基于CDIO模式的食品工程原理課程教改與探索

何志平 陳芳 鮑宗亮

近幾年來，隨著我國經(jīng)濟社會的發(fā)展，食品企業(yè)機械化程度不斷提高。例如食品的包裝，15年前在浙江的眾多中小企業(yè)中還大量采用人工包裝，但近年來，幾乎絕大部分企業(yè)都采用自動化包裝生產(chǎn)線進行機械化包裝，生產(chǎn)環(huán)節(jié)的自動化程度不斷提高。因此，食品專業(yè)人才培養(yǎng)要求也發(fā)生了變化，如何提高學生的實踐能力，成為高校育人模式改革的新方向。食品工程原理本質(zhì)是單元操作原理集合，是進行食品工藝設(shè)計、機械與設(shè)備設(shè)計及選型等課程的必備知識，是食品科學與工程專業(yè)的核心課程之一。本文主要對基于CDIO模式的食品工程原理課程的教學改革進行摸索，從而為食品工程原理的課程改革以及學生實踐能力提升提供參考。

一、CDIO工程教育模式概述

近年來，工業(yè)界逐漸認識到，由于嚴重脫離實踐，高校工程專業(yè)所培養(yǎng)的畢業(yè)生難以適應(yīng)現(xiàn)實工業(yè)生產(chǎn)的需要。高校工程教育必須主動調(diào)整人才培養(yǎng)模式，以滿足工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的需求。CDIO工程教育模式就是在這種情況下應(yīng)運而生的。

CDIO是2001年由美國麻省理工學院聯(lián)合瑞典的查爾姆斯技術(shù)大學、林克平大學以及皇家技術(shù)學院等3所高校共同開發(fā)的一種全新工程教育理念和實施體系。CDIO是英文單詞“構(gòu)思”（Conceive）、“設(shè)計”（Design）、“實施”（Implement）、“運行”（Operate）的縮寫。CDIO工程教育的設(shè)計靈感源于工程產(chǎn)品/系統(tǒng)的生命周期，注重培養(yǎng)學生掌握扎實的工程基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識，并在此基礎(chǔ)上將教育過程放到工程領(lǐng)域的具體情境中，通過貫穿整個人才培養(yǎng)過程的團隊設(shè)計和創(chuàng)新實踐訓(xùn)練，培養(yǎng)專業(yè)基礎(chǔ)扎實、職業(yè)道德高尚的新一代高水平工程師。

二、基于CDIO 的“食品工程原理”教學改革思路

食品工程原理核心教學內(nèi)容是“三種傳遞”，即熱量、質(zhì)量和動量傳遞。熱量傳遞以理論計算為主，因而應(yīng)多設(shè)計一些計算場景，增加學生的理論掌握程度。質(zhì)量傳遞和動量傳遞在食品企業(yè)中應(yīng)用比較普遍，比如物料干燥、輸送、固液離心處理、沉降、提取、攪拌等，因而需要進行實際操作來提升學生的動手能力。下面以物料干燥實驗來探討CDIO教育模式在“食品工程原理”教學中的應(yīng)用。

2.1 構(gòu)思階段

物料干燥是食品原料處理的重要單元操作，干燥過程可以分為水分擴散內(nèi)部控制和外部控制過程。內(nèi)部控制過程主要受到物料厚度、物料內(nèi)部空隙結(jié)構(gòu)、水分結(jié)合牢固程度等因素的影響，而外部控制過程主要受到空氣相對濕度的影響。不同物料干燥特性相差很大。學生通過查詢相關(guān)資料，并考慮到山核桃是浙江的特產(chǎn)，其物料干燥還比較落后，選擇新鮮山核桃進行干燥試驗，觀察干燥過程中含水量、水分比和干燥速度的變化。

2.2 設(shè)計階段

山核桃目前以自然晾曬和熱風干燥為主，干燥方式比較落后。學生在查詢其他物料干燥的基礎(chǔ)上，選擇不同大小的山核桃進行干燥試驗，考察物料尺寸對干燥速度、平衡含水量、有效水分擴散系數(shù)等干燥特性的影響。設(shè)置不同干燥溫度試驗，考察干燥溫度對干燥特性的影響，并利用阿倫尼烏斯公式，對不同溫度有效水分擴散系數(shù)進行回歸，并計算出山核桃的干燥活化能，從而從根源上了解物料的干燥特性。設(shè)置不同干燥方法，如間歇微波干燥、真空干燥、自然晾曬和熱風干燥對山核桃干燥特性的影響，在平衡干燥速度（時間消耗）、能量消耗和山核桃中不飽和脂肪酸變質(zhì)速度（營養(yǎng)消耗）的關(guān)系，嘗試建立高效合理的山核桃干燥工藝。

2.3 實施階段

食品工程原理是一門實踐性很強的課程，面對一些實際生產(chǎn)中的技術(shù)問題，需要通過實踐才能真正熟練掌握。學生按照設(shè)計的試驗方案進行山核桃干燥試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，山核桃尺寸對干燥時間幾乎沒有影響，卻對山核桃平衡含水量影響很大。通過與老師交流，得出不同大小山核桃干燥應(yīng)該在不同溫度下進行，應(yīng)該進行分級干燥。在進行溫度干燥時，學生先進行干燥曲線的繪制，發(fā)現(xiàn)溫度對干燥速度和平衡含水量影響顯著。從山核桃樣品的干燥要求來看，35℃進行干燥的樣品不達標，干燥溫度過高，干燥明顯變快，不飽和脂肪酸也快速上升，導(dǎo)致干燥樣品品質(zhì)下降，不利于后期加工。學生們在討論的基礎(chǔ)上認為45℃是山核桃最適宜的干燥溫度。在對干燥方法對山核桃干燥特性的影響實驗中，同學們可以觀察到干燥方法對山核桃干燥速度影響很大，同時通過干燥數(shù)據(jù)和機理分析，推斷出不同干燥方法對山核桃干燥熱量傳遞和水分傳遞的影響，從中篩選出綠色高效的工藝。通過山核桃干燥試驗的實施，能夠讓學生熟悉干燥特性的評價，并初步掌握干燥的機理，從而有利于提升學生對物料干燥知識的熟練程度和運用水平，從而大大提升學生的實踐能力。

三、結(jié)語

食品工程原理是食品專業(yè)的核心課程，但區(qū)別于其他課程，該門課程理論公式較少，而經(jīng)驗公式較多，應(yīng)用場景復(fù)雜，具有極強的實踐性。學好食品工程原理能大大提升學生解決實際問題的能力。本文通過事先查詢相關(guān)資料，選擇具有特色的山核桃作為干燥原料，并通過試驗設(shè)計，串聯(lián)起常見的干燥知識，最后通過實驗實施，大大提升學生的實踐能力。本文采用CDIO工程教育模式，對食品工程原理課程進行改革探索，有利于提升食品工程原理的教學質(zhì)量，從而提升學生的實踐能力。

通訊作者：陳芳