新工科背景下“食品工程原理”课程改革与实践

王忠合，王 军，林丽云

（韩山师范学院食品工程与生物科技学院，广东潮州 521041）

复旦共识、天大行动、北京指南构成了新工科建设的“三部曲”，奏响了人才培养主旋律，开拓了工程教育改革新路径。新经济快速发展迫切需要新工科人才支撑，新工科建设是我国高等工程教育适应新经济、新产业发展的重大战略决策与部署，以培养新经济、新产业所需的多元化、复合型、创新型的卓越工程人才为目标，是为新经济、新兴产业发展提供智力和人才支撑的工程教育实践[1-3]。新经济要求发展“新工科”，但“新工科”的发展不仅仅是面向未来布局新兴工科专业，也要使当前的工科专业突破传统的人才培养模式，整合升级、综合发展，培养具备更高创新创业能力、跨界整合能力的人才，建立多样化和个性化的工程教育培养模式。当前工科教育存在的问题有：与企业和社会需求脱节、工程能力和素质明显不足、团队协作及沟通能力薄弱、艺术人文社会素养与创业精神亟须拓展[4]。全国各地新工科教育实践在教育部“复旦共识”“天大行动”“北京指南”等理念的指导下蓬勃开展，以立德树人为引领、以促进人的全面发展、多学科交叉融合、多元的过程性评价等为特点的新工科教育为我国高校的工程教育提供了新的思路与参照。为适应新工科建设和“一带一路”国家战略对工程教育提出的要求，学院启动了新工科背景下的食品科学与工程类人才培养方案的修订工作，积极推进与工程教育相关的各类课程教学改革，并于2018 年顺利通过中国台湾IEET 的工程教育认证。

“食品工程原理”是食品科学与工程类专业必修的一门专业基础课，主要讲授食品加工和制造过程中原料进出各加工单元的相互关系及影响因素，理论知识丰富且具有非常强的实践性，与食品工业生产中各个加工环节密切相关，在食品科学与工程类人才的工程思维培养起着承前启后的重要纽带作用，是由理论知识应用于工程实践的重要桥梁，对于培养学生解决食品工业中相关工程问题的能力起着重要的作用[5-6]。“食品工程原理”涉及的内容繁杂枯燥、晦涩难懂，学生很难全面掌握，而各单元操作又相互独立，部分单元操作的公式推导复杂，再加上实验教学等实践环节中学生处于被动接受状态，学生参与实践操作或设计的积极性和主动性相对不足，难以达到预期的教学效果和工程能力培养。近年来，笔者在“食品工程原理”教学过程中，结合新工科建设的要求，对“食品工程原理”课程教学中的问题进行了改革探索，提出了相应的措施与方法，取得了一定成果。

1 PBL 翻转教学模式

计算机技术和食品科技的快速发展，食品工程相关领域也发生了大幅度的变化，食品专业学生需要掌握的知识、技能及工程设计实践能力也提出了更高的要求，以MOOC、SPOCs、翻转课堂、微课及可汗学院等信息化教学掀起教育变革的新浪潮[6]。引入“以问题为导向”的PBL 教学方法和“以学生为中心”的翻转课程教学手段，以小组讨论式教学打破传统教学中以教师讲授为主体的灌输式教学模式，可激发学生自主学习兴趣，将学生被动学习向主动学习转变，提高学生独立思考、团队协作和表达沟通能力。PBL 在国外全科医学教育中应用较多，也取得了较好的教学效果，而在食品类专业特别是食品工程类课程中的应用还比较少。

根据教学大纲的要求选择食品工程原理教材中基础的、应用性、创造性强的课程作为PBL 教学内容，前期主要以流体流动、传热、干燥等章节内容为研究重点，在讲授课程内容前向学生介绍电子教学平台的使用方法和PBL 教学的基本过程，明确目标、任务及方法，让学生对相关单元操作的基础知识有一个初步了解。结合各单元操作相关知识的难易程度与学生掌握的知识结构，合理制定研究问题并分发至各组成员，查阅相关资料，解决分析问题，在探讨问题的过程中，学生可随时在讨论区发布自己的观点和不能解决的问题，增加与同一小组成员及指导教师之间的互动交流，最终解决问题形成PPT 在课堂上汇报、答辩。运用PBL 教学模式让不同性格和基础的学生一起探讨问题，并发表自己的看法，锻炼学生的组织能力和团队合作精神。信息技术的运用，有效解决“食品工程原理”课程内容多、涉及的知识面广、信息量大等与学时不足的矛盾。同时，一名教师可以通过网络平台同时对多个班级进行课程教学指导，提高了师资的利用率，解决了师资不足的问题。

2 构建“学习通”在线移动学习平台

借助前期的翻转课堂教学基础和教学经验，利用“学习通”等智慧教学工具构建线上线下混合式在线移动学习平台，一张网、一个移动客户端，把教师和学生紧密地联系在一起，转变传统的课堂教学以讲授为主的模式，充分利用课余时间学习，培养学生“课前课后、线上线下”自主学习习惯，丰富知识获取渠道。在信息化大数据的时代，学生获取知识和信息不再拘泥于教材和教师[7]，教学中可利用“学习通”的各组件，吸收传统教学的精华，借助信息技术的优势把线上教学和线下教学完美地融合在一起，以学生学习为主体并配合课堂教学的混合式教学模式，教师在教学过程中可随时掌握学生的学习情况和调整学习内容及任务，课堂上教师还可以引入交互式学习，利用“学习通”平台的签到、抢答、点名、选人、主题讨论等模块进行互动，提高学生的学习兴趣，避免传统课堂教学中学生发言主动性不高和教师课上全员考勤耗费时间多等问题。同时，教师可利用随堂练习和测试模块考核学生的掌握程度，加强课程的过程性考核，学生提交试卷，教师批阅后学生可查阅试卷答案，实时反馈学习效果和存在的问题。新型的线上线下混合式学习和教学模式，不仅提高了课堂效率和学生学习的主动性，还为学习过程提供了完整全面的数据记录和过程学习评定支持，促进课堂教学由“经验驱动”向“数据驱动”的全面转型，有助于提升整体教学质量和打造“金课”课程。

3 引入虚拟仿真打造新型的实训实践模式

“食品工程原理”实验课程是理论课程学习的重要补充和实践，通过实践活动验证相关原理的理论以拓展理论教学，达到培养学生的工程思想与观念、提高学生分析和解决实际问题的能力，是将食品工程理论知识与食品工业生产紧密结合的桥梁和纽带。由于重视程度不够或受条件限制，传统的食品工程原理实验在多数食品专业院校的实验开出率不足，多数学生动手操作的机会少，仅仅停留在演示实验或设备的阶段，这种模式处在简单的“填鸭式”教学阶段，学生根本没有学习的自主性和主动性，工程化思想的训练程度低，也无法有效激发学生的探索精神。基于前期教育部支持地方高校建设项目“食品工程大学生专业能力实训基地”和省教育厅质量工程项目“生物科学与食品工程虚拟教学示范中心”等实践基地建设的基础上，采用北京欧倍尔软件技术开发有限公司的食品工程虚拟仿真软件构建新型的实践教学平台，采用“虚实结合式”和“情景再现式”教学模式与方法，以弥补部分院校或传统的食品工程原理实验实训受场地、设备、安全等条件制约的缺陷，顺应“新工科”建设和教育部大力推进“虚拟仿真”实验项目建设的要求，充分发掘虚拟仿真软件的技术优势，利用多媒体、人机交互、数据库和网络通信等信息技术手段，构建“以学生和能力培养为中心”的分层次、开放式、模块化的实验教学体系。采用模块式和主题探讨式互动教学，如以某一单元操作或某一关键设备为例，引导学生模拟和熟悉真实生产环境下的运行状态、工艺参数和控制指标等，解决虚拟仿真过程中的故障与问题，完成设定的操作任务，锻炼学生解决实际工程问题的能力。充分利用信息技术的优势和网络媒体的直观性，采用线上自学与线下翻转相结合的双重互动模式，学生学习过程遇到问题可与教师互动、交流，线下集中讨论与汇报，提升学习的积极性与主动性，培养团队协作能力。

根据不同章节或单元操作的特点及要求，整合实验内容与项目，实行分级指导，构建分层次实验教学体系，实施开放式实验教学，针对不同需求进行虚拟平台训练。以“食品工程原理”中的单元操作干燥为例，根据学生的知识结构与教学要求，构建了3 个不同层次的实验内容：基础仿真操作层次（包括的教学模块：干燥工艺及设备的认识、流化床干燥器的操作）、工程拓展层次（包含的教学模块：异常情况及事故的紧急处置、干燥曲线的绘制、干燥速率曲线的求解、热空气流量对干燥速率曲线变化的影响、临界湿含量的变化等）、综合设计层次（包含的教学模块：对流干燥器的设备结构及设计），3 个层次在知识深度、操作水平、能力达成度等方面的要求逐渐提高，不同层次、不同类型的学生在完成前一个层次的学习并达到一定要求后，方可进入下一层次的学习，这种“闯关”模式的教学可激发学生的学习热情和兴趣[6-7]。

4 结语

面向新经济的新工科建设需要工程科技人才具备交叉复合特征，不仅具有解决工程问题的能力，还要具备跨学科、跨产业的跨界整合能力，因而新工科建设中需解决应用型人才培养的新模式，遵循工程教育认证中“以学生为中心、以产出为导向、持续改进”的原则，推广以学生为主体的培养模式，提高工程技术人才的应用能力。实施工程教育专业认证，是我国高校推进工程教育改革的重要举措、“新工科”建设的重要内容和工程教育国际化的重要标志。“食品工程原理”是一门实践性、工程性强的课程，内容多、公式繁杂、学习难度大，引入“以问题为导向”的翻转教学模式，借助现代信息技术的优势，明确目标、任务及方法，有效解决问题并发表自己的看法，培养学生的实践能力和工程思维，锻炼学生的团队合作能力。利用“学习通”智慧教学工具构建在线移动学习平台，培养学生“课前课后、线上线下”自主学习习惯，把线上教学和线下教学完美地融合在一起，以学生学习为主体并配合课堂教学的混合式教学模式，提高学生的学习兴趣，加强课程的过程考核，大大提高了课堂效率，并提高了学生学习的主动性、创新性。将虚拟仿真教学体系引入到实验教学中，突破了“食品工程原理”在传统实验教学中受时空条件、仪器数量和操作过程安全性等条件的限制，学生通过开放式实验教学平台逐级完成相应的模块任务，掌握各操作单元的原理、相关设备的操作规程等知识，加强线上线下双重指导和过程考核，培养学生的工程思维和创新能力。