新工科背景下基于CDIO-OBE-FC 的“食品科学与工程综合实验”教学改革与实践

周 睿，李玉奇，吴进菊，罗 凯，罗 静，包鸿慧

（湖北文理学院食品科学技术学院化学工程学院，湖北襄阳 441053）

新工科建设是在“卓越计划”基础上，为服务国家战略发展新需求、构筑国际竞争新优势、落实立德树人新要求而提出的一项持续深化工程教育改革的重大战略行动[1]。在此背景下，区域经济发展迫切需要地方本科高校通过工程教育改革培养未来多元化、创新型、应用型的卓越工程人才[2]。实验教学体系内涵式发展是高等院校主动应对新工科发展新要求和实现创新工程人才培养目标的重要途径[3]。食品类专业是实践性较强的应用型工科专业，实验教学是应用理论知识解决实际工程问题的有效方式和重要手段，也是学生校内专业学习至校外食品行业生产实践的“最后一公里”[4]。因此，深化食品专业实验教学改革，重新构建与新工科建设要求相吻合的实验教学新模式，日益成为食品类专业高校具有重要意义的研究方向。

湖北文理学院“食品科学与工程综合实验”自2009 年食品专业建立伊始便已设立，是食品科学与工程专业的主干必修课程之一，面向已掌握“食品微生物学”“食品生物化学”“食品化学与分析”“食品工艺学”“现代食品检测技术”“食品机械与设备”“食品工厂设计”等专业课程知识的本科生所设置的一个核心实践教学环节。该课程具有工程技术性与实用性强等特点，旨在培养“厚基础、精技术、高素质、懂管理、能创新”的高水平食品科学与工程专业应用型食品工程人才。传统实验教学模式固有的局限性已难以与当前食品类专业工程教育认证相匹配，探索新的教学模式来提高教学质量并适应现代食品产业发展新需求势在必行。美国麻省理工大学等4 所院校联合创立的CDIO（Conceive，Design，Implement，Operate）工程教育模式是以项目实施为载体，以企业对人才需求为导向，是近年来国际工程教育领域改革最具影响力的重大成果之一，但对毕业生“素质”要求不足，并未真正融入课程实施过程考核，缺乏必要的实施效果评价体系[5-6]。美国学者William Spady 率先提出OBE（Outcomesbased education）教育理念核心是“学生为中心、成果导向、持续改进”，是以目标为导向、面向产出的教学系统，重在培养学生从事工程实践领域应具备的能力和素质，已成为美国及欧盟等国家工程教育改革的主流理念[7]。此外，翻转课堂（FC）是学生课前自主学习，然后在线上和线下师生共同解决问题并深度拓展学习的一种教学模式，但存在本土化研究不够、理论基础研究不扎实、教师创新能力不足、忽略学生个性化认知与思维体系突破、缺乏系统性教学评价等问题[8]。为此，以新工科改革与工程教育专业认证为契机，结合国内外工程教育改革与发展新动向，积极探索CDIO-OBE-FC 有机融合的教学模式在“食品科学与工程综合实验”中的教学改革与实践，提升学生自主学习和终生学习能力，强化学生创新与批判性思维、理论知识水平、团队协作和工程应用实践，以及学科交叉与国际竞争等能力，为食品类高等教育实验教学的课程改革和创新提供参考。

1 课程教学现状与局限性

湖北文理学院“食品科学与工程综合实验”开设在第7 学期，实验教学36 学时，综合实验内容涉及发酵制品、果蔬制品、焙烤制品及肉制品等方面，具有知识面广、操作性与应用性强等特点。近年来，课程组经过一系列的教学改革和实践，取得了一定的成效，但仍然存在其他同类高校“食品科学与工程综合实验”普遍面临的3 个共性问题和挑战[2，4，9]。

1.1 实验教学内容设置不科学

受限于课程实验经费、场地、学时、已有教学仪器设备条件等因素，部分实验内容简单重复和陈旧滞后，同时课程思政教育融入性差，学生深度参与性与积极主动性不高，部分教师工程实践背景不强或对技术革新和产业发展动态不敏感，实验项目缺乏综合设计性与创新性，难以做到与时俱进，产出导向不鲜明。

1.2 实验教学手段单一，教学组织形式不丰富

“以教师为中心”的传统灌输式教学模式主要以教师实验理论讲授结合实验操作演示为主，学生被动机械化和程序化完成实验任务，独立思考能力和创新性思维得不到有效施展。食品加工实操过程中，由于课时有限、内容固定、大型仪器不足、同组成员较多等缘故，部分学生“囫囵吞枣”和“照葫芦画瓢”完成实验预习报告，对实验原理与工艺流程设计等不求甚解，加之没有明确的参与度和团队协作等过程性考核评价，导致部分学生在实践环节仅仅“照本宣科”应付式操作或“现场观摩”并抄袭别组学生实验报告等，综合实践能力和综合素质得不到有效提升。

1.3 实验教学考核方式单调

现有课程考核评价体系缺乏完整性，成绩评定主要以出勤率和实验报告为主，缺乏激励性和过程性考核机制，不能对“食品科学与工程综合实验”课程教学效果动态跟踪、及时反馈、有效合理评定，偏离“以学生为中心”核心理念，难以达到对实践教学高阶性、创新性和挑战度的教学要求，不利于实验课程持续闭环改进。

2 教学模式设计与实施

为切实解决“食品科学与工程综合实验”课程教学中存在的问题，教学内容方面遵循“两性一度”金课标准，侧重综合设计性和创新性实验，教学方式方面有机融合实验理论知识、实验操作技能和专业素养；考核方面强调过程性考核与结果考核等多元化评价方式相结合，着力培养学生解决工程实践问题的能力，打通从专业到职业能力培养的“最后一公里”。

2.1 课程教学新模式构建

以OBE 为目标设计教学内容，以CDIO 为手段设计实验教学，共同指导翻转课堂教学活动设计。通过CDIO 工程教育理念的案例式、小组研讨式与学科竞赛驱动式教学法与FC（翻转课堂）相结合，辅以现代教学信息化技术开展线上自主“灵活”学习、线下“真刀真枪”实验操作、课前课中课后“立体融合式”的综合实验教学活动，构建新工科背景下基于CDIO-OBE-FC 的“食品科学与工程综合实验”教学新模式。

新工科背景下基于CDIO-OBE-FC 的实验教学模式改革方案见图1。

图1 新工科背景下基于CDIO-OBE-FC 的实验教学模式改革方案

2.2 课程教学总体目标建立

“食品科学与工程综合实验”是食品科学与工程专业人才培养的核心实践环节。为此，基于新工科建设人才培养核心素养，采用成果为导向的OBE教育理念，将从知识、能力、素质3 个维度，优化设置学生达到毕业要求的问题分析、研究能力、个人和团队及终身学习等4 个能力指标点，并逆向设计课程相应教学目标，培养学生勇于挑战的创新思维和实事求是的科学态度，强化并提高学生产品综合设计、仪器操作、原成品质量分析与控制、数据处理与分析、实验报告撰写等能力，并使学生初步体验食品工厂生产过程，以及生产管理和卫生管理在食品生产中的重要性。

2.3 课程教学内容总体设计与实施

2.3.1 教学内容设计

以学生为中心，从知识建构的角度，以能力培养为导向，依据社会和市场工程技术人才需求，并结合学校食品科技学院教学现状、生源分析、地方特色及最新科研成果，进一步改革和完善食品类综合实验项目教学内容，切实体现实验项目的自主创新设计性和综合实践应用性，形成以学习者为中心的“一思政+三平台+六模块”实验教学内容体系。

“食品科学与工程综合实验”教学内容改革方案见图2。

图2 “食品科学与工程综合实验”教学内容改革方案

“三平台”即为“食品科学与工程综合实验”线上课程建设平台、国家精品在线开放课程平台（线上“金课”）及虚拟仿真实验教学平台。“六模块”即为发酵制品（如酸奶、啤酒、黄酒、果酒等）加工综合实验模块、果蔬制品（如孔明菜、罐头、果汁、果冻等）加工综合实验模块、肉制品加工（如风干肠、香肠、肉脯等）综合实验模块、焙烤制品（如面包、蛋糕、饼干、月饼等）加工综合实验模块、食用菌与茶制品（如多糖片或冲剂、蟹味酱、速溶茶等）加工综合实验模块、淀粉制品（如变性淀粉、淀粉糖、牛肉面、方便粉丝等）加工综合实验模块等六大实验模块。

2.3.2 教学内容实施

（1）思政教育深度融合。近年来，食品安全事件频出，因此食品从业人员不仅要具备较强的专业知识和专业技能，还应具有较高的职业素养。为此，在实验教学中恰当融入思政教育，以培养食品从业者具有良好的职业道德和社会责任感。例如，淀粉制品加工综合实验中，引入“龙口粉丝事件”（违规添加碳酸氢铵和氨水等用于增白）及酸奶加工综合实验中，引入“皮革奶事件”（皮革废料或动物毛发水解蛋白粉含有重铬酸钾和重铬酸钠等有毒物质）等案例，加深学生专业知识，加强学生社会责任意识与职业道德素养。

（2）线上实验课程网络平台建设。借助湖北文理学院校内网络课程平台及超星学习通、雨课堂等网络在线教学平台进行优质实验课程的线上建设。线上网络课程设置实验教学大纲、教学课件区、教学视频区、案例/项目区、课程资料区、仪器使用说明区、实验方案设计区、测试区和作业区、实验成果与产品展示区、课程研讨区、教学问卷区等。学生在课程平台上可进行实验预习、自我评价、成果展示及互动交流等。

（3）一流在线开放课程资源共享。依托国家级、省级在线一流开放课程，如“食品加工技术”“焙烤食品加工技术”“肉制品加工技术”“食品发酵技术”等网络在线“金课”，借助中国大学MOOC、腾讯课堂、微助教、雨课堂等网络教学平台，开展自主学习课程教学活动。

（4）虚拟仿真实验教学。虚拟仿真是一种新的教育生产力，通过构建虚拟现实仿真的实验教学环境，将抽象复杂且耗时的实验过程形象逼真地演示出来，具有构想性、交互性和沉浸性等三大特性[10]。以“风味羊羹加工”实验项目为例，做虚拟仿真实验平台结构设计。

虚拟仿真实验平台结构设计示意图见图3。

由图3 可知，风味羊羹加工虚拟仿真实验共分为“工厂设计与管理”“卫生与生产规范”“生产实践”3 个模块。“工厂设计与管理”模块中，主要涉及到整体的生产工艺流程设计、工厂整体布局、生产设备选型与连接及标准化工厂管理等。“卫生与生产规范”模块中，主要涉及到虚拟场景下的员工服装、设备清洁消毒及标准化的卫生管理规范等。“生产实践”模块下设“理论学习”“加工生产线”“创新设计”3 个环节。“理论学习”环节主要包括羊羹的发展历程、基本工艺配方、营养与健康知识、生产工艺流程与工艺参数、生产设备与仪器等，采用文字、图片、语音、视频动画、3D 虚拟模块拆分等方式对初步认知学习知识点与仪器设备进行全方位的展示。学生通过操作虚拟场景下的虚拟人物对关键加工工艺参数、关键加工设备及相关知识点进行虚拟化的反复实践学习，提高学生的主观能动性。“加工生产线”部分采用闯关模式，严格按照羊羹产品生产加工流程一一闯关。完成一关挑战，并达到一定的准确度和熟练度后，可获得解锁下一关的权限，相继完成4 个关卡后即可通关成功。通过趣味式和挑战性的闯关模式，重点考查学生的学习能力，并调动学生的主动学习热情与情趣。“创新设计”环节考查学生的创新产品工艺设计与生产设备选型和重组的综合能力。学生可着重从羊羹的形状、颜色、质地、滋味、营养与功能、节能环保、经济效益等方面对产品配方与工艺进行综合创新设计，并完成加工生产线的可行性评估、物料衡算、成本核算、回收期估算、设备选型与重组等。教师可通过后台，对学生的整体实验设计、设备选型与连接、经济技术核算、工厂整体布局等方面进行全面评价，为学生下一阶段的工厂实习和毕业设计做好充分的准备工作。

2.4 课程教学方法改革

在新的实验教学体系中，引入新型教学方法如项目驱动式教学法、案例式教学法、小组探究研讨式教学法等，教师的职责不仅在于“教”，更在于按照学科教学目标及人才培养目标引导学生主动“学”，以学生为中心完善考核评价体系。课前，依据CDIOOBE 教学理念，让学生参与到实验综合设计中来。由教师制定总体实验目的，明确通过该实验需要达到的教学目标；学生根据教师要求，自主查阅国内外文献资料，设计实验工艺技术流程及操作要点，完成网络教学平台设置的课前测试评估，并将实验所需物品及耗材上报，教师审核通过后学生即可开展实验。教师需要明确实验项目与具体要求，指导帮助学生建立实验方法，并对学生设计的实验流程进行最后审核，确定实验设计的可行性，并检查所需耗材用量是否合理，实验流程是否正确；同时，与学生共同研究和探讨具有创新性和探索性的实验环节，为学生参加“互联网+”“挑战杯”“全国大学生生命科学竞赛”等学科竞赛及申报大学生创新创业训练计划等项目做准备，实现学生以赛促学与以研促学的教学目的。课中，主要使学生获得“项目的规划与实施能力”。以3～4 名学生为一个实验小组开展实验，要求各小组成员根据实验内容和工艺流程进行合理分工与合作，注意工序的衔接与整合，争取实验效率最大化，达到课程指标点的“团队成员协作的能力”。课后，完成实验后，进行实验成果的展示和评价，包括自评、他评和师评，并进行全班集中讨论，分享实验心得，总结经验。

抹茶味羊羹创新实验作品见图4。

图4 抹茶味羊羹创新实验作品

3 多元化教学效果评价

考核评估是对教学质量的检测与反馈，不仅是实验教学过程中的重要环节，也是实验教学内容的持续改进与延续[11]。因此，通过构建多元化教学效果评价方式，注重实验过程的实施及学生技能掌握、创新设计与创新实践能力的评价，以多维度和全方位展现学生能力（见表1）。教学改革后，结果性考核评价占比由70%降至40%，包括预习实验报告或实验综合设计报告（10%）和实验总结报告（30%）；过程性考核评价占比由30%提升至60%，包括出勤（5%）、卫生与安全（5%）、实验技能（15%）、团队协作（10%）、问题分析与解决（10%）和创新设计（15%）。

表1 “食品科学与工程综合实验”课程考核体系

“食品科学与工程综合实验”课程考核体系见表1。

出勤考核是实验教学秩序的基本保障；卫生与安全考核是对实验安全意识和实验室的清洁卫生等情况进行综合评价；实验技能考核重点评价实验原辅料的预处理、实验仪器设备规范操作、理化指标检测等熟练掌握程度；团队协作是评价学生的项目分工与合作能力；实践能力是评价学生的发现问题、分析讨论及解决问题的能力；创新设计是重点评价学生的创新工艺与配方的优化设计能力；实验报告评价重点考核学生的实验方案和方法科学性、原始数据记录详实性和完整性、数据处理的正确性、图表绘制的准确性及结论分析的合理性等。

实验课程教学改革前，学生的实验成绩评定相对单一（出勤和实验报告），班级（食科2018 级，43 人）实验课程成绩分布集中在70～80 分，班级平均成绩仅为74 分，课程目标平均达成度小于0.75。采用多元化考核评价方式后（食科2019 级，68 人），班级成绩集中于80～90 分，平均成绩提升至83 分，课程目标平均达成度0.81 以上，表现优秀（90 分以上）的学生占比接近20%，班级最低分为75 分，最高分为94 分，区分度较为显著，更加全面合理地展现班级学生的综合实验学习效果。此外，参加创新创业及各类学科竞赛的人数及获奖人数逐年增加。其中，大学生创新创业项目立项数量由2021 年的10 余项增至2022 年的20 余项，国家级大创项目由0 项增加至3 项；2021 年全国大学生生命科学竞赛（CULSC，科学探究类及创新创业类）中获得6 项国家级三等奖，2022 年其获奖数量增加至13 项，其中国家级一等奖1 项，二等奖5 项，三等奖7 项，获奖率由20%猛增至45%。通过CDIO-OBE-FC 相融合的教学模式及项目牵引和竞赛相结合驱动模式，极大地强化了学生的实践技能和学习热情、提升了学生的专业和职业素养、激发了学生的实践创新意识、培养了学生的实践工程能力，教学效果综合评价较好，学生满意度高。

4 结语

新工科建设背景下，“食品科学与工程综合实验”课程教学过程中开展CDIO-OBE-FC 有机融合混合式教学模式的探索与实践，结合实践过程中的多元化考核评价体系，有利于突破时空限制并兼顾学生个体差异性，学生从被动和低效的学习方式转变为积极主动与高效的学习习惯，大幅提升学生的实践参与度与获得感，逐步实现学生由专业知识学习到综合实践创新能力培养的平滑过渡，同时也促使教师专业素质与教学能力的不断提升，促进实验教学质量持续闭环改进。该研究可为食品类专业综合实验教学改革及创新性实践型食品专业工程人才培养提供有效手段。