基于CDIO理念的食品化学课程改革与实践

2011-12-25南昌大学阮征胡晓波刘成梅高金燕聂少平欧阳崇学谢明勇蔡丹周勤

中国轻工教育 2011年5期

□南昌大学阮征胡晓波刘成梅高金燕聂少平欧阳崇学谢明勇蔡丹周勤

□南昌大学阮征胡晓波刘成梅高金燕聂少平欧阳崇学谢明勇蔡丹周勤

为了不断提高食品化学课程的教学质量和教学效果，更好地培养学生的实践能力、创新意识和团队精神，根据CDIO教育理念，对该课程的教学内容和教学模式进行了改革与探索。通过食品产品的设计，有机整合食品化学理论与实验的教学内容，形成以设计为导向、食品专业知识为桥梁、工程能力培养为目标的教学模式。教学实践证明该项目的实施大大提高了学生学习的积极性和主动性，提高了工程实践能力。

CDIO；食品化学；教学模式；教学内容

近年来工程人才短缺和工程教育质量问题，是全世界面临的共同问题[1]。我国传统的工程教育存在不少问题：以学科知识为核心的教育实践在对历史、社会和环境的认知与责任方面的教育不足；课程设置注重学科导向和知识的完备性，而非按产业需求导向，没能充分考虑学生的就业需求；教学内容偏向理论，更新慢，缺乏实践；教学方法多为单向灌输，学生缺乏以用为主的主动学习；评价体系中理论考试和实践考试相分离，考核方法单一；强调个人学术能力而忽视团队协作精神；重视知识学习而轻视开拓创新能力的培养等问题[2]。因此高等工程教育的改革迫在眉睫，工程教育与国际接轨是必然趋势。2000年麻省理工学院和瑞典皇家工学院探索研究CDIO工程教育模式，CDIO（Conceiving-Designing-Implementing-Operating，构思-设计-实现-运作）以产品研发到产品运行的生命周期为载体，让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习工程[3，4]；是近年来国际工程教育改革的最新成果。

本文首次在高校食品专业中引入基于CDIO工程教学模式，提出食品化学课程培养方案，有机整合食品化学理论与实验的教学内容，培养学生构思、设计与实现食品工业产品。在深入理解CDIO工程教育教学模式理念和方法的基础上，提出“以能力培养为主线，产品设计做驱动，课程反馈管理，理论实践一体化”的教学模式，形成了具有创新性和特色的教学大纲和教学内容。重点阐述在教学活动中贯彻这一教学模式的实践与思考，给出具体的教改方案，从而改进教学方式方法，提高教学质量和教学效果。

一、基于CDIO教育理念的课程内容改革

传统的食品化学教学模式由理论教学和实验教学两部分组成。理论教学内容主要是了解食品材料中主要成分的结构与性质，食品组分之间的相互作用和这些组分在食品加工和保藏中的物理变化、化学变化和生物化学变化，以及这些变化和作用对食品色、香、味、质构、营养和保藏稳定性的影响；实验教学内容主要服务于课程教学的主线，实验教学主要包括验证试验和教师指定的设计实验，以加深对基础理论知识的理解，加强学生实验动手能力，仅仅是理论教学的补充与辅助。按照传统教学模式，学生往往只能达到学习目的中前面两点，对食品化学对食品多方面的影响以及在食品工业中的实际作用则很难理解，学习积极性不高，教学效果不理想。如何使食品化学与食品生产实际问题紧密结合，使学生在解决工程问题的过程中更深刻地领会和掌握食品化学理论知识，同时加强工程能力，一直是我们思考的问题。近年课题组引入新型的教学理念和教学方式，基于CDIO理念的食品化学课程的改革与实践，同传统教学模式相比，CDIO更加注重工科学生在校期间的工程实践，CDIO以工程产品从策划到运行的生命周期为载体，以综合培养的方式让学生在课堂内外都能主动学习工程产品的相关理论，并参与工程实践活动，使学生在工程基础知识、个人能力、人际团队能力和工程系统能力四个层面达到预定目标[5，6]。

CDIO是一种以工程项目设计为导向、工程能力培养为目标的工程教育模式。工程项目设计是工程实践的精髓所在。CDIO培养模式就是通过项目设计将整个课程体系有机而系统地结合起来的,所以需要学习和掌握的内容都围绕项目设计这个核心。项目教学强调以学生的主动学习为主，将学习与具体的项目关联，使学习者投入于项目实施过程中，把学习内容设置到复杂的、有意义的项目中，通过项目的实施发现问题和不足，达到真正掌握工作的技能，形成解决问题的技能和自主学习的能力。

食品化学是一门基础性专业理论课程，CDIO能否很好地应用在食品化学教学中值得探索。经过教学调研，我们认识到CDIO在食品化学课程应该有很好的应用前景。例如食品化学中重要理论“水分活度”这个概念，实验教学会演示测定水分活度的方法，一般的实验方法是将食品放在一个密闭容器，处于不同浓度盐溶液之上。学生很难理解水分活度对食品质构、外观和货架期的影响。例如，设计开发某种具有良好外观和具有较长货架期的食品（比如饼干、果酱），为了更长的货架期，不仅需要研究灭菌的方法，还需要测定水分活度以便研究各种控制水分活度的方法；针对产品外观，又涉及课程中非常重要的内容——美拉德（Maillard）反应。通过一些真实食品生产项目的设计使得学生具有直接运用知识的能力。这样学生在项目设计学习理论知识的同时，提高了工程应用、科研和解决实际问题的能力。

图1 传统教学内容

传统教学内容，从食品中的水、碳水化合物、蛋白质等按章节依次讲解，并且在理论讲授同时辅助实验，内容独立分散（见图1）。基于CDIO模式，课题组构建了以产品（项目）设计与实施为核心的教学体系，以项目“金华火腿”为例，首先老师提及或讲解火腿涉及食品化学的主要知识点包括蛋白质性质、脂肪氧化、水分活度、风味等，与传统的教学不同，这里的知识点不零散简单罗列，而是依据相关性有机整合起来。然后学生完成个人/小组作业，查阅金华火腿工艺流程中所涉及的上述理论知识，并努力多掌握。金华火腿的工艺流程：鲜猪后腿→修割→腌制→浸腿→洗刷→晒腿→整形→发酵→堆码→成品。如腌制过程中食盐从肉表面的高浓度向内部低浓度扩散，而肌肉水分则从内部较高向外部较低渗透出来，直到各组织平衡为止，当食盐总渗透压大于微生物渗透压时，起到了防腐抑菌作用；这个环节体现了食品化学中水分活度知识点并与食品微生物中知识点形成了交叉，提高了学生综合能力。金华火腿具有独特风味，它是由复杂的化学变化所产生，比如，脂类水解释放部分游离脂肪酸与单甘酯等，形成风味物质；游离脂脂肪酸则容易氧化[7]；蛋白质在蛋白酶或氨肽酶的作用下降解生成游离氨基酸[8]。学生通过设计或实施知识点在加工工艺中的作用，加深了对课程相关内容的理解。同时小组讨论工艺中金华火腿品质的检验，联系食品化学分析和生产实际，找到合理检测方法或手段，如火腿中亚硝酸盐含量是火腿重要质量标准，检测方法有盐酸萘乙二胺法、荧光法、离子选择电极法、气相色谱法，显然后面三种方法需要检测仪器要求较高，不适合在生产中使用。然后开始小组项目，分组解决金华火腿的货架期、风味等实际生产中问题，深入了解项目中相关的知识，科学整合了学生的知识体系，并且提高了学生的工程项目思维与团队协作精神。最后小组汇报完毕后集体完成火腿项目实验，完成一个真正的产品。个人作业和小组项目设计学习了基础工程知识和解决问题的能力，小组项目中培养了学生团队沟通能力，从而通过课程改革后以项目设计为中心的教育方法提高了学生的综合能力。

图2 CDIO模式下项目“金华火腿”为核心教学内容

二、教学模式改革

采用围绕产品设计与开发的讲授方式，有机结合理论与实验教学。如图3所示，课程授课包括四个学习活动。基于CDIO工程教育理念的食品化学教学模式进行了以下几个方面改革和探讨。

图3 教学模式

课堂讲授主要包括两个方面的内容，一是基础知识的讲授以及课程内容的布置，主要由教师、选定的学生和助教共同完成，因产品的目标客户是学生，所以在制定课程内容时必须考虑他们的接受能力和意见。二是在学生上台讲演环节，主要由指定学生就相关课程内容交流学习心得。在上台之前，至少有一次要在教师面前排演，以保证技术含量以及相关学术内容的正确性。课堂讲授可以让学生先作预习，以小组分工的方式轮番上台，学生以自己的语言展现他们对每周课程内容的理解思路。这样也有助于教师观察学生理解的盲点或创新点。教师必须明确所授课程在本专业知识结构中的地位和作用，以及学生学习本课程应该掌握的基本知识和能力，要特别强调相关知识和能力在实践中的有机联系。学生应从实际或已有的知识中发现和提出问题，或教师留下思考题，通过后面个人作业和小组项目环节解决，在学生进度报告中评估教学效果。

设计学生的个人作业，要求学生利用所学知识，对一个产品项目进行构思、设计、实现、运行，系统地完成一个工程实践经历。其目的是让学生从解决工程问题的角度学习专业知识，掌握工程思维方法，进而形成对工程的兴趣。对食品生产工艺和产品质量检控中运用学科知识进行分析讨论对提高学生独立分析问题、认识问题、解决问题的能力具有十分重要的作用。教学主体思想在于强调不同作业之间的相关性，前一次作业是后一次作业的基础，以让学生体认到产品开发的连续性，向他们灌输可持久化的工程理念，并告诉他们产品开发的过程与产品的表象功能同样重要。

课程内容中小组项目环节的安排正是基于工程学习要以创造产品为导向的理念，采用在产品开发中学习具体知识，再用学到的具体知识进一步指导产品开发的学习模式。在小组项目的实施过程中，我们主要应用整合与划分的团队协作思想。一方面，促使学生体验团队协作意义；另一方面，在遇到问题时，通过教师启发，学生自己分析失败原因，有助于其对相关知识的理解和灵活运用。让学生在小组中讨论和完成项目，这本身就是一个综合性较强的实践内容，可在很大程度上培养学生的素质和能力，可以直接考察学生的学习过程，也可以考察学生跨学科的学习能力、设计才能、创造力和领导能力。因此，学生们会变得更有责任感，由此可引导他们学习态度的转变和技能的进步。

进度报告，工作模式是让学生先将个人和小组的最终目标精确地用文字记录，引导学生与其团队的学习和产品开发行为。CDIO教育的目标之一，是让学生体认到工作流程可以左右产品的优劣。可以规定：每个小组每周都必须上台报告自己本周取得的成果、下周的目标以及实现目标的计划。注重设计报告的规范性，不仅能训练学生的文字表达能力，而且要求学生对结果进行分析和对比，得出结论，培养学生的系统思考和知识发现能力。

整个教学过程中，把课堂当作是一个交换知识的工作空间，教师不再是一个知识的单纯讲授者，更像是一名教练或者导演，掌握着全体学生学习的进度。

三、教学改革结果

教学的主体是学生，从学生的反馈意见可以找到改革中的不足，我们对教学内容、教学方法效果、综合效果进行问卷调查，结果见表1-3。

表1 教学内容满意度调查

表2 教学方法效果调查

表3 综合效果调查

表1显示96%的学生对教学内容持满意的态度，表2所示为对教学效果的调查结果，可以看出98%的学生对教学方法感到满意。学生从自身学习情况出发，对此最初评价，这样的结果表明绝大多数学生在这样的教学方法下能够轻松地学习和掌握食品化学的基础知识和获得相关的能力。表3数据显示：学生对讲课内容的理解程度、实际生产的了解、学生分析、团队合作满意度是满意的。自探索与实践CDIO工程教育模式以来，我们本着边教边学、教学相长的原则，我们通过不断实践、反思、再实践、再反思的过程，从实践中汲取经验和教训，不断完善教育模式中的难点与细节，以达到最好的教学目的。

结合食品化学课程的特点探讨了基于CDIO工程教育理念的、以项目设计为引导的实践教学模式，突破了传统教学模式，有以下两大特点：一是对食品化学课程内容进行精选和重组，达到了教学内容和项目教学统一，让学生身处于食品生产情境中，通过小组讨论，获得对食品化学理论与产品或设计更为深入的理解，并且亲自发现知识、重新提炼或建构自己的食品知识体系；二是该教学方法激发了学生学习的主动性，使学生体会到在实践中探寻知识的乐趣，更重要的是让学生参与整个项目中构思→设计→实施→运作的全过程，有助于科学研究能力和工程实践能力的培养[9，10]。从而激发起了学生的学习兴趣，转变了学习态度，培养了学生的团队协作意识。以产品为导向的工程教育，做中学，学中做，使得以往理论实践相脱离的问题得到解决，更加强调了学生综合能力的培养。它对后续的课程教学、毕业实习和设计乃至为学生接受未来工程师终身教育奠定了坚实的基础[11]。

[1]陶勇芳，商存慧.CDIO大纲对高等工科教育创新的启示[J].中国高教研究，2006（11）：81-83.

[2]包秋燕.基于CDIO理念探讨大学生现代工程意识培养[J].福建工程学院学报，2008，6（5）：451-454.

[3]顾佩华，李昇平，沈民奋，等.以设计为导向的EIPCDIO创新型工程人才培养模式[J].中国高等教育，2009（3/4）：47-49.

[4]Woollacott L C.Validating the CDIO syllabus for engineering education using the taxonomy of engineering competencies[J].European journal of engineering education.2009，34：545-59.

[5]顾佩华，沈民奋，李升平，等.从CDIO到EIP-CDIO：汕头大学工程教育与人才培养模式探索[J].高等工程教育研究，2008（1）：12-20.

[6]张璇，李彤.结合CDIO教育理念与案例教学进行教学探索与实践[J].教育与教学研究，2008，（24）：155-157.

[7]徐欢.金华火腿特征风味成分分析及与脂质水解氧化相关性研究[D].杭州：浙江工商大学，2009.

[8]江玉霞.金华火腿加工过程中蛋白质降解规律的研究[D].北京：中国农业大学，2005.

[9]吴鸣，熊光晶.CDIO大纲对桥梁工程教学创新的启示[J].高等建筑教育，2007，16（5）：102-106.

[10]Crawley E F，Brodeur D R，Soderholm D H.The educationoffutureaeronauticalengineers：conceiving，designing，implementing and operating[J].Journalofscienceeducationandtechnology，2008，17（2）：138-151.