面向新工科的粮食工程实验课程群建设与实践

吴晓娟，吴伟*，林亲录，周文化

中南林业科技大学食品科学与工程学院，稻谷及副产物深加工国家工程实验室（湖南 410004）

粮食安全始终是关系国计民生的重大问题，更是关系社会稳定、经济发展、国家自立的全局性重大战略问题。粮食工程专业的设立和建设，是粮食行业“一体化”创新发展的要求，更是“人才兴粮”战略顺利实施的基石[1-2]。2013年9月，中南林业科技大学食品科学与工程学院在建设食品科学与工程等专业的丰富经验下，依托稻谷及副产物深加工国家工程实验室的平台优势，开设了粮食工程专业，旨在培养从事粮食加工和粮油产品开发、粮食科学研究和质量检验、粮食深加工和质量管理等方面工作的复合型人才。近年来，通过修订人才培养方案、完善课程体系建设、加强硬件设施建设等举措，我校粮食工程专业在培养粮食工程复合型人才方面取得了明显成效。但是，随着工业4.0阶段的到来，“新工科”概念应运而生，以新技术、新业态、新产业、新模式为特点的新经济发展迫切需要更多工程实践能力强、创新创业能力强、具备跨界整合能力的高素质复合型人才[3]。我校粮食工程专业在构筑和建设新型高等工程教育体系方面还缺乏实践经验，同时，作为新设专业，在教学管理、教学理论研究、教育教学质量尤其是实践教学改革方面与本领域资深院校还存在较大差距。

“课程群建设”是近年来国内高校教学改革的重点和方向。课程群将多门相近课程的内容融合为一个整体，能够整合和优化配置教学资源，提高教学资源利用效率[4]。目前，国内已有多所高校开展了食品类专业理论课程群建设的研究与探索，例如：江苏大学食品科学与工程专业采用食品专业物理类课程群建设支撑工程人才培养[5]；郑州科技学院食品类专业开展食品工艺课程群建设探索[6]。但这些食品类专业课程群建设的重点偏重于理论部分，对实践部分的课程群建设未给予充分重视。而多所高校关于物联网工程、机械工程、生物工程等专业实验课程群建设的经验表明，实验课程群建设和实践对于培养大学生创新思维、动手能力、分析问题和解决问题能力具有显著成效。例如：湖北工业大学信息类专业开展了物联网环境下网络实验课程群及实验综合平台建设，研究并提出一种分层次的网络实验课程群体系结构，为师生提供了一个高水平和高效率的教学科研平台[7]；福建农林大学机械类专业开展了机械设计课程群多层次实验课教学体系的构建与探讨，不仅培养了学生对实验课的积极性，还能够加深学生对理论课的理解[4]；安徽农业大学农业生物技术实验教学中心开展了生物类实验课程群多元化成绩评价体系的创新研究，形成了一套比较规范科学的实验考核办法，提升了农业生物技术人才的培养质量[8]。因此，拟根据“新工科”人才培养的要求，结合我校粮食工程专业在实验教学方面存在的问题，通过多层次实验课程体系的构建、多样化实验教学方法的应用和多元化成绩评价体系的实践，积极开展粮食工程实验课程群建设与实践，以期提高学生个体的综合素质、创新意识和工程实践能力，创新培养高素质粮食工程科技人才。

1 我校粮食工程专业开设初期的实验教学现状

1.1 实验课程体系不够完善

粮食工程专业开设初期，我校食品科学与工程学院在充分调研了河南工业大学等高等院校粮食工程专业办学模式的基础上，结合食品科学与工程专业的实验课程体系，构建了粮食工程专业的实验课程体系，将实验课程分为基础课、学科基础课、学科基础选修课、专业课、专业选修课五大类（图1）。其中，基础课包括《无机及分析化学实验》等4门课程，学科基础课包括《食品微生物学实验》等9门课程，学科基础选修课包含《食品添加剂实验》等5门课程，专业课包含《稻谷加工工艺学实验》等5门课程，专业选修课包含《食品实验设计与分析》等11门课程。但这34门实验课程相互独立，没有形成课程群体系，每门课程的任课老师只负责本门课程的教学大纲，导致课程之间的实验内容不协调、不连贯，甚至出现不同课程实验内容重叠的现象。例如：《食品生物化学实验》《食品化学实验》《食品营养学实验》均安排了“蛋白质含量测定”的实验项目；《油脂加工工艺学实验》和《油脂生产安全技术实验》均安排了“油脂过氧化值测定”的实验项目。并且，这些实验课程共计约190个实验项目，但其中仅有14.74%为设计性或综合性实验，其余均为验证性实验（图2）。验证性实验主要是对所学理论知识进行验证，在培养学生个体创造性、批判性思维以及分析问题、解决问题的能力方面效果不佳。随着粮食产业的转型升级以及与物联网、大数据、云计算等产业的不断融合，粮食工程专业人才的知识结构迫切需要向信息工程、智能制造等领域扩展，适应并引领粮食产业向多领域、多梯度、深层次、高技术、智能化、低能耗、高效益、可持续的方向发展，因而高素质粮食工程科技人才缺口更加明显[9]。显然地，以验证性实验为主的实验课程体系已不能适应新工科背景下新型粮食工程科技人才的培养要求，全方位培养学生工程意识和综合工程实践能力的集“验证、设计、综合、创新”为一体的多层次实验课程体系亟待建设和优化。

图1 2013年我校粮食工程专业实验课程设置情况

1.2 教学方法和内容较为落后

传统的粮食工程专业实验教学普遍采用的是传统的“灌入式”“被动式”教学模式。不管是基础课还是专业课，大多沿用教师讲授为主的方式，学生的主体地位并未得到充分重视。整个实验教学过程基本是由教师安排好实验内容，准备好实验仪器，拟定出实验步骤，设计好实验数据记录表格，学生不用动脑思考，只要按照拟定的步骤去做，就能顺利地完成实验报告[10-11]。其次，基础课实验内容陈旧单调，与专业联系较少。以《有机化学实验》为例，全校开设此课程的有20个本科专业，参与学生近1 100人次，但涉及基本操作的验证性实验居多，例如“熔点、沸点的测定”“蒸馏和分馏”，只是对所学有机化学知识及相关理论进行验证，没能真正体现出有机化学的原理和技术在不同专业中的应用[12]。再次，专业课实验内容设计落后，课堂教学缺乏生动的呈现手段。例如，《粮食酿造发酵工艺学实验》的实验教学内容停留在诸如传统的手工工艺发酵、简单的发酵食品制作等方面，同时由于缺乏新型实验设备，难以开发、设计与当下电子化相关的新的实验教学内容[13]。因而，多层次实验课程体系的构建，必然要求对基础课、专业课的实验教学内容进行整合、优化、融会贯通，同时也亟待先进的教学方法支撑和实践。

图2 2013年我校粮食工程专业实验项目类型分析

1.3 考核指标和方法较为单一

“考核标准单一化”是粮食工程专业大多数实验课程的共性问题。传统实验教学中，由于教学内容陈旧、教学模式固化、实验操作烦琐等因素，几乎所有实验课程在评定学生成绩时，都以实验报告成绩为主要参考依据[11-13]。这种“重结果轻过程”的做法使得学生逐渐形成了“高分=好的实验结果+工整的实验报告”的错误观念[12]。有些学生因缺乏兴趣不做实验，直接誊抄他人实验报告；有些学生为应付考勤而做实验，按部就班，缺乏思考；而认真做实验的学生则认为这种考核方式几乎不能反映真实的实验能力和水平，积极性受到严重打击。目前，考核与评价已成为我校粮食工程专业实验教学实践中最困难的一个环节。多层次实验课程体系的构建和实践，必然要求建立更为科学合理的成绩评价体系，作为衡量实验教学质量的依据和提高教学质量的保证。

2 粮食工程专业实验课程群建设与实践

2.1 多层次实验课程体系的构建

2.1.1 实验课程优化设置

2017年，中南林业科技大学第一届粮食工程专业本科生毕业，尽管就业率和就业质量名列学校前茅，但学生个体的综合素质和创新实践能力与行业发展和企业需求还存在较大差距，例如：从事粮油工程设计的学生在工厂设计尤其是管路设计等方面的知识储备不足，从事粮油质量监督检验工作的学生在粮油品质分析和微生物检验方面的操作技能不够熟练，从事粮油加工的学生在产品开发方面的创新性思维和综合设计能力有待加强等。针对这些问题，2018年修订的培养方案中将课程进行了优化设置（图3），主要举措有：在基础课中，增加《大学物理实验》，巩固学生的物理理论知识，为后续相关专业课夯实基础。在学科基础课中，去掉《食品保鲜学实验》，因为实验项目偏向果蔬、畜禽食品保鲜；将《食品工程原理实验》更改为《食品工程原理实训》，重点培养学生的工程意识[14]；将《食品分析实验》更改为《粮食品质分析实验》，以粮油食品为实验原料进行组分分析，可以更好地提高学生符合企业需求的实践操作技能。在学科基础选修课中，去掉《食品感官科学实验》和《食品包装学实验》，增加《食品微生物检验学实验》和《粮食工程供电自动化实验》，使学生能够根据职业规划进行合理选择，进一步牢固专业基础。因学时和学分控制，在专业选修课中，去掉了粮油深加工与副产物综合利用方面的相关实验课程，但将其中的部分综合性实验项目整合到粮食、油脂和食品加工工艺学实验课程之中，同时将食品安全控制技术实验和油脂生产安全技术实验合并为粮油生产安全技术实验。通过优化设置，粮食工程专业的实验课程由34门精简到27门，尽管课程数量减少了，但是通过课程优化设置和实验项目整合，实验课程体系更加契合行业发展和企业需求。

图3 新的粮食工程专业实验课程设置情况

2.1.2 实验类型不断完善

在优化设置实验课程的基础上，对27门实验课程重新进行分类，分为专业基础性实验课程、综合提高性实验课程和生产实践性实验课程，每门课程再分别设置不同类型的实验项目，使各门课程组合成为一个结构合理、层次清晰、彼此连接、相互配合的连环式课程集群（图4）。专业基础性实验课程以验证性实验项目为主，例如：《有机化学实验》设置3个基本操作实验、2个合成实验和1个综合设计性实验，验证性实验项目比例占83.3%[12]。综合提高性实验课程以综合性实验为主，例如：《食品生物技术实验》设置了发芽糙米中γ-氨基丁酸的提取与测定、溶菌酶的提取及酶活力测定等实验项目，综合性实验项目比例占66.7%。生产实践性实验课程则以设计性和创新型实验项目为主，例如：《小麦加工工艺学实验》设置了不同面粉改良剂对面条品质影响的实验项目，要求学生通过查阅资料选择各种新型的面粉改良剂，设计性和创新型实验项目比例占50%。对27门课程170余个实验项目进行统计分析，其中验证性实验比例为50.37%，综合性实验比例为36.67%，设计性实验比例为7.78%，创新型实验比例为5.18%（图5）。这样，保留的验证性实验可使学生更加牢固地掌握基础知识，增设的综合性和设计性实验可以全面提高学生的工程实践能力，开设的创新型实验则有利于培养学生的创新创业意识。

图4 粮食工程专业实验课程群的构成

图5 新的粮食工程专业实验项目类型分析

2.1.3 科研平台开放支撑

我校食品科学与工程学院拥有稻谷及副产物深加工国家工程实验室、粮油深加工与品质控制湖南省重点实验室、粮油深加工与品质控制湖南省协同创新中心、湖南省稻谷深加工工程中心等多个科教平台，具有较为完备的实验设施条件。将实验区域合理布局、实验设备分类布置，形成了专业基础实验平台、精密仪器共享平台和生产实践实验平台等三个功能齐全、层次分明、资源共享的实验平台，为粮食工程实验课程群的构建提供了有力的硬件支撑（图6）。例如：物性分析实验室拥有质构仪、流变仪、粉质仪、快速黏度测定仪、大米食味计、大米外观品质检测仪等多台仪器设备，不仅可以满足《食品物性学实验》等专业基础性实验课程的开设，还有利于《粮油品质分析实验》《现代仪器分析实验》等课程综合提高性实验项目的实施；中试车间拥有多功能谷物加工、智能发芽、米粉生产、饮料生产和稻米脱镉等多条中试生产线，完全能够满足生产实践性实验课程中设计性、创新型实验项目的开展。为充分发挥支撑平台的资源优势，结合粮食工程专业的培养目标，学院还建立了新型的“五开放”管理模式，即实验平台开放、实验团队组合开放、实验时间开放、实验内容开放和实验指导方式开放，为高素质粮食工程科技人才的培养奠定了良好的基础[15]。

2.2 多样化实验教学方法的应用

2.2.1 教学方法推陈出新

传统的“灌入式”教学模式通常是以教师为中心、以书本为中心、以课堂教学为中心，很难激发学生深层的学习动机和兴趣。近年来，“学生是知识建构的主体、教师是教学活动的主导”等观念已逐渐成为高校教师的共识，翻转课堂、研讨式教学、混合式教学等多种新的教学模式逐渐受到重视。结合不同实验课程的特点，粮食工程实验教学改革过程中也开展了一些新的教学方法的应用，并取得了一定成效。例如：在《粮食品质分析实验》课程中采用研讨式教学模式，将学生分成若干小组，引导各小组通过查阅国家相关食品标准或国内外文献，了解检测原理，掌握检测方法，并制定出具体的实验方案；然后在课堂上按自己设计的方案进行操作，并形成实验报告；如果出现问题，就分析原因找出问题，在课后可到实验室对改良后的实验方法进行验证。通过这种方法教学，不仅可使学生在实验设计、实验操作、数据分析方面的能力得到锻炼，还可提高独立解决问题的能力[16]。在《现代仪器分析实验》课程中引入思维导图教学策略，在课堂讨论时，要求学生围绕主题中心勾画仪器分析（色谱、原子吸收光谱、红外光谱等）的思维导图，让所有学生展开思维，提出自己的角度和观点，逐步扩展思维导图的“枝叶”，不仅能够帮助学生对所学知识进行系统性总结，还可以锻炼学生用已有知识解决未知问题的思维方式和能力[17]。

图6 粮食工程实验课程群支撑平台

2.2.2 教学资源不断丰富

传统的实验课堂，教师只需要准备好实验指导书即可。而翻转课堂、研讨式教学、思维导图教学策略等新模式则要求教师在课前准备更多的教学资源，包括课件、视频和扩展资源等。例如，《食品生物化学实验》采用多媒体视频辅助教学，将仪器设备操作演示、实验过程中需要注重的细节、操作前准备工作、操作结束收尾工作等课件资料提前发送给学生，学生利用业余时间进行观摩学习，以达到生动形象展示实验教学的目的[18]。《油脂加工工艺学实验》在实验教学开始前的理论课上，准备了多家企业提供的油料预处理、油脂压榨（或浸出）、毛油精炼、成品油灌装成套生产线视频，创设有助于教学内容实现的情境，让学生对油脂生产过程形成感性认识[11]。《食品工程原理实训》则创新应用现代呈现技术，帮助学生构建对食品工程原理知识多维度的认知体系，将食品工程应用案例中的物质形态变化、传热与传质等过程进行虚拟呈现，在相关食品工程应用案例的讲解中，也利用真实场景虚拟现实技术，让学生身临其境感受工程应用现场，获得对理论知识应用更为真实的认识和理解[14]。

2.3 多元化成绩评价体系的实践

根据粮食工程实验课程群的特点，各门课程都摒弃了以往单一的考核评价方式，灵活采用实验操作、实验报告、期末理论、方案设计等多元化的评价依据和方法。例如：《油脂加工工艺学实验》将考核评价分为知识和技能、思维和方法、习惯和态度三个层面，知识和技能主要考察学生的基础理论知识和实践操作技能，思维和方法主要考察学生创新意识和处理问题能力，习惯和态度主要考察学生预习情况、课堂考勤和组内协作情况[11]。《有机化学实验》将综合考评分为四部分，包括平时成绩（实验预习、实验操作、考勤和卫生等）、实验报告、设计性实验成绩、期末理论（抽签口试），对学生的动手能力、思维能力、团队协作能力等多方面进行考核[12]。《食品生物化学实验》将实验课成绩分为实验前的预习、实验前的准备工作、预实验、实验操作、实验报告、实验后的收尾工作等六个部分，依据学生在实验各个环节的表现情况进行评价[18]。总的来说，在构建粮食工程实验课程群的过程中，形成了多元化成绩评价体系（图7），更加注重评价指标的科学性、考评依据的全面性和评价过程的可操作性。研究发现，多元化成绩评价体系可以更加科学、合理、公平地评价学生的实验课程成绩，促进学生对粮食工程的培养目标进行全面认识，提高学生的综合实验能力和科学创新素质。

3 结论

针对我校粮食工程专业存在的实验课程体系不够完善、教学方法和内容较为落后、考核标准和方法较为单一等问题，以“新工科”建设理念为指引，通过多层次实验课程体系的构建、多样化实验教学方法的应用和多元化成绩评价体系的实践，积极开展粮食工程实验课程群建设与实践。通过教学改革和实践，在一定程度上提高了学生个体的综合素质、创新意识和工程实践能力。然而，粮食行业的工业化进程是一个持续前进的过程，对于粮食工程专业人才的数量需求和质量要求也将不断提高，因而，“新工科”背景下粮食工程专业人才培养模式的探索之路仍然任重而道远。