汪昌保,程軼群,孫柯,杭華
安徽師范大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院(蕪湖 241002)
隨著我國社會和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,食品科學(xué)教育與研究日益受到廣泛重視。截至2016年我國高等學(xué)校中,開設(shè)食品科學(xué)相關(guān)專業(yè)的院校已達(dá)280多所,每年有將近1萬名食品專業(yè)類畢業(yè)生服務(wù)于食品行業(yè)[1]。食品工程原理(Principles of Food Engineering)是食品科學(xué)相關(guān)專業(yè)的一門核心課和重要的專業(yè)基礎(chǔ)課,該課程涵蓋基礎(chǔ)知識面較廣、理論公式較多、計算推理過程復(fù)雜,與多學(xué)科存在交叉并且與工程實際聯(lián)系緊密;主要培養(yǎng)學(xué)生運用各種技術(shù)手段來分析和解決各種食品工程實際問題的能力,逐步培養(yǎng)工程意識和思維。該課程主要內(nèi)容包括食品加工過程中的流體、傳熱、傳質(zhì)與干燥等單元操作的基本原理、典型設(shè)備、設(shè)備選型設(shè)計和工程計算。這些艱澀繁雜的理論和計算,常會使國內(nèi)外食品專業(yè)的大學(xué)生抱怨這門課程難學(xué)、枯燥乏味、難得要領(lǐng)。因此,為了提高該課程的教學(xué)質(zhì)量,國內(nèi)外的食品教育工作者一直在對該課程的教學(xué)進(jìn)行各種研究探索與改革創(chuàng)新,積累了許多寶貴的經(jīng)驗。根據(jù)食品工程原理課程國內(nèi)外教學(xué)研究發(fā)展現(xiàn)狀,從教材、教師、學(xué)生、教學(xué)方法、教學(xué)效果以及工程教育認(rèn)證等方面,對該課程的教學(xué)研究與改革探索做了全面概述,并探討了該課程發(fā)展中存在的一些共性問題,以期為深化該課程的教學(xué)研究與改革實踐提供合理依據(jù)和科學(xué)參考。
教材是教學(xué)活動的基本參考和依據(jù)。經(jīng)過幾十年的發(fā)展,國內(nèi)外食品工程原理課程的教材編著取得了顯著的成就。國外以美國加州大學(xué)戴維斯分校的Singh Paul 教授等主編的《Introduction to Food Engineering(食品工程導(dǎo)論)》最受歡迎,初版問世于1984年,第5版于2013年8月出版發(fā)行,內(nèi)容主要按照單元操作共分15章,包括緒論、食品加工中的流體輸送、資源的持續(xù)性、食品加工中的傳熱、保藏過程、制冷、食品冷凍、蒸發(fā)、濕度測定、傳質(zhì)、膜分離、干燥、補(bǔ)充過程、食品擠壓過程、包裝概念[2]。美國佐治亞大學(xué)的Toledo Romeo T.教授等主編的《Fundamentals of Food Process Engineering(食品加工工程基礎(chǔ))》初版問世于1991年,第4版于2018年出版發(fā)行,全書按照單元操作分為14章,包括食品加工中數(shù)學(xué)原理及其應(yīng)用綜述、單位與度量、物質(zhì)守恒、氣體與蒸汽、能量守恒、流體輸送、傳熱、食品化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)、熱過程計算、制冷、蒸發(fā)、干燥、物理分離過程、萃取[3]。新西蘭梅西大學(xué)的Earle R. L.教授主編的《Unit Operations in Food Engineering(食品工程單元操作)》初版問世于1966年,第2版于1983年出版發(fā)行[4]。還有西班牙萊里達(dá)大學(xué)的Ibarz Albert教授等主編的《Unit Operations in Food Engineering(食品工程單元操作)》,分為22章,于2002年出版發(fā)行[5]。國內(nèi)現(xiàn)有15部教材20多個版本,也是以三傳理論和食品單元操作為主要內(nèi)容,基本上反映了該課程的發(fā)展歷程和特點,其中李云飛、馮骉、劉偉民、姜淑榮等編著的教材,均有多個版本問世,比較受歡迎[6]??v觀國內(nèi)外食品工程原理教材的發(fā)展,我們可以發(fā)現(xiàn),大多數(shù)教材均以物質(zhì)和能量守恒為基礎(chǔ),三傳理論為主線,單元操作為核心。食品工程原理教材起源于化工原理,甚至以前部分學(xué)校直接就選用化工原理教材作為食品科學(xué)本科專業(yè)的教材。與現(xiàn)行化工原理教材比較,我們可以發(fā)現(xiàn),食品工程原理教材內(nèi)容與其有著許多共通之處?,F(xiàn)行食品工程原理教材也有了一些明顯進(jìn)步,更加聚焦于食品加工過程中的科學(xué)問題,食品工業(yè)中的應(yīng)用實例不斷增加,新技術(shù)不斷增加。教材的層次也逐漸增加,可以滿足不同層次的教學(xué)需求。
食品工程原理的教學(xué)內(nèi)容從形式可分為基礎(chǔ)理論課堂教學(xué)、課程設(shè)計教學(xué)和試驗實踐教學(xué)等三種形式。在教學(xué)內(nèi)容構(gòu)成上,國內(nèi)外大學(xué)都將流體流動與輸送、傳熱、干燥等單元操作作為課堂教學(xué)的重點。國外大學(xué)的理論教學(xué)內(nèi)容更為系統(tǒng)化、多樣化,側(cè)重傳熱的單元操作;國內(nèi)大學(xué)教學(xué)內(nèi)容側(cè)重傳質(zhì)的單元操作[7]。在教學(xué)學(xué)時上,國外大學(xué)的課堂學(xué)時相對較少,學(xué)生課外所需學(xué)習(xí)時間較多;國內(nèi)大學(xué)的課堂學(xué)時較多,學(xué)生課外學(xué)習(xí)自由度大。因此,綜合國內(nèi)外食品工程原理教學(xué)內(nèi)容現(xiàn)狀,可依如下原則優(yōu)化該課程教學(xué)內(nèi)容:三傳理論為主,物質(zhì)能量守恒為輔;基本原理為主,單元操作為輔;傳熱為主,傳質(zhì)、傳動為輔;理論教學(xué)為主,試驗與設(shè)計教學(xué)為輔。
對于食品工程原理課程,教師的引導(dǎo)、示范和啟發(fā)對于學(xué)生激發(fā)對該課程的興趣,克服畏難情緒,提高學(xué)習(xí)效果均可產(chǎn)生積極作用。首先,從教師的個人背景來看,擁有一定工程實踐工作經(jīng)歷,會有助于更好地把握本課程的工程意識培養(yǎng)要求。如果不具備這一條件,可通過聘請企業(yè)高級技術(shù)人員或具有食品工程技術(shù)背景的高級工程師參與部分課程的教學(xué)活動的形式,加以解決。其次,從教學(xué)理念上來說,以學(xué)生為中心、成果導(dǎo)向(Outcome based education,OBE)和質(zhì)量持續(xù)改進(jìn),這一現(xiàn)代國際工程教育的核心理念,也將是講授本課程的教師的主要指導(dǎo)理念,并以合理的形式貫徹于自己的教學(xué)實踐中。這需要教師不斷地更新自身的教育理念。最后,從教學(xué)方法上來說,繁雜的工程理論體系和各種單元操作知識的碎片化必然要求教學(xué)方法的多樣化。為了將一些比較抽象的內(nèi)容和概念講清楚,讓學(xué)生理解透徹,以更直觀、生動的教學(xué)素材,來呈現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容是十分必要的。但是對一些經(jīng)典公式的板書推理,仍然是不可缺少的,也可以采用多媒體手段,一步一步慢慢呈現(xiàn)整個理性思維過程。因此,這需要教師具有扎實的教學(xué)基本功,不斷地提高自身的教學(xué)基本技能。國外高等學(xué)校一般要求從事該課程教學(xué)的教師具有博士學(xué)位,多為教師和其教學(xué)輔助人員共同完成該課程的教學(xué)工作。
學(xué)生是教學(xué)活動的中心,學(xué)生的學(xué)習(xí)成果也是衡量教學(xué)效果的基本參考。現(xiàn)階段我國本??齐A段教學(xué),分為三個層次。一是高水平大學(xué)本科教學(xué),二是普通本科教學(xué),最后是高職層次教學(xué)。顯然針對不同層次的學(xué)生,我國歷來有倡導(dǎo)因材施教的傳統(tǒng)。因材施教,不僅適用于不同層次高校的學(xué)生教學(xué),也適用于同一層次高校不同學(xué)生的教學(xué)。高水平大學(xué)工程本科教育的培養(yǎng)目標(biāo)是食品卓越工程師。這些大學(xué)的學(xué)生生源優(yōu)秀,學(xué)生擁有很高的個人綜合素質(zhì)和學(xué)習(xí)能力。從學(xué)生畢業(yè)后的職業(yè)規(guī)劃來看,許多學(xué)生會進(jìn)行深造,或從事科學(xué)研究工作,他們對本課程的基礎(chǔ)理論、社會實踐和科學(xué)研究都有需求。因此,本課程的教學(xué)應(yīng)以基礎(chǔ)理論、前沿技術(shù)及創(chuàng)新能力培養(yǎng)為重點,并兼顧后續(xù)職業(yè)發(fā)展需求。普通本科大學(xué)培養(yǎng)的目標(biāo)是食品工程師。這些學(xué)校的學(xué)生生源良好,學(xué)生的學(xué)習(xí)起點較高,學(xué)習(xí)能力較強(qiáng),個人職業(yè)發(fā)展具有多樣化,許多學(xué)生具有考研和就業(yè)的不同需求。因此,本課程的教學(xué)應(yīng)以基礎(chǔ)理論和主流技術(shù)為重點,兼顧創(chuàng)新能力培養(yǎng)。高等職院校培養(yǎng)的目標(biāo)是實用型現(xiàn)場工程師,服務(wù)食品工業(yè)現(xiàn)代化生產(chǎn)。其學(xué)生生源結(jié)構(gòu)差異較大,學(xué)習(xí)起點具有多樣性。在教學(xué)上,需要緊密聯(lián)系食品工業(yè)生產(chǎn)實際,以食品企業(yè)實際應(yīng)用較多單元操作作為教學(xué)重點,注重培養(yǎng)學(xué)生動手解決食品生產(chǎn)實際工程問題的能力。因此,本課程的教學(xué)應(yīng)以基礎(chǔ)理論和實用技術(shù)為重點,兼顧解決問題能力培養(yǎng)。國外高等學(xué)校對食品工程原理的教學(xué)一般分為理論和試驗兩個部分,主要培養(yǎng)學(xué)生的交流、批判思維、解決問題能力和工程能力。
教學(xué)方法是教師課堂教學(xué)的策略和實現(xiàn)的形式。針對不同的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)對象,教學(xué)方法使用得當(dāng),可以起到良好的教學(xué)效果。傳統(tǒng)教學(xué)方法,即講授式教學(xué)(Lecture based learning,LBL),是以教師講課為中心,一般采取大班式教學(xué)。講授式教學(xué)的優(yōu)點是傳授知識具有準(zhǔn)確性、系統(tǒng)性和連貫性,教學(xué)效率較高,目前仍為應(yīng)用最廣泛的一種教學(xué)法;其缺點是不利于調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和培養(yǎng)學(xué)生的獨立思考能力,學(xué)生對所學(xué)知識的遷移與運用能力欠缺。食品工程原理課程單元操作眾多,內(nèi)容繁雜,抽象化概念和原理較多,工程實例差異大,單靠傳統(tǒng)教學(xué)方法很難將所有問題講清楚。為了提高食品工程原理課程的教學(xué)質(zhì)量,國內(nèi)外教育工作者對該課程的教學(xué)方法、教學(xué)模式和教學(xué)理念等進(jìn)行了許多有益的創(chuàng)新和探索。一些新型的教學(xué)方法和教學(xué)理念不斷涌現(xiàn),運用互聯(lián)網(wǎng)、多媒體將一些食品工程原理中難以簡單描述的抽象教學(xué)內(nèi)容,以圖片、動畫、視頻等圖文并茂的形式展示出來,以提高學(xué)生的興趣和理解。
從教學(xué)方法上看,在食品工程原理課程的教學(xué)過程中,采用問題式教學(xué)法,通過引導(dǎo)學(xué)生產(chǎn)生問題、分析問題、回答和解決問題,從而培養(yǎng)學(xué)生主動獲取專業(yè)知識的能力。例如在講解干燥單元操作中的空氣焓濕圖時,可以提問為什么奶粉置于空氣中,夏天比冬天更易吸潮結(jié)塊?讓學(xué)生從解答具體問題來獲得所學(xué)知識和技能[8]。采用案例式教學(xué)法,通過精煉生活或生產(chǎn)的案例為教學(xué)素材,讓學(xué)生理解食品工程原理的概念、定理、公式的內(nèi)涵,掌握其原理和相關(guān)應(yīng)用。例如講解傳熱中傳熱系數(shù)概念時,可設(shè)計案例:夏季在維持20 ℃的室內(nèi)工作,穿單衣感到舒適,而冬季在保持22 ℃的室內(nèi)工作時,卻必須穿絨衣才覺得舒服,引導(dǎo)學(xué)生理解和記憶傳熱系數(shù)的內(nèi)涵[9]。采用啟發(fā)式教學(xué)法,通過層層遞進(jìn)的設(shè)置情景、提問、啟發(fā),來培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題和創(chuàng)新的能力。例如在講離心泵時,以“人往高處走,水往低處流”開篇;再提出問題:在食品工業(yè)生產(chǎn)中我們常需要把低位的液體送到高處、把低壓的液體送到高壓容器,該怎么辦?從而引出離心泵[10]。采用研討式教學(xué)法,通過擬定與課程相關(guān)的研究討論課題,由學(xué)生組成小組,針對特定的研究課題,查閱文獻(xiàn),跟蹤本學(xué)科國內(nèi)外研究前沿,在小組內(nèi)討論形成自己的觀點。以設(shè)計換熱器為例,指導(dǎo)學(xué)生要通過查閱《物性手冊》查到相應(yīng)物料的參數(shù),選擇合適的加熱介質(zhì);根據(jù)傳熱章節(jié)的主要原理和公式,計算設(shè)計需要的傳熱介質(zhì)的溫度和量及傳熱面積,再計算出需要傳熱管數(shù),傳熱管的內(nèi)徑、外徑、長度等一系列參數(shù),設(shè)計出一個達(dá)到生產(chǎn)要求的換熱器[11]。通過這些教學(xué)方法的單獨或聯(lián)合使用,以提高該課程的教學(xué)效果。
從教學(xué)模式上看,在食品工程原理教學(xué)過程中,采用翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式,以課前預(yù)習(xí)、課堂講解、分組討論、師生互動交流四個環(huán)節(jié)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的“教為主學(xué)為輔”的教學(xué)模式,提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力。例如在講解《管內(nèi)流體流動的摩擦阻力損失》時,要求學(xué)生提前觀看視頻,學(xué)習(xí)范寧通式(包括了層流和湍流時的摩擦系數(shù))、局部阻力的局部阻力系數(shù)法和當(dāng)量長度法。然后分組討論和交流層流和湍流時的摩擦系數(shù)的求法,掌握計算直管阻力系數(shù)時,必須先判斷流體在管內(nèi)的流動情況[12]。采用學(xué)生自主說課的模式,讓學(xué)生選擇具體單元操作作為說課內(nèi)容,通過收集和閱讀教材及文獻(xiàn)資料,制作PPT進(jìn)行說課,使學(xué)生自主認(rèn)知課程及其知識點,提高邏輯思維能力、正式場合語言交流與表達(dá)能力。例如學(xué)生根據(jù)自己興趣,自由選取說課內(nèi)容,如單元操作的知識點、學(xué)習(xí)體會或疑難點等,以小組推薦代表形式,在課堂上面對老師和同學(xué)進(jìn)行說課[13]。采用參觀實踐型教學(xué)模式,在學(xué)習(xí)完相應(yīng)單元操作章節(jié)知識點的基礎(chǔ)上,有針對性地選擇一些食品企業(yè)進(jìn)行參觀型實踐教學(xué),強(qiáng)烈的現(xiàn)場參與感可以觸發(fā)和增強(qiáng)大學(xué)生理論思維的興奮點,培養(yǎng)工程觀念。參觀飲料公司進(jìn)行水處理、流體流動和罐裝等單元操作的學(xué)習(xí);參觀研究所進(jìn)行的天然產(chǎn)物的提取、分離及純化等單元操作的學(xué)習(xí);參觀乳業(yè)公司進(jìn)行奶粉的均質(zhì)、殺菌、濃縮和噴霧干燥等單元操作的學(xué)習(xí)[14]。還有在食品工程原理課程教學(xué)中,采用慕課、雙語、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺以及微信等模式[15-18],豐富教學(xué)形式,提高學(xué)生參與度、自主性和興趣,培養(yǎng)學(xué)生的解決問題能力。而教育的國際化,以學(xué)生為中心的國際工程教育理念,要求我們必須在教學(xué)模式和方法上貫徹這一理念。國外大學(xué)的課堂教學(xué)形式主要是研討式、講授式和交流式等,注重學(xué)生參與、師生互動,培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新意識和交流技能等[19]。
綜上所述,在食品工程原理課程教學(xué)過程中,這些新方法、新模式及新理念的應(yīng)用,其優(yōu)點是調(diào)動了學(xué)生的主動性和興趣,提高了學(xué)生對所學(xué)知識的理解、記憶和運用能力;缺點是課堂內(nèi)容要少于傳統(tǒng)教學(xué)方法,知識體系系統(tǒng)性不強(qiáng),學(xué)生的注意力可能會偏向于解決問題的能力而忽略對知識點的學(xué)習(xí),導(dǎo)致學(xué)生基礎(chǔ)知識欠扎實,課外學(xué)習(xí)的時間和負(fù)擔(dān)加重。因此,將傳統(tǒng)教學(xué)方法和現(xiàn)代教育新方法相結(jié)合,取長補(bǔ)短,可以取得更好的教學(xué)效果。還可以借鑒國外高等學(xué)校的教學(xué)方法,其一般是課堂講授、討論式教學(xué)和實踐教學(xué)穿插進(jìn)行。對于食品工程原理教學(xué)方法的研究是無止境的,需要教師靈活選用、綜合運用,以達(dá)到最好的教學(xué)效果和提高食品工程人才培養(yǎng)質(zhì)量。
學(xué)生的學(xué)習(xí)成果是反映和評價教學(xué)改革效果的主要參考。如何客觀、公正地給出學(xué)生的學(xué)習(xí)成績,是進(jìn)行食品工程原理課程教學(xué)改革的重要內(nèi)容。從目前各學(xué)校普遍采用的考核內(nèi)容來看,食品工程原理課程的考核內(nèi)容分為平時成績、過程性考核成績和期末考試成績?nèi)齻€部分,三者分別占總成績的比例不盡相同,多數(shù)是平時成績和過程性考核成績占總成績的比例大于30%,期末考試成績占總成績的比例小于70%。平時成績考核內(nèi)容一般分為出勤和作業(yè);過程性考核主要包括自主回答問題、課堂上的表現(xiàn)的情況和小測試成績;期末考核采用閉卷考試,加強(qiáng)學(xué)生對重點知識的記憶和鞏固。多數(shù)學(xué)校已將食品工程原理的理論課程、實踐教學(xué)和課程設(shè)計分別獨立進(jìn)行考核,以更加全面地反映學(xué)生的學(xué)習(xí)成果。國外大學(xué)也基本上都是采用這一模式,理論、實踐和設(shè)計課程單獨考核,更強(qiáng)調(diào)學(xué)生的創(chuàng)新能力,其中期末考試的成績占比較低,一般在30%左右[20-21]。這一套學(xué)生成績的評價標(biāo)準(zhǔn)和體系,相對完善和公平,考核內(nèi)容也較為全面,側(cè)重于對學(xué)生整個學(xué)習(xí)過程的評價,把考核融入教學(xué)的全過程,有利于全面評價學(xué)生對食品工程原理課程理論與工程知識的學(xué)習(xí)和運用情況,也有利于反映教學(xué)過程中存在的問題,有利于教師的教學(xué)反思和持續(xù)改進(jìn)。
2016年6月,我國正式成為“華盛頓協(xié)議”成員,工程教育認(rèn)證成為我國各高校工科教育的新基準(zhǔn)。2017 年教育部提出“新工科”的概念,開啟了我國工程教育新的臺階。在此背景下,培養(yǎng)學(xué)生的工程素質(zhì)和工程能力成為食品工程原理課程教學(xué)改革的導(dǎo)向。食品工程原理是食品科學(xué)與工程專業(yè)的核心課,是體現(xiàn)食品科學(xué)相關(guān)專業(yè)工學(xué)特色的主要課程之一。因此其對食品專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)和畢業(yè)要求的達(dá)成十分重要。基于產(chǎn)出導(dǎo)向的教育理念,在食品工程原理課程中畢業(yè)要求的落實主要是通過教學(xué)大綱的制定與實施來實現(xiàn)的。在專業(yè)認(rèn)證中,教學(xué)大綱和教學(xué)設(shè)計等許多重要教學(xué)環(huán)節(jié)都是圍繞畢業(yè)要求(12條)的達(dá)成而進(jìn)行。
工程教育專業(yè)認(rèn)證對課程的教學(xué)大綱的制定提出了明確要求,即教學(xué)大綱應(yīng)明確:①課程目標(biāo);②課程目標(biāo)與相關(guān)畢業(yè)要求指標(biāo)點的對應(yīng)關(guān)系;③課程目標(biāo)與教學(xué)內(nèi)容和方法的對應(yīng)關(guān)系;④課程考核方式[22]。因此,食品工程原理的課程目標(biāo),根據(jù)OBE理念可制定為:學(xué)生學(xué)習(xí)本課程后應(yīng)具備知識、素質(zhì)和能力要求(表1)。課程目標(biāo)與畢業(yè)要求指標(biāo)點形成對應(yīng)關(guān)系,教學(xué)內(nèi)容與課程目標(biāo)也形成對應(yīng)關(guān)系,教學(xué)方法應(yīng)該支持課程目標(biāo)的達(dá)成(表2)。課程考核方式應(yīng)圍繞課程目標(biāo)支撐的畢業(yè)要求,設(shè)計相應(yīng)的學(xué)習(xí)任務(wù)和評分標(biāo)準(zhǔn),檢驗學(xué)生的學(xué)習(xí)成果。考核方法可以是作業(yè)、考試、論文、試驗、報告等(表1)。最后將考核結(jié)果作為教學(xué)環(huán)節(jié)持續(xù)改進(jìn)的依據(jù)。如此循環(huán)往復(fù),逐步提高該課程的教學(xué)質(zhì)量。
表1 課程目標(biāo)與考核方法
表2 課程目標(biāo)的教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方法
在當(dāng)前國際工程教育認(rèn)證和新工科建設(shè)背景下,食品工程原理課程的教學(xué)研究與改革方興未艾。如何改進(jìn)我們的教學(xué),以提高學(xué)生的工程教育素養(yǎng)和思維,提高其食品科學(xué)技術(shù)能力和高等學(xué)校的人才培養(yǎng)質(zhì)量,仍然需要國內(nèi)外同仁的持續(xù)努力和探索。因此,無論是教學(xué)模式和教學(xué)理念的更新或教學(xué)方法的創(chuàng)新,還是教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化或教學(xué)效果的評估或工程教育認(rèn)證,都將圍繞著我們教育改革的初衷:提高學(xué)生的學(xué)習(xí)成果,為社會輸送更多的食品科技高層次專門人才,提升食品工業(yè)的現(xiàn)代化水平和技術(shù)含量。