以培养学生工程能力为导向的“食品工程原理”教学模式改革

［摘 要］ “食品工程原理”课程对培养学生的工程能力具有重要意义，但该课程理论知识难理解、单元操作复杂、实际应用困难、教学素材不足、教学模式单一，学生对这门课程的掌握程度普遍较差。为解决上述问题，在教学中以培养学生工程能力为导向，引导学生建立不同学科之间的联系，并结合虚拟仿真、课程设计、工厂实习和实操实验等方法提高学生解决实际工程问题的能力，同时进一步优化配套教学大纲，完善工程能力评价标准，全方位系统地构建“食品工程原理”教学模式。

［关键词］ 工程教育；能力培养；食品工程原理；教学改革；虚拟仿真

［基金项目］ 食品科学与工程国家一流专业建设项目（801332214401）；2021年度贵州大学一流课程培育项目建设（XJG2021060）；2022年度贵州省科技计划项目“食品取向度激光传输检测方法研究”（黔科合基础-ZK〔2022〕一般066）；2020年度贵州大学引进人才科研项目“挤压拉丝蛋白取向度的测定及形成机理研究”（贵大人基合字〔2020〕号）

［作者简介］ 李静鹏（1991—），女，河北廊坊人，工学博士，贵州大学酿酒与食品工程学院校聘副教授，硕士生导师，主要从事烹饪科学原理和挤压食品研究；曾雪峰（1973—），男（土家族），湖南凤凰人，工学博士，贵州大学酿酒与食品工程学院教授，博士生导师（通信作者），主要从事食品精深加工研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2023）30-0057-04 ［收稿日期］ 2022-04-18

食品工程原理是一门典型的工程学科，是化学工程原理的一个分支，也称食品化学工程原理。“食品工程原理”课程作为食品类专业必修课之一，对培养学生的工程素养、设计水平、计算能力起到重要的奠基作用，但其理论知识难度高、单元操作复杂、实际应用困难，对学生的思维能力和数学计算能力有着较高的要求［1］，因此一直被学生认为是最难的食品类专业课程之一。因此，有必要在教学中以培养学生工程能力为导向，通过改进教学模式提高“食品工程原理”课程的教学质量，解决学生在学习和掌握食品工程原理相关内容上遇到的问题。

一、“食品工程原理”教学对培养学生工程能力的重要性

2016年我国顺利加入《华盛顿协议》，标志着我国的工程教育获得了国际认可，具备为工科学生提供广阔发展平台的能力，同时也对工程教育的质量提出了更高的要求。工程教育的核心理念是以学生为中心，其根本目的是提高学生的工程能力，因为工程能力最能体现学生的课程学习深度，可以最大限度体现工科学生的专业技术水平及解决实际问题的能力。作为典型的工程学科，“食品工程原理”对培养和提高学生的工程能力至关重要。

但近年来本科生就业发展问题频出，究其原因在于学生不得要领地了解或强行记住一些书本知识片段，在实际问题面前往往束手无策，结果导致学生能力同质化，没有能力特色，被认定为COPY型人才。与之相对的，具有工程素质的人可以系统地掌握理论知识，并将其与实际问题紧密结合，进一步在具体实践中将所学内容融合、升华，最终有所探索和创新，这样的人才就是工程型人才。工程型人才往往由研究、体验和实践获得数学和自然科学知识，并通过发展性地应用这些知识经济合理地利用各种材料和自然力造福人类。其中，动态型工程师能够抽象地运用所学科学知识解决高难度问题，进而将工程技术转化为生产力。开展“食品工程原理”课程教学的重要目标之一就是提高学生的工程能力，为批量培养工程师奠定基础。

二、“食品工程原理”教学模式中存在的问题

“食品工程原理”以“化学工程原理”为基础发展而来，是一门研究物质与能量转化过程规律的科学，两门课程的核心知识均为“三传一反”，因此可以将食品工程看作一种能与化学工程无缝交接的学问。由于食品物料与化工材料性质不同，在化工单元操作技术的基础上，又衍生出大量食品加工领域特有的单元操作方法：（1）多数食品材料具有热敏性，容易氧化变质，加工过程中要求低温、缺氧，由此衍生得到真空过滤、真空冷却、真空干燥、冷冻浓缩、冷冻干燥等单元操作。（2）食品材料易腐败，浓缩食品、干制食品、冷冻食品和速冻食品是其主要加工形式，由此又衍生出冷冻浓缩、冷冻干燥、低温冷冻等单元操作。（3）食品物料多为固态和液态，而化工上多为气态，因此提取、分离、净制、混合、乳化、粉碎等化工上少用的单元操作却在食品工程方面占据着相当重要的地位。与化学工程原理相比，食品工程原理具有明显的繁、杂、难的个性特征。

实际教学效果表明，学生对“食品工程原理”课程的掌握程度普遍较差，究其原因在于现有教学模式存在诸多问题：（1）食品工程原理同化学工程原理不同，它主要用于解决食品加工过程中的问题，其单元操作具有显著的独特性。当前化工方面的研究较多，教材内容充实，实验仪器、设备充足，反观食品工程原理教学素材少，专用实验仪器、设备落后，以化学工程设备为基础进行少量演示性操作难以充分展现食品工程的独特特征。（2）教学模式单一，多数高校仍以传统的课上讲解教学模式为主，教学过程往往“重理论、轻实践”，导致学生工程思维发展和创新性培养受到严重制约。（3）食品工程原理具有较强的理论性，教学内容涉及较多的公式推导和计算［2］，相对枯燥，学生的学习兴致普遍不高。（4）“食品工程原理”课程涉及较多的单元操作，课程内容与化学工程原理、高等数学、物理化学等多个学科联系紧密［3］，学生只有在理解相关学科内容的基础上才能全面掌握这门课程，一旦出现知识短板就容易出现理解偏差，进而产生畏难、厌倦情绪。综上，要提高“食品工程原理”课程的教学质量，必须以培养学生的工程能力为导向，多方面、多角度开展教学模式改革。

三、以培养学生工程能力为导向的教学模式改革

食品专业课程教学应适应当前食品经济的发展形势，发挥学科优势。“食品工程原理”课程的基本教学任务是介绍食品工业生产中主要单元操作的基本原理、内在规律、计算方法和常用设备，并使学生能够利用所学知识解决生产过程中的工程运算、设备选用等实际问题。为得到更好的课程教学成果，应以培养学生工程能力为导向，通过多个板块协作的方式优化和改进现有教学条件和方法。具体可以从课堂教学、实践教学及相关配套教学三个方面实施改革措施，整体教学模式改革设计思路如图1所示。

（一）课堂教学模式改革

“食品工程原理”课堂教学自然要以食品工程原理的相关知识为主，但仅仅讲授这门课程要求学生掌握的知识是不足的，还需同步补充高等数学、物理化学、食品机械以及部分食品专业的知识来辅助学生深入理解课程内容。特别是与工程能力相关的内容，既是难点又是重点，在教学中必须特别补充。相关学科知识的补充方式可以从以下两方面进行：一方面，教学中反复提及的总体知识点应集中在绪论中讲解，如数学基础、量纲分析、解决实际问题的方法论等；另一方面，部分单元操作涉及的专业知识点应在相关内容处补充，如微积分思想、工程制图方法、食品机械原理等。在上述教学模式的基础上，还要结合食品工业特点以培养学生工程能力为导向细化教学工作。根据食品学科特点与化学工程区分，重点讲授流体流动、传热、传质等核心单元操作，使学生掌握基本概念、理论和规律［4］。同时，根据教学环节特点采用理论结合案例的方式，从生活中常见的物理现象或实际生产问题出发引导学生独立思考，激发学生的工程思维潜力。

（二）实践教学模式改革

“食品工程原理”课程的性质很容易导致教学内容过于理论化，必须明确规定实践教学在“食品工程原理”教学中的重要地位［5］。实践教学模式的设定应兼顾知识目标和技能目标，充分覆盖各个关键知识点，从虚拟仿真实验、课程设计、工厂实习、实操实验等四个方面进行全面改革。

虚拟仿真实验是通过创建与现实类似的实验环境来满足教学过程中的情景化需求［6］。食品工程原理的虚拟仿真实验是运用虚拟现实技术来模拟工程实验环境和操作过程，从单元操作的实际需求出发，将复杂的实验现象通过3D虚拟仿真形式直观展现。在教学过程中将课堂教学内容与虚拟仿真实验相结合，穿插开展互动演练，形象地为学生展示工程实验原理和关键操作，增强学生的沉浸感，提高学习积极性和主动性，降低错误操作带来的安全风险，从而大幅度提高教学质量。

课程设计对于培养和强化学生的工程能力具有极其重要的作用，因此一直是实践教学模式改革的重点工作内容。课题设计工作通常以多人自由合作形式开展，要求学生结合食品专业领域知识自选课题，协作完成课题任务，最后提交工程设计图纸并现场解说和展示成果。除采用上述常规方法开展课题设计教学外，还可以借助计算机Excel软件布置一系列开放性的电子作业课题，加深学生对课程知识的理解，培养创新意识，提高其解决实际问题的能力。例如，给定一系列管径和流体黏度，让学生充分发挥想象力计算不同流速下的雷诺数，进而绘制管径-雷诺数图及摩擦因数图，动态展示管内层流和湍流现象，进一步与传热学知识相结合探索升温过程对流体流动现象的影响。工程能力训练中，学生根据自身对知识问题的认识深度设定运算难度和复杂性，尽可能深入地掌握工程运算的基本思想和方法。

工厂实习可以有效提高学生的工程能力和创造力，是工科教学不可或缺的重要环节。在这方面，各大高校院所在长期实践教学中积累了大量经验，但在“食品工程原理”课程教学中普遍存在工厂实习课题与课程相关性不高、教学内容针对性较差的问题。要想解决上述问题，教师必须在学生进行实地实习前做好充分准备，实地考察诸多食品工厂后选出其中具有代表性的食品工程实践教学课题［7］，同时提前协助学生归纳总结罐头制造、果汁生产、啤酒酿造、肉干加工等食品生产线的通用单元操作，引导学生将复杂的工程理论知识与工厂实际情况相结合，以便充分利用实习环节提升工程问题的处理能力。

实操实验是对常规课堂教学模式的重要补充，学生在积极主动参与实操实验过程中进行探索性学习，验证和拓展理论知识外延。目前，部分院校拥有的食品工程原理实操实验仪器储备不足，常常需要借用化工设备开展食品工程原理验证实验。虽然两门课程教学的核心原理异曲同工，但化工设备毕竟不同于食品器械，基于化工设备的实操演练内容难以覆盖食品专业特征，学生的工程能力提升效果有限。因此，根据食品专业特征补充购入新型食品工程原理教学设备来提高教学内容的针对性，应成为“食品工程原理”教学改革的重要内容。

（三）配套教学模式改革

配套教学模式改革主要从优化教学大纲和完善工程能力评价标准两个方面着手。教学大纲内容首先要满足学生毕业所需的各个基本指标，符合食品学科专业定位［8］，在此基础上明确各部分教学内容与具体食品工程能力提升项目的对应关系。在教学内容与工程能力提升效果的相互校验中不断优化教学大纲内容，使其对教师授课具有更强的指引作用。“食品工程原理”教学改革的重要目标是培养和提高学生解决工程问题的综合能力，包括借助互联网获取数据参数的能力、多人沟通协作处理问题的能力、复杂数据分析处理能力、食品加工工艺设计能力等［9］。在坚持以学生发展为中心的核心理念下［10］，建立学生工程能力评价标准（见表1），将综合工程能力数字化，为学生更有针对性地提高自身的工程能力水平提供理论依据。

结语

结合当前食品工业发展需求，从课堂教学、实践教学、配套教学三个角度，全面、系统地开展“食品工程原理”教学模式改革具有重要意义。教学模式改革中应注重培养学生的综合工程能力，优化和完善相关教学内容和考核标准，引导学生独立思考，激发学习兴趣，在实践中不断强化解决工程问题的能力，从而为推动食品工业发展提供工程素质优良的专业技术人才。

参考文献

［1］张艳杰，林顺顺，张剑.农业高校本科食品工程原理课程教学方法的研究［J］.教育教学论坛，2020（42）：259-260.

［2］高静，吴小勇，胡勇.新工科背景下“食品工程原理”的教学创新［J］.教育教学论坛，2021（36）：81-84.

［3］王宝贝，陈洪彬，王芳.《食品工程原理课程设计》教学改革的几点措施［J］.广东化工，2020，47（7）：250+256.

［4］王永辉，张晓华，魏泉增，等.以工程能力培养为导向的“食品工程原理”教学改革探讨［J］.广州化工，2020，48（3）：152-154.