新工科背景下人工智能技術(shù)在食品化學(xué)課程教學(xué)中的實踐與探索

曹慧 艾超 滕慧 劉書成 張帆 王輝

面對復(fù)合型人才匱乏、新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)人才告急和高層次人才緊缺等問題，2017年我國提出了新工科教育改革。新工科建設(shè)是為了培養(yǎng)多元化、全方面、創(chuàng)新型的卓越工程人才，是服務(wù)國家戰(zhàn)略發(fā)展新需求的重要舉措。食品專業(yè)是關(guān)系國計民生的復(fù)合應(yīng)用型工科專業(yè)，在新工科背景下，將食品專業(yè)課程教學(xué)和人才綜合素質(zhì)培養(yǎng)與新工科建設(shè)充分融合，不僅能促進(jìn)新工科食品專業(yè)教育的發(fā)展，也能滿足新工科背景下理工復(fù)合型專業(yè)人才培養(yǎng)要求。

人工智能（Artificial Intelligence，簡稱AI）是一門前沿交叉學(xué)科，是利用計算機(jī)技術(shù)實現(xiàn)的人工智能化。食品化學(xué)課程是食品專業(yè)教學(xué)的必修內(nèi)容，然而，該課程理論知識復(fù)雜抽象，還有大量的專業(yè)英文詞匯，傳統(tǒng)的教學(xué)方法多存在教學(xué)內(nèi)容陳舊、教學(xué)方法枯燥、學(xué)生的主觀能動性差等問題。在教學(xué)中引入人工智能元素，有助于教學(xué)模式的創(chuàng)新與重塑，同時通過課程思政元素的融入、改進(jìn)授課方法和改革考核方式，可實現(xiàn)理論教學(xué)與思政教育的有機(jī)統(tǒng)一。

本文從新工科背景下食品化學(xué)課程教學(xué)概況、人工智能技術(shù)賦能高校食品專業(yè)課程教學(xué)的必要性、食品化學(xué)課程教學(xué)改革的策略等方面，對該課程近年的課程教學(xué)模式創(chuàng)新實踐與探索進(jìn)行了總結(jié)，以期為相關(guān)高等院校食品化學(xué)課程教學(xué)模式革新提供參考，為其它專業(yè)AI技術(shù)融入核心課程的教學(xué)模型革新提供實踐參考，為新工科視域下高素質(zhì)人才的培養(yǎng)提供理論依據(jù)與智力支持。

一、新工科背景下高校

食品化學(xué)課程教學(xué)概況

新工科為高等教育提出了新思路、新要求，在這樣的大趨勢下，食品專業(yè)課程建設(shè)的改革與創(chuàng)新必須順應(yīng)歷史的潮流，跟隨新工科建設(shè)的步伐，努力培養(yǎng)創(chuàng)新型綜合應(yīng)用人才。

人才的培養(yǎng)需要科學(xué)合理的課程體系進(jìn)行支撐，食品化學(xué)課程是食品專業(yè)尤其是食品科學(xué)與工程類專業(yè)的基礎(chǔ)必修課，特別是高級食品化學(xué)課程在食品化學(xué)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步深入探討食品中的化學(xué)成分、反應(yīng)機(jī)制、加工和儲存過程中的化學(xué)變化、食品質(zhì)量與安全、食品營養(yǎng)和功能等內(nèi)容，是一門理論與應(yīng)用緊密結(jié)合的專業(yè)課，對于培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、科學(xué)思維、技術(shù)創(chuàng)新等能力具有重要指導(dǎo)意義。

在食品化學(xué)課程的教學(xué)過程中，不僅理論知識體系龐大，涉及化學(xué)基本原理和反應(yīng)過程的內(nèi)容復(fù)雜、抽象，內(nèi)容交叉性、系統(tǒng)性、邏輯性強(qiáng)，還需要學(xué)生牢記大量的食品化學(xué)專業(yè)英文詞匯。傳統(tǒng)的教學(xué)方法多存在教學(xué)內(nèi)容陳舊、教學(xué)方法枯燥、課堂氣氛不活躍等問題，在進(jìn)行雙語教學(xué)時體現(xiàn)得更加嚴(yán)重。特別在涉及到運(yùn)用食品化學(xué)知識去分析和解決實際問題方面，存在的難題更為突出，導(dǎo)致很多學(xué)生普遍反映食品化學(xué)課程理論復(fù)雜、課堂枯燥、重點和難點較多、學(xué)習(xí)記憶困難，難以準(zhǔn)確把握學(xué)習(xí)的方法，進(jìn)而在學(xué)習(xí)過程中缺乏積極性和主動性。

傳統(tǒng)工科課程的教學(xué)一直秉承的是構(gòu)思能力（Conceive）、設(shè)計能力（Design）、實現(xiàn)能力（Implement）和運(yùn)作能力（Operate）的“CDIO”主體思想，但是隨著高新科技日新月異的發(fā)展以及新工科浪潮的推動，這種傳統(tǒng)的模式顯得理論化過強(qiáng)，導(dǎo)致學(xué)生的主觀能動性和實踐效果較差。因而，新工科背景下食品專業(yè)的教學(xué)模式需要不斷革新和轉(zhuǎn)變。

二、AI技術(shù)賦能高校

食品化學(xué)課程教學(xué)的重要性

人工智能（AI）技術(shù)是利用計算機(jī)的智能性進(jìn)行擬人化的思考，在教學(xué)中應(yīng)用AI技術(shù)，高智能的電腦語言教學(xué)系統(tǒng)可實現(xiàn)教學(xué)行為人格化、人機(jī)交互自然化、教學(xué)流程合理化以及任務(wù)多智能體。人工智能是未來引發(fā)教育變革的內(nèi)生動力，對解決教與學(xué)中的關(guān)鍵問題、改善教育管理的方法與實踐具有重要作用，并將有助于進(jìn)一步提高教育質(zhì)量、改善教育公平。

將人工智能的技術(shù)手段融入食品化學(xué)課程教學(xué)中，既符合當(dāng)下智能時代實際場域的需要，也滿足當(dāng)代大學(xué)生沉浸式、讀圖式、云端式學(xué)習(xí)的需要。在教學(xué)中引入人工智能的內(nèi)容，更有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維、科技素養(yǎng)，提高信息處理和解決問題的能力，為大學(xué)生未來的就業(yè)或創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新提供有力的支持。

三、AI技術(shù)融入高校

食品化學(xué)課程教學(xué)改革的策略

人工智能（AI）是加速高等教育發(fā)展的重要技術(shù)之一，目前世界各國已紛紛出臺政策加強(qiáng)AI在教育中的應(yīng)用，推動教學(xué)領(lǐng)域變革，構(gòu)建智能教學(xué)環(huán)境，探索智能教學(xué)模式，并開展多維度綜合性智能評價。

（一）AI技術(shù)促進(jìn)教學(xué)模式調(diào)整

落實“以學(xué)生為中心”的課程教學(xué)理念、關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)成效，已成為新工科建設(shè)的一大核心理念。以往由于食品化學(xué)課程內(nèi)容太多，涉及到很多抽象的概念、反應(yīng)原理及變化過程，傳統(tǒng)教學(xué)存在“教師中心、教材中心、課堂中心”的弊端，學(xué)生被動地接受知識，在課堂教學(xué)過程中缺乏生機(jī)和活力，參與感不足，學(xué)習(xí)效果不佳。

為了改變這一現(xiàn)狀，教師可以采用人工智能技術(shù)建立智能導(dǎo)師系統(tǒng)，創(chuàng)新教育方式與手段，形成“以學(xué)生為中心”的工程教育模式，增強(qiáng)師生互動，提高學(xué)生的參與度和積極性。教師可以利用智能的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)記錄學(xué)生的到課情況、課堂參與度、知識掌握情況、電子作業(yè)、學(xué)習(xí)活動記錄、學(xué)習(xí)評價信息等，為學(xué)生創(chuàng)建電子檔案，對他們進(jìn)行精確化分析，完成學(xué)習(xí)者建模，按照學(xué)生的不同個性特征和需要進(jìn)行個性化的教學(xué)和指導(dǎo)，重點發(fā)展學(xué)生自身的優(yōu)勢。此外，教師也可以利用AI技術(shù)建立每個課程體系相對完整的課程“模塊”，根據(jù)學(xué)習(xí)情況和培養(yǎng)目標(biāo)，從現(xiàn)有的課程“數(shù)據(jù)庫”中選擇合適的課程模塊，或者在已有的較為成熟的模塊中組合進(jìn)行教學(xué)設(shè)計，從而使教學(xué)活動更趨精品化。

為了改變傳統(tǒng)的單一教學(xué)模式，教師可以采用課內(nèi)課外相結(jié)合、線上線下相結(jié)合的模式。建立線上慕課平臺，共享課前預(yù)習(xí)知識點、思維導(dǎo)圖、視頻、作業(yè)、圖書等資料，方便學(xué)生提前進(jìn)行學(xué)習(xí)。相對容易的知識點可以放在課外或線上進(jìn)行學(xué)習(xí)，難點內(nèi)容重點以課堂線下教學(xué)為主渠道進(jìn)行講解和討論，通過學(xué)生提問老師的方式實現(xiàn)知識的互動和傳遞，充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。另外，教師還可以開展AI智能虛擬模式特色教學(xué)，在高科技教室實施常規(guī)授課與遠(yuǎn)程聯(lián)網(wǎng)雙導(dǎo)師課堂教學(xué)，利用視頻電話與其他名師面對面，帶給學(xué)生不一樣的學(xué)習(xí)體驗和學(xué)習(xí)效果。

（二）AI技術(shù)加強(qiáng)“雙創(chuàng)”理念融合

創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育是新時代新工科高等教育改革發(fā)展的要求，食品專業(yè)是典型的應(yīng)用型工科專業(yè)，在食品專業(yè)教學(xué)中融入“雙創(chuàng)”教育，是食品類教育教學(xué)的新突破，是食品類工程人才培養(yǎng)模式的新探索。在食品化學(xué)課程的教學(xué)過程中，教師可以通過介紹課程相關(guān)知識發(fā)展興衰史，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識創(chuàng)新的重要性。比如，氫化油的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用經(jīng)歷了不斷的發(fā)展和演變，從20世紀(jì)初氫化油成為動物性脂肪的替代品在食品工業(yè)中開始流行，到20世紀(jì)八九十年代研究發(fā)現(xiàn)食用氫化油與低密度脂蛋白膽固醇水平升高存在聯(lián)系，再到美國FDA在20世紀(jì)90年代開始限制氫化油的使用以保護(hù)公眾健康，說明人類對事物的認(rèn)識都有一個發(fā)展過程，我們要始終保持開拓進(jìn)取的精神，打破傳統(tǒng)認(rèn)知，不斷創(chuàng)新，這樣才能發(fā)現(xiàn)科學(xué)的真諦。

同時，也可以利用人工智能技術(shù)加強(qiáng)實踐教學(xué)，鼓勵師生積極參與創(chuàng)新活動和創(chuàng)業(yè)實踐。比如，建立科研團(tuán)隊，充分利用計算機(jī)智能化資源，用論文報告、小發(fā)明、小創(chuàng)造等進(jìn)行成果展示，解決實際存在的復(fù)雜的工程問題，培養(yǎng)學(xué)生智能創(chuàng)新、智能思維以及智能自主學(xué)習(xí)的能力。

總之，AI技術(shù)的融入對培養(yǎng)既有工程技術(shù)基礎(chǔ)又有創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)應(yīng)用能力的拔尖人才具有重大的促進(jìn)作用，可以滿足新工科浪潮下智能時代的人才需求。

（三）AI技術(shù)與思政教育雙向賦能

2016年，習(xí)近平總書記在全國高校思想政治工作會議中指出，“要用好課堂教學(xué)這個主渠道”。在新工科建設(shè)的背景下，將思政育人融入理論性較強(qiáng)的專業(yè)課程，形成協(xié)同效應(yīng)，是高校培養(yǎng)新時代人才的有效手段。因而，作為食品專業(yè)的重要課程，教師應(yīng)將課程思政貫穿食品化學(xué)課程的整個教學(xué)過程，將立德樹人落到實處，正確塑造學(xué)生的人生觀、世界觀和價值觀。

在食品化學(xué)課程教學(xué)中融入“AI+思政教育”，可以達(dá)到以下五個教學(xué)目標(biāo)（如圖1所示）：一是通過學(xué)習(xí)化學(xué)過程、反應(yīng)機(jī)理及其影響因素，激發(fā)學(xué)生對科學(xué)精神的認(rèn)識和敬畏之情，鼓勵他們以創(chuàng)新和開拓的精神面對未來的挑戰(zhàn)。二是通過向?qū)W生介紹食品化學(xué)工業(yè)的發(fā)展歷程，培養(yǎng)學(xué)生建立以中國特色的社會主義唯物辯證思維、全局思維、創(chuàng)新思維為基礎(chǔ)的思維方式，探究復(fù)雜工程問題并提高實踐能力，運(yùn)用科學(xué)原理和方法探索解決方案。三是通過講解食品化學(xué)工業(yè)安全事故，擴(kuò)展油脂工藝安全操作、設(shè)備安全系統(tǒng)設(shè)置等延伸知識，增強(qiáng)學(xué)生的安全生產(chǎn)和社會責(zé)任意識。四是結(jié)合人工智能等新科技，鼓勵學(xué)生積極參與到國家現(xiàn)代化建設(shè)中，投身于科技創(chuàng)新和社會進(jìn)步的事業(yè)中。五是通過學(xué)習(xí)我國航天潤滑油的發(fā)展歷程，激發(fā)學(xué)生的愛國情懷和社會擔(dān)當(dāng)，以努力學(xué)習(xí)和創(chuàng)新為祖國科技發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

總之，人工智能結(jié)合思政育人模式突破了課堂教學(xué)的時空限制，不再局限于教師的口頭傳遞，使思政元素滲透得更加靈活，可潤物無聲、潛移默化地實現(xiàn)育人目的。

（四）AI技術(shù)拓展國際視野和競爭力

食品化學(xué)課程是食品專業(yè)基礎(chǔ)必修課，貫穿專業(yè)學(xué)習(xí)始終。例如，高級食品化學(xué)課程作為碩士研究生的基礎(chǔ)學(xué)位課，授課對象是碩士研究生，這是一門雙語授課課程，在后續(xù)的科研學(xué)習(xí)中需要能夠直接閱讀英語文獻(xiàn)，及時了解最新的國際科研動態(tài)。所以，教師在教授高級食品化學(xué)雙語課程時，目的不再局限于對某些專業(yè)詞匯進(jìn)行簡單的翻譯和背誦，而是教會學(xué)生能夠利用先進(jìn)的人工智能技術(shù)，提高大數(shù)據(jù)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)資源的使用效率。

教師可以采用AI技術(shù)，使教學(xué)方法變得多元化，如利用英文原版圖片、動畫、短視頻等形式，使學(xué)生能夠更直觀地加強(qiáng)對食品化學(xué)相關(guān)知識和現(xiàn)象的理解；鼓勵學(xué)生以英文思維進(jìn)行實驗設(shè)計和相關(guān)匯報，提高學(xué)生的學(xué)術(shù)英語水平，并使他們了解食品化學(xué)領(lǐng)域的最新發(fā)展動態(tài)和進(jìn)展。此外，在高級食品化學(xué)課程的雙語教學(xué)中使用人工智能技術(shù)，還可以提升學(xué)生的自我學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力，提高學(xué)生使用英語與國外同行進(jìn)行專業(yè)技術(shù)交流的能力，進(jìn)一步提高學(xué)生的國際競爭力。

綜上，新工科對高校食品專業(yè)的人才培養(yǎng)提出了更高的要求，在此背景下，教學(xué)模式的改革是專業(yè)發(fā)展的必然之路，也是提高教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。食品化學(xué)課程是食品專業(yè)尤其是食品科學(xué)專業(yè)學(xué)生的重要必修課程，承擔(dān)著幫助學(xué)生樹立正確的三觀、開拓創(chuàng)新思維和增強(qiáng)國際競爭力的重責(zé)。

人工智能作為催生教育結(jié)構(gòu)變革的重要力量，正不斷推動教育方式的變革和創(chuàng)新，讓高校課程教育更加生動和精彩。目前，以人工智能為技術(shù)支持的新工科教育的培育和建設(shè)已廣泛展開，也取得了一定的育人成效，但仍存在一些發(fā)展和實踐的共性問題。我國AI的相關(guān)研究雖然起步早，但缺少從教育視角下對智能化教育的創(chuàng)造性、深度性研究以及對高端智慧硬件的研發(fā)支撐。當(dāng)前，人工智能與思政教育融合的載體呈現(xiàn)表面化、淺層次和平庸化現(xiàn)象，未能充分體現(xiàn)人工智能所蘊(yùn)含的科技感、未來感，在教學(xué)過程中利用智能化手段進(jìn)行情感的雙向互動不足，離高質(zhì)量培育復(fù)合應(yīng)用型工科人才還有一定差距。未來，高校要進(jìn)一步優(yōu)化人工智能賦能的教學(xué)科研管理體制，促進(jìn)新工科食品專業(yè)教育的發(fā)展。

基金項目：廣東省高等教育教學(xué)改革項目“基于慕課的《水產(chǎn)食品加工學(xué)》混合教學(xué)體系的構(gòu)建”（粵教高函〔2020〕20號）；廣東省在線開放課程“水產(chǎn)食品加工學(xué)”（粵教高函〔2019〕28號）。

作者簡介：曹慧（1978-），女，教授，博士，研究方向為食品營養(yǎng)與安全。

張帆（1987-），女，講師，博士，研究方向為食品營養(yǎng)與安全。

*通信作者：王輝（1993-），男，講師，博士，研究方向為食品營養(yǎng)與安全。