和持續改進。

本課程的思政案例庫建設工作可以分4 個階段來進行。①基于食品工程原理課程知識體系，深挖知識點背后的思政元素，搜集相關文字、圖片和音像素材；②根據家國情懷、科學精神和三觀教育等對課程思政知識點進行分類，梳理出食品工程原理課程思政知識體系；③結合知識點特征，針對性設計課程思政教學環節，制作教案和幻燈片；④在課堂教學中，進行課程思政教學實踐，收集學生和專家對教學效果的反饋，根據意見進一步修改完善課程思政案例庫的素材和教學設計。

思政知識往往有一定的時代背景，在短暫的課堂教學活動中通常難以講透，故可以利用在線教學工具進行思政資料的課前導入，使學生提前通過短視頻了解思政知識點的時代背景，提升課程思政教學效果。課堂教學可以采用故事講述和案例分析的方式，自然流暢地將家國情懷和科學精神等思政元素融入相關知識點，從而使思政教育與工程教育形成協同效應。本課程的思政元素挖掘可以圍繞4 個方面來開展。

（1）講好功勛科學家人物故事，激發科技報國的家國情懷和使命擔當。結合知識點的時代背景，將我國功勛科學家故事融入課堂教育。具體實施案例：①在流體力學教學中，結合普朗特數和卡門實驗等知識點，講述普朗特、卡門、錢學森和陸士嘉等中外流體力學人物的脈絡故事；②在傳熱教學中，結合沸騰傳熱系數和對流傳熱強化知識點，講述林氏公式——林宗虎院士和高效低阻氣體強化傳熱——陶文銓院士的故事；③在傳質教學中，結合精餾知識點，講述一棵癡迷精餾的大樹——余國琮院士的故事。

（2）有機融入國家重大工程案例，注入精益求精的大國工匠精神。將知識點與我國重大國家工程案例相結合，實現思政教育和工程教育的兼顧。具體實施案例：①在流體輸送設備教學中，結合軸流泵知識點，引入南水北調工程自行研發燈泡貫流泵實現運行能效大幅提升的案例，并運用所學流體動力學知識分析其中原理；②在傳熱教學中，結合熱量傳遞原理知識點，引入青藏鐵路路基保護工程自行開發的幾種凍土保護措施的案例，運用所學傳熱知識分析其中原理；③在制冷教學中，結合超低溫制冷原理知識點，講述突破超低溫制冷卡脖子技術的科技故事，并運用所學制冷知識分析關鍵技術。

（3）挖掘中國古代的發明創造案例，建立堅定的文化自信和歷史自信。將知識點與我國古代發明創造案例相結合，可以有效提升學生的文化和歷史認同感。具體實施案例：①在制冷教學的課堂導入環節，講述周代的窖冰、戰國時期的冰鑒和唐末的硝石制冰，以及冰淇淋從我國發源傳入歐洲的歷程，引入本課程學習主題制冷與食品冷凍的原理；②在顆粒與流體之間相對流動教學的課堂導入環節，講述古代飲用水凈化“黑科技”，即沉淀凈化（如仰韶小口尖底瓶、永嘉溪口明代凈水池、明礬沉淀）和過濾凈化（如漉水囊、綠油囊、江南竹炭井），引入本課程學習主題非均相混合物分離原理與計算；③在吸收與蒸餾教學的課堂導入環節，引導學生分析傳統白酒甑鍋蒸餾的傳質學原理，引入本課程學習主題蒸餾與精餾基本原理。

（4）回顧我國產業發展的成就與教訓，提升民族自信與“四個認同”。將知識點與我國食品產業發展的成就與教訓相結合，可以有效提升學生的民族自信與“四個認同”（即政治認同、思想認同、理論認同、情感認同）。具體實施案例：①在緒論教學中，講述食品工業發展取得的歷史性成就，引導學生從歷史唯物主義的大視角，分析我國食品工業的發展狀況與未來趨勢，建立專業認同感和“四個認同”；②在溶液濃縮教學中，結合食品濃縮目的知識點，講解濃縮蘋果汁產業發展歷史過程及取得的成就，引導學生樹立專業自信和“四個認同”；③在吸收與蒸餾教學中，結合氣體吸收知識點，講述碳酸飲料產業的發展歷程、歷史教訓和未來趨勢，引導學生關注民族產業發展。

2.3 基于碎片化學習策略的線上教學設計

當代大學生身處知識和信息大爆炸的時代，學習和生活的節奏很快，時間碎片化現象變得越來越普遍，這就要求他們在校園生活中隨心、隨時、隨地，通過多種媒體對知識進行片段式地學習，從而增進知識和提高技能[14]。近年來觀察發現，長篇累牘和靜態不變的線上學習資源利用率不高，而短視頻和短文章的多平臺實時推送，更容易吸引學生的關注和學習。根據食品工程原理課程的學情特征，總結了兩條提升大學生碎片化學習質量的線上教學設計經驗。

（1）構建豐富的碎片化學習資源庫。線上教學資源的簡短化和濃縮化，有助于學習者靈活把握學習時間、充分利用碎片化時間，并保障了學習興趣和精力集中，從而可提高在線學習效率[15]。針對學生不了解食品工業生產實際場景、學習目標性不強的問題，可以準備一些介紹食品加工單元操作和生產過程的碎片化學習資源。如在流體流動教學中提供講解巴氏奶和奶粉生產工藝過程的課前短視頻，在食品干燥教學中提供講解香蕉果干和嬰兒配方奶粉加工過程的課前短視頻，在過濾教學中提供講解葡萄酒雙級膜過濾和自來水處理過程的課前短視頻，在吸收與蒸餾教學中提供講解汽水、醬香酒和威士忌生產工藝過程的課前短視頻。針對課程思政知識點時代背景性強的特點，可以準備一些介紹相關思政背景的短視頻，如在流體流動教學中，提供講解南水北調工程的短視頻，使學生提前了解我國科技人員研發燈泡式貫流泵這一思政知識點的時代背景；在傳熱教學中，提供講解青藏鐵路的短視頻，使學生提前了解我國工程人員自行開發凍土保護措施這一思政知識點的時代背景；在制冷與食品冷凍教學中，提供講解我國突破超低溫制冷技術的短視頻，使學生提前了解我國科技人員突破超低溫制冷卡脖子技術這一思政知識點的時代背景。

（2）制定和管理碎片化學習計劃。傳統線上教學需要學生自主進入網絡平臺開展學習，雖然學生有預期的計劃和學習目標，但難免出現拖延和懶散的現象，導致在線學習的達成度不高。教師在備課過程中，向學生實時推送課前短視頻，學生收到提醒后在碎片化時間完成學習，從而可以形成一種有效的在線師生互動。教師借助于在線教學工具觀察學習任務完成率，并在平時成績部分體現一定的獎勵和懲罰，督促學生保持碎片化學習的意愿。教師在課堂導入、課前摸底、互動學習和課程思政環節，通過客觀題課堂測驗的方式來檢驗線上教學效果，或者通過主題討論的方式提供學生主動分享和交流的機會，進而增強學生碎片化學習的成就感。教師通過課堂講解進一步將碎片化知識系統化，從而完成閉環的碎片化學習管理過程。

3 教學改革效果

食品工程原理課程自實施教學改革2 個學期以來，在學校組織的學習體驗調查問卷活動中，學生滿意度得到了明顯改善，總體滿意度從90% 左右提升至97%。學生認為教師能夠結合具體的食品生產，利用具體的案例及視頻來引導深入地理解，課程講解清晰且邏輯性強；課堂互動很飽滿；教師講課十分有趣，通俗易懂；教師講課條理清晰，能結合實際問題講授知識，提供的課外視頻對于理解有較大的幫助；課前的預習內容很有意思；上課中全面知識的拓展，如實際產品中各種運用，結合古今中外的產品背景；課程生動，課上例題講解到位，學習掌握順利。學生踴躍參加全國大學生食品工程虛擬仿真大賽，并且屢獲佳績。課堂教學也得到了校內同行和督導的一致好評，以良好成績通過了學校組織的教學質量評估。本課程的教學改革獲得了2 項學校本科教學研究項目的資助，目前項目均已順利完成結題，取得的教研成果獲得了首屆海洋特色的食品科學與工程專業虛擬教研室課程思政案例大賽二等獎。

4 結束語

在新工科建設背景下，食品工程原理課程的教學改革需要不斷探索和實踐，才能與時俱進地培養有理想、有本領、有擔當的新一代一流食品工程人才。通過對食品工程原理課程教學現狀的分析，找到了存在問題，并針對性提出重構基于BOPPPS 教學模式和案例教學法的課程內容、建設基于深度融合理念的課程思政案例庫、設計基于碎片化學習策略的線上教學課件的課程教學新模式，為工程類課程從教學內容、教學方法、課程思政和信息手段等方面開展教學改革提供了可復制的思路和實踐經驗。未來還需要進一步挖掘學生喜聞樂見的教學模式和案例，真正做到春風化細雨的工程教育和潤物細無聲的思政教育，這需要教師進一步貼近食品工業發展的客觀實際重構教學內容，根據新一代大學生的精神需求潛移默化地樹立“四個自信”。

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