以培養(yǎng)學生工程能力為導向的“食品工程原理”教學模式改革

李靜鵬，曾雪峰

（貴州大學 釀酒與食品工程學院，貴州 貴陽 550025）

食品工程原理是一門典型的工程學科，是化學工程原理的一個分支，也稱食品化學工程原理?！笆称饭こ淘怼闭n程作為食品類專業(yè)必修課之一，對培養(yǎng)學生的工程素養(yǎng)、設(shè)計水平、計算能力起到重要的奠基作用，但其理論知識難度高、單元操作復雜、實際應用困難，對學生的思維能力和數(shù)學計算能力有著較高的要求［1］，因此一直被學生認為是最難的食品類專業(yè)課程之一。因此，有必要在教學中以培養(yǎng)學生工程能力為導向，通過改進教學模式提高“食品工程原理”課程的教學質(zhì)量，解決學生在學習和掌握食品工程原理相關(guān)內(nèi)容上遇到的問題。

一、“食品工程原理”教學對培養(yǎng)學生工程能力的重要性

2016年我國順利加入《華盛頓協(xié)議》，標志著我國的工程教育獲得了國際認可，具備為工科學生提供廣闊發(fā)展平臺的能力，同時也對工程教育的質(zhì)量提出了更高的要求。工程教育的核心理念是以學生為中心，其根本目的是提高學生的工程能力，因為工程能力最能體現(xiàn)學生的課程學習深度，可以最大限度體現(xiàn)工科學生的專業(yè)技術(shù)水平及解決實際問題的能力。作為典型的工程學科，“食品工程原理”對培養(yǎng)和提高學生的工程能力至關(guān)重要。

但近年來本科生就業(yè)發(fā)展問題頻出，究其原因在于學生不得要領(lǐng)地了解或強行記住一些書本知識片段，在實際問題面前往往束手無策，結(jié)果導致學生能力同質(zhì)化，沒有能力特色，被認定為COPY型人才。與之相對的，具有工程素質(zhì)的人可以系統(tǒng)地掌握理論知識，并將其與實際問題緊密結(jié)合，進一步在具體實踐中將所學內(nèi)容融合、升華，最終有所探索和創(chuàng)新，這樣的人才就是工程型人才。工程型人才往往由研究、體驗和實踐獲得數(shù)學和自然科學知識，并通過發(fā)展性地應用這些知識經(jīng)濟合理地利用各種材料和自然力造福人類。其中，動態(tài)型工程師能夠抽象地運用所學科學知識解決高難度問題，進而將工程技術(shù)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力。開展“食品工程原理”課程教學的重要目標之一就是提高學生的工程能力，為批量培養(yǎng)工程師奠定基礎(chǔ)。

二、“食品工程原理”教學模式中存在的問題

“食品工程原理”以“化學工程原理”為基礎(chǔ)發(fā)展而來，是一門研究物質(zhì)與能量轉(zhuǎn)化過程規(guī)律的科學，兩門課程的核心知識均為“三傳一反”，因此可以將食品工程看作一種能與化學工程無縫交接的學問。由于食品物料與化工材料性質(zhì)不同，在化工單元操作技術(shù)的基礎(chǔ)上，又衍生出大量食品加工領(lǐng)域特有的單元操作方法：（1）多數(shù)食品材料具有熱敏性，容易氧化變質(zhì)，加工過程中要求低溫、缺氧，由此衍生得到真空過濾、真空冷卻、真空干燥、冷凍濃縮、冷凍干燥等單元操作。（2）食品材料易腐敗，濃縮食品、干制食品、冷凍食品和速凍食品是其主要加工形式，由此又衍生出冷凍濃縮、冷凍干燥、低溫冷凍等單元操作。（3）食品物料多為固態(tài)和液態(tài)，而化工上多為氣態(tài)，因此提取、分離、凈制、混合、乳化、粉碎等化工上少用的單元操作卻在食品工程方面占據(jù)著相當重要的地位。與化學工程原理相比，食品工程原理具有明顯的繁、雜、難的個性特征。

實際教學效果表明，學生對“食品工程原理”課程的掌握程度普遍較差，究其原因在于現(xiàn)有教學模式存在諸多問題：（1）食品工程原理同化學工程原理不同，它主要用于解決食品加工過程中的問題，其單元操作具有顯著的獨特性。當前化工方面的研究較多，教材內(nèi)容充實，實驗儀器、設(shè)備充足，反觀食品工程原理教學素材少，專用實驗儀器、設(shè)備落后，以化學工程設(shè)備為基礎(chǔ)進行少量演示性操作難以充分展現(xiàn)食品工程的獨特特征。（2）教學模式單一，多數(shù)高校仍以傳統(tǒng)的課上講解教學模式為主，教學過程往往“重理論、輕實踐”，導致學生工程思維發(fā)展和創(chuàng)新性培養(yǎng)受到嚴重制約。（3）食品工程原理具有較強的理論性，教學內(nèi)容涉及較多的公式推導和計算［2］，相對枯燥，學生的學習興致普遍不高。（4）“食品工程原理”課程涉及較多的單元操作，課程內(nèi)容與化學工程原理、高等數(shù)學、物理化學等多個學科聯(lián)系緊密［3］，學生只有在理解相關(guān)學科內(nèi)容的基礎(chǔ)上才能全面掌握這門課程，一旦出現(xiàn)知識短板就容易出現(xiàn)理解偏差，進而產(chǎn)生畏難、厭倦情緒。綜上，要提高“食品工程原理”課程的教學質(zhì)量，必須以培養(yǎng)學生的工程能力為導向，多方面、多角度開展教學模式改革。

三、以培養(yǎng)學生工程能力為導向的教學模式改革

食品專業(yè)課程教學應適應當前食品經(jīng)濟的發(fā)展形勢，發(fā)揮學科優(yōu)勢?！笆称饭こ淘怼闭n程的基本教學任務是介紹食品工業(yè)生產(chǎn)中主要單元操作的基本原理、內(nèi)在規(guī)律、計算方法和常用設(shè)備，并使學生能夠利用所學知識解決生產(chǎn)過程中的工程運算、設(shè)備選用等實際問題。為得到更好的課程教學成果，應以培養(yǎng)學生工程能力為導向，通過多個板塊協(xié)作的方式優(yōu)化和改進現(xiàn)有教學條件和方法。具體可以從課堂教學、實踐教學及相關(guān)配套教學三個方面實施改革措施，整體教學模式改革設(shè)計思路如圖1所示。

圖1 “食品工程原理”教學模式改革設(shè)計思路

（一）課堂教學模式改革

“食品工程原理”課堂教學自然要以食品工程原理的相關(guān)知識為主，但僅僅講授這門課程要求學生掌握的知識是不足的，還需同步補充高等數(shù)學、物理化學、食品機械以及部分食品專業(yè)的知識來輔助學生深入理解課程內(nèi)容。特別是與工程能力相關(guān)的內(nèi)容，既是難點又是重點，在教學中必須特別補充。相關(guān)學科知識的補充方式可以從以下兩方面進行：一方面，教學中反復提及的總體知識點應集中在緒論中講解，如數(shù)學基礎(chǔ)、量綱分析、解決實際問題的方法論等；另一方面，部分單元操作涉及的專業(yè)知識點應在相關(guān)內(nèi)容處補充，如微積分思想、工程制圖方法、食品機械原理等。在上述教學模式的基礎(chǔ)上，還要結(jié)合食品工業(yè)特點以培養(yǎng)學生工程能力為導向細化教學工作。根據(jù)食品學科特點與化學工程區(qū)分，重點講授流體流動、傳熱、傳質(zhì)等核心單元操作，使學生掌握基本概念、理論和規(guī)律［4］。同時，根據(jù)教學環(huán)節(jié)特點采用理論結(jié)合案例的方式，從生活中常見的物理現(xiàn)象或?qū)嶋H生產(chǎn)問題出發(fā)引導學生獨立思考，激發(fā)學生的工程思維潛力。

（二）實踐教學模式改革

“食品工程原理”課程的性質(zhì)很容易導致教學內(nèi)容過于理論化，必須明確規(guī)定實踐教學在“食品工程原理”教學中的重要地位［5］。實踐教學模式的設(shè)定應兼顧知識目標和技能目標，充分覆蓋各個關(guān)鍵知識點，從虛擬仿真實驗、課程設(shè)計、工廠實習、實操實驗等四個方面進行全面改革。

虛擬仿真實驗是通過創(chuàng)建與現(xiàn)實類似的實驗環(huán)境來滿足教學過程中的情景化需求［6］。食品工程原理的虛擬仿真實驗是運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)來模擬工程實驗環(huán)境和操作過程，從單元操作的實際需求出發(fā)，將復雜的實驗現(xiàn)象通過3D虛擬仿真形式直觀展現(xiàn)。在教學過程中將課堂教學內(nèi)容與虛擬仿真實驗相結(jié)合，穿插開展互動演練，形象地為學生展示工程實驗原理和關(guān)鍵操作，增強學生的沉浸感，提高學習積極性和主動性，降低錯誤操作帶來的安全風險，從而大幅度提高教學質(zhì)量。

課程設(shè)計對于培養(yǎng)和強化學生的工程能力具有極其重要的作用，因此一直是實踐教學模式改革的重點工作內(nèi)容。課題設(shè)計工作通常以多人自由合作形式開展，要求學生結(jié)合食品專業(yè)領(lǐng)域知識自選課題，協(xié)作完成課題任務，最后提交工程設(shè)計圖紙并現(xiàn)場解說和展示成果。除采用上述常規(guī)方法開展課題設(shè)計教學外，還可以借助計算機Excel軟件布置一系列開放性的電子作業(yè)課題，加深學生對課程知識的理解，培養(yǎng)創(chuàng)新意識，提高其解決實際問題的能力。例如，給定一系列管徑和流體黏度，讓學生充分發(fā)揮想象力計算不同流速下的雷諾數(shù)，進而繪制管徑-雷諾數(shù)圖及摩擦因數(shù)圖，動態(tài)展示管內(nèi)層流和湍流現(xiàn)象，進一步與傳熱學知識相結(jié)合探索升溫過程對流體流動現(xiàn)象的影響。工程能力訓練中，學生根據(jù)自身對知識問題的認識深度設(shè)定運算難度和復雜性，盡可能深入地掌握工程運算的基本思想和方法。

工廠實習可以有效提高學生的工程能力和創(chuàng)造力，是工科教學不可或缺的重要環(huán)節(jié)。在這方面，各大高校院所在長期實踐教學中積累了大量經(jīng)驗，但在“食品工程原理”課程教學中普遍存在工廠實習課題與課程相關(guān)性不高、教學內(nèi)容針對性較差的問題。要想解決上述問題，教師必須在學生進行實地實習前做好充分準備，實地考察諸多食品工廠后選出其中具有代表性的食品工程實踐教學課題［7］，同時提前協(xié)助學生歸納總結(jié)罐頭制造、果汁生產(chǎn)、啤酒釀造、肉干加工等食品生產(chǎn)線的通用單元操作，引導學生將復雜的工程理論知識與工廠實際情況相結(jié)合，以便充分利用實習環(huán)節(jié)提升工程問題的處理能力。

實操實驗是對常規(guī)課堂教學模式的重要補充，學生在積極主動參與實操實驗過程中進行探索性學習，驗證和拓展理論知識外延。目前，部分院校擁有的食品工程原理實操實驗儀器儲備不足，常常需要借用化工設(shè)備開展食品工程原理驗證實驗。雖然兩門課程教學的核心原理異曲同工，但化工設(shè)備畢竟不同于食品器械，基于化工設(shè)備的實操演練內(nèi)容難以覆蓋食品專業(yè)特征，學生的工程能力提升效果有限。因此，根據(jù)食品專業(yè)特征補充購入新型食品工程原理教學設(shè)備來提高教學內(nèi)容的針對性，應成為“食品工程原理”教學改革的重要內(nèi)容。

（三）配套教學模式改革

配套教學模式改革主要從優(yōu)化教學大綱和完善工程能力評價標準兩個方面著手。教學大綱內(nèi)容首先要滿足學生畢業(yè)所需的各個基本指標，符合食品學科專業(yè)定位［8］，在此基礎(chǔ)上明確各部分教學內(nèi)容與具體食品工程能力提升項目的對應關(guān)系。在教學內(nèi)容與工程能力提升效果的相互校驗中不斷優(yōu)化教學大綱內(nèi)容，使其對教師授課具有更強的指引作用?！笆称饭こ淘怼苯虒W改革的重要目標是培養(yǎng)和提高學生解決工程問題的綜合能力，包括借助互聯(lián)網(wǎng)獲取數(shù)據(jù)參數(shù)的能力、多人溝通協(xié)作處理問題的能力、復雜數(shù)據(jù)分析處理能力、食品加工工藝設(shè)計能力等［9］。在堅持以學生發(fā)展為中心的核心理念下［10］，建立學生工程能力評價標準（見表1），將綜合工程能力數(shù)字化，為學生更有針對性地提高自身的工程能力水平提供理論依據(jù)。

表1 學生工程能力評價標準

結(jié)語

結(jié)合當前食品工業(yè)發(fā)展需求，從課堂教學、實踐教學、配套教學三個角度，全面、系統(tǒng)地開展“食品工程原理”教學模式改革具有重要意義。教學模式改革中應注重培養(yǎng)學生的綜合工程能力，優(yōu)化和完善相關(guān)教學內(nèi)容和考核標準，引導學生獨立思考，激發(fā)學習興趣，在實踐中不斷強化解決工程問題的能力，從而為推動食品工業(yè)發(fā)展提供工程素質(zhì)優(yōu)良的專業(yè)技術(shù)人才。