新工科背景下人工智能技术在食品化学课程教学中的实践与探索

曹慧 艾超 滕慧 刘书成 张帆 王辉

面对复合型人才匮乏、新一代信息技术产业人才告急和高层次人才紧缺等问题，2017年我国提出了新工科教育改革。新工科建设是为了培养多元化、全方面、创新型的卓越工程人才，是服务国家战略发展新需求的重要举措。食品专业是关系国计民生的复合应用型工科专业，在新工科背景下，将食品专业课程教学和人才综合素质培养与新工科建设充分融合，不仅能促进新工科食品专业教育的发展，也能满足新工科背景下理工复合型专业人才培养要求。

人工智能（Artificial Intelligence，简称AI）是一门前沿交叉学科，是利用计算机技术实现的人工智能化。食品化学课程是食品专业教学的必修内容，然而，该课程理论知识复杂抽象，还有大量的专业英文词汇，传统的教学方法多存在教学内容陈旧、教学方法枯燥、学生的主观能动性差等问题。在教学中引入人工智能元素，有助于教学模式的创新与重塑，同时通过课程思政元素的融入、改进授课方法和改革考核方式，可实现理论教学与思政教育的有机统一。

本文从新工科背景下食品化学课程教学概况、人工智能技术赋能高校食品专业课程教学的必要性、食品化学课程教学改革的策略等方面，对该课程近年的课程教学模式创新实践与探索进行了总结，以期为相关高等院校食品化学课程教学模式革新提供参考，为其它专业AI技术融入核心课程的教学模型革新提供实践参考，为新工科视域下高素质人才的培养提供理论依据与智力支持。

一、新工科背景下高校

食品化学课程教学概况

新工科为高等教育提出了新思路、新要求，在这样的大趋势下，食品专业课程建设的改革与创新必须顺应历史的潮流，跟随新工科建设的步伐，努力培养创新型综合应用人才。

人才的培养需要科学合理的课程体系进行支撑，食品化学课程是食品专业尤其是食品科学与工程类专业的基础必修课，特别是高级食品化学课程在食品化学的基础上进一步深入探讨食品中的化学成分、反应机制、加工和储存过程中的化学变化、食品质量与安全、食品营养和功能等内容，是一门理论与应用紧密结合的专业课，对于培养学生自主学习、科学思维、技术创新等能力具有重要指导意义。

在食品化学课程的教学过程中，不仅理论知识体系庞大，涉及化学基本原理和反应过程的内容复杂、抽象，内容交叉性、系统性、逻辑性强，还需要学生牢记大量的食品化学专业英文词汇。传统的教学方法多存在教学内容陈旧、教学方法枯燥、课堂气氛不活跃等问题，在进行双语教学时体现得更加严重。特别在涉及到运用食品化学知识去分析和解决实际问题方面，存在的难题更为突出，导致很多学生普遍反映食品化学课程理论复杂、课堂枯燥、重点和难点较多、学习记忆困难，难以准确把握学习的方法，进而在学习过程中缺乏积极性和主动性。

传统工科课程的教学一直秉承的是构思能力（Conceive）、设计能力（Design）、实现能力（Implement）和运作能力（Operate）的“CDIO”主体思想，但是随着高新科技日新月异的发展以及新工科浪潮的推动，这种传统的模式显得理论化过强，导致学生的主观能动性和实践效果较差。因而，新工科背景下食品专业的教学模式需要不断革新和转变。

二、AI技术赋能高校

食品化学课程教学的重要性

人工智能（AI）技术是利用计算机的智能性进行拟人化的思考，在教学中应用AI技术，高智能的电脑语言教学系统可实现教学行为人格化、人机交互自然化、教学流程合理化以及任务多智能体。人工智能是未来引发教育变革的内生动力，对解决教与学中的关键问题、改善教育管理的方法与实践具有重要作用，并将有助于进一步提高教育质量、改善教育公平。

将人工智能的技术手段融入食品化学课程教学中，既符合当下智能时代实际场域的需要，也满足当代大学生沉浸式、读图式、云端式学习的需要。在教学中引入人工智能的内容，更有助于培养学生的创新思维、科技素养，提高信息处理和解决问题的能力，为大学生未来的就业或创业创新提供有力的支持。

三、AI技术融入高校

食品化学课程教学改革的策略

人工智能（AI）是加速高等教育发展的重要技术之一，目前世界各国已纷纷出台政策加强AI在教育中的应用，推动教学领域变革，构建智能教学环境，探索智能教学模式，并开展多维度综合性智能评价。

（一）AI技术促进教学模式调整

落实“以学生为中心”的课程教学理念、关注学生的学习成效，已成为新工科建设的一大核心理念。以往由于食品化学课程内容太多，涉及到很多抽象的概念、反应原理及变化过程，传统教学存在“教师中心、教材中心、课堂中心”的弊端，学生被动地接受知识，在课堂教学过程中缺乏生机和活力，参与感不足，学习效果不佳。

为了改变这一现状，教师可以采用人工智能技术建立智能导师系统，创新教育方式与手段，形成“以学生为中心”的工程教育模式，增强师生互动，提高学生的参与度和积极性。教师可以利用智能的计算机网络管理系统记录学生的到课情况、课堂参与度、知识掌握情况、电子作业、学习活动记录、学习评价信息等，为学生创建电子档案，对他们进行精确化分析，完成学习者建模，按照学生的不同个性特征和需要进行个性化的教学和指导，重点发展学生自身的优势。此外，教师也可以利用AI技术建立每个课程体系相对完整的课程“模块”，根据学习情况和培养目标，从现有的课程“数据库”中选择合适的课程模块，或者在已有的较为成熟的模块中组合进行教学设计，从而使教学活动更趋精品化。

为了改变传统的单一教学模式，教师可以采用课内课外相结合、线上线下相结合的模式。建立线上慕课平台，共享课前预习知识点、思维导图、视频、作业、图书等资料，方便学生提前进行学习。相对容易的知识点可以放在课外或线上进行学习，难点内容重点以课堂线下教学为主渠道进行讲解和讨论，通过学生提问老师的方式实现知识的互动和传递，充分调动学生学习的积极性。另外，教师还可以开展AI智能虚拟模式特色教学，在高科技教室实施常规授课与远程联网双导师课堂教学，利用视频电话与其他名师面对面，带给学生不一样的学习体验和学習效果。

（二）AI技术加强“双创”理念融合

创新创业教育是新时代新工科高等教育改革发展的要求，食品专业是典型的应用型工科专业，在食品专业教学中融入“双创”教育，是食品类教育教学的新突破，是食品类工程人才培养模式的新探索。在食品化学课程的教学过程中，教师可以通过介绍课程相关知识发展兴衰史，引导学生认识创新的重要性。比如，氢化油的发现和应用经历了不断的发展和演变，从20世纪初氢化油成为动物性脂肪的替代品在食品工业中开始流行，到20世纪八九十年代研究发现食用氢化油与低密度脂蛋白胆固醇水平升高存在联系，再到美国FDA在20世纪90年代开始限制氢化油的使用以保护公众健康，说明人类对事物的认识都有一个发展过程，我们要始终保持开拓进取的精神，打破传统认知，不断创新，这样才能发现科学的真谛。

同时，也可以利用人工智能技术加强实践教学，鼓励师生积极参与创新活动和创业实践。比如，建立科研团队，充分利用计算机智能化资源，用论文报告、小发明、小创造等进行成果展示，解决实际存在的复杂的工程问题，培养学生智能创新、智能思维以及智能自主学习的能力。

总之，AI技术的融入对培养既有工程技术基础又有创新创业应用能力的拔尖人才具有重大的促进作用，可以满足新工科浪潮下智能时代的人才需求。

（三）AI技术与思政教育双向赋能

2016年，习近平总书记在全国高校思想政治工作会议中指出，“要用好课堂教学这个主渠道”。在新工科建设的背景下，将思政育人融入理论性较强的专业课程，形成协同效应，是高校培养新时代人才的有效手段。因而，作为食品专业的重要课程，教师应将课程思政贯穿食品化学课程的整个教学过程，将立德树人落到实处，正确塑造学生的人生观、世界观和价值观。

在食品化学课程教学中融入“AI+思政教育”，可以达到以下五个教学目标（如图1所示）：一是通过学习化学过程、反应机理及其影响因素，激发学生对科学精神的认识和敬畏之情，鼓励他们以创新和开拓的精神面对未来的挑战。二是通过向学生介绍食品化学工业的发展历程，培养学生建立以中国特色的社会主义唯物辩证思维、全局思维、创新思维为基础的思维方式，探究复杂工程问题并提高实践能力，运用科学原理和方法探索解决方案。三是通过讲解食品化学工业安全事故，扩展油脂工艺安全操作、设备安全系统设置等延伸知识，增强学生的安全生产和社会责任意识。四是结合人工智能等新科技，鼓励学生积极参与到国家现代化建设中，投身于科技创新和社会进步的事业中。五是通过学习我国航天润滑油的发展历程，激发学生的爱国情怀和社会担当，以努力学习和创新为祖国科技发展做出贡献。

总之，人工智能结合思政育人模式突破了课堂教学的时空限制，不再局限于教师的口头传递，使思政元素渗透得更加灵活，可润物无声、潜移默化地实现育人目的。

（四）AI技术拓展国际视野和竞争力

食品化学课程是食品专业基础必修课，贯穿专业学习始终。例如，高级食品化学课程作为硕士研究生的基础学位课，授课对象是硕士研究生，这是一门双语授课课程，在后续的科研学习中需要能够直接阅读英语文献，及时了解最新的国际科研动态。所以，教师在教授高级食品化学双语课程时，目的不再局限于对某些专业词汇进行简单的翻译和背诵，而是教会学生能够利用先进的人工智能技术，提高大数据系统网络资源的使用效率。

教师可以采用AI技术，使教学方法变得多元化，如利用英文原版图片、动画、短视频等形式，使学生能够更直观地加强对食品化学相关知识和现象的理解；鼓励学生以英文思维进行实验设计和相关汇报，提高学生的学术英语水平，并使他们了解食品化学领域的最新发展动态和进展。此外，在高级食品化学课程的双语教学中使用人工智能技术，还可以提升学生的自我学习能力和创新能力，提高学生使用英语与国外同行进行专业技术交流的能力，进一步提高学生的国际竞争力。

综上，新工科对高校食品专业的人才培养提出了更高的要求，在此背景下，教学模式的改革是专业发展的必然之路，也是提高教学质量的关键环节。食品化学课程是食品专业尤其是食品科学专业学生的重要必修课程，承担着帮助学生树立正确的三观、开拓创新思维和增强国际竞争力的重责。

人工智能作为催生教育结构变革的重要力量，正不断推动教育方式的变革和创新，让高校课程教育更加生动和精彩。目前，以人工智能为技术支持的新工科教育的培育和建设已广泛展开，也取得了一定的育人成效，但仍存在一些发展和实践的共性问题。我国AI的相关研究虽然起步早，但缺少从教育视角下对智能化教育的创造性、深度性研究以及对高端智慧硬件的研發支撑。当前，人工智能与思政教育融合的载体呈现表面化、浅层次和平庸化现象，未能充分体现人工智能所蕴含的科技感、未来感，在教学过程中利用智能化手段进行情感的双向互动不足，离高质量培育复合应用型工科人才还有一定差距。未来，高校要进一步优化人工智能赋能的教学科研管理体制，促进新工科食品专业教育的发展。

基金项目：广东省高等教育教学改革项目“基于慕课的《水产食品加工学》混合教学体系的构建”（粤教高函〔2020〕20号）；广东省在线开放课程“水产食品加工学”（粤教高函〔2019〕28号）。

作者简介：曹慧（1978-），女，教授，博士，研究方向为食品营养与安全。

张帆（1987-），女，讲师，博士，研究方向为食品营养与安全。

*通信作者：王辉（1993-），男，讲师，博士，研究方向为食品营养与安全。