基于CDIO教育理念的“食品机械与设备”课程教学改革探索

王毕妮，朱彩平，张富新，邵玉宇

（陕西师范大学食品工程与营养科学学院，陕西西安 710119）

基于CDIO教育理念的“食品机械与设备”课程教学改革探索

王毕妮，朱彩平，张富新，邵玉宇

（陕西师范大学食品工程与营养科学学院，陕西西安 710119）

CDIO是“构思（Conceive）”“设计（Design）”“实现（Implement）”和“运作（Operate）”的英文缩写，是集系统性与先进性为一体的教育理念和人才培养模式。将CDIO工程教育理念引入到“食品机械与设备”课程教学改革中，通过分析教学现状，提出在教学理念、教学方法和考核方式等方面进行积极的教学改革探索，从而达到在教学过程中培养学生主动学习能力、工程实践能力、团队合作能力、沟通交流能力及整个CDIO全过程能力的教学效果。

食品机械与设备；CDIO教育理念；教学改革

Abstract：CDIO is the English abbreviation of Conceive，Design，Implement and Operate，which is a systematic and advanced educational concept and training mode.Based on the CDIO theory，CDIO engineering education mode is introduced into the teaching reform of Food Machinery and Equipment.The teaching concept，teaching methods and evaluation modes are proposed and are actively reformed based on the analysis on the teaching facts.By the reform，the independent learning ability，practice and innovation ability，team-work ability，communication ability，and the whole CDIO process capability of students are cultivated or exercised.

Key words：Food Machinery and Equipment；CDIO；teaching reform

CDIO是由美国麻省理工学院联合其他几所高校共同提出的一种经典工程教育模式，是将构思（Conceive）-设计（Design）-实现（Implement）-运作（Operate） 四维理念串联成的工程教育体系，是集系统性与先进性为一体的教育理念和人才培养模式[1]。CDIO强调工程教育应当关注实践，以工程基础理论和专业知识为基础，将教育过程放到工程领域的具体情境中，把理论、实践及创新合为一体。以CDIO四维教育理念为载体，将教育过程放到工程领域的具体情境中，通过贯穿整个人才培养过程的团队设计和创新实践训练，培养专业基础扎实、职业道德高尚的新一代高水平工程师[2]。CDIO工程教育模式是近年来国际工程教育改革的新成果，在世界各地的多所大学进行了实施并取得良好的成效。自2005年汕头大学率先实施CDIO工程教育改革以来，在教育部高教司理工处的指导和支持下，全国几十所试点高校和许多非试点院校实施CDIO改革，形成了多个成功案例。这些改革探索不仅强调提升学生的工程实践创新能力，更兼具人文的关怀[3]。

食品机械与设备是把食品原料加工成食品（或半成品）的主要工具，涉及食品工业生产的各个方面，是食品现代化生产过程中必不可少的组成部分。食品工业的稳步发展，离不开先进的现代化工艺技术和机械设备。近年来，传统食品工业化已被提至议事日程，传统食品经机械加工不仅能够增加其附加值，也使其能较久远地保留其生产工艺，因此将“食品机械与设备”课程作为专业必修课程在食品科学与工程专业开设。该课程主要系统地向学生介绍在食品加工过程中进行各种单元操作机械设备的结构组成、工作原理或工作过程、设备性能参数、使用方法及使用时的注意事项，其目的是使学生获得必要的有关食品机械与设备的基础理论知识和实践技能，培养学生具有一定的食品机械设备选型、工艺设备设计和性能改进的能力，为今后从事食品生产过程中选用和科学使用各种先进的食品机械设备，并进行性能改进和创新设计奠定坚实的基础[4-5]。

但是多年来，该课程开设了理论教学和实验教学部分，尽管在提高学生实践技能方面有明显改善，但在当前人才培养过程中重科学、轻工程的现象非常普遍，学生的食品工程应用能力和实践经验较薄弱甚至欠缺，特别是在食品机械方面的工程实践创新能力情况更加严重[6]。因此，针对“食品机械与设备”课程的教学现状，结合本科食品科学与工程专业教育中出现的重理论教学轻实践培养、重学生理论知识的学习而轻工程实践创新能力的培养等问题，将CDIO工程教育理念应用于“食品机械与设备”课程的教学改革中。主要从教学理念、课程理论教学体系、实践教学及考核方式等方面进行改革与探索，旨在获得良好的教学效果。

1 课程教学现状

目前，学院将“食品机械与设备”课程作为食品科学与工程专业本科生的一门必修课，开设在三年级第1学期，共60个学时，其中课堂讲授50个学时，实验10个学时。前期课程有“工程制图”“机械基础”和“食品工程原理”等，同时与各种“食品加工工艺学”课程穿插学习，为后续“食品工厂设计”课程学习奠定了必要的基础，对学生理论知识体系的架构非常重要。然而，在实际教学过程中，发现仍存在以下问题导致教学效果不理想。

1.1 现有课程知识体系不利于学生理论联系实际

现行“食品机械与设备”教材一般都是按照加工单位操作进行章节的划分，包括食品输送机械与设备、食品清理和分选机械与设备、食品粉碎机械与设备、食品分离机械与设备、食品混合机械与设备、食品成型机械与设备、食品浓缩机械与设备、食品干燥机械与设备、食品杀菌机械与设备、食品发酵机械与设备、食品速冻机械与设备、食品包装机械与设备和典型食品生产线等，虽然条理清楚，利于学生掌握各类设备的整体特性，但对其应用举例不具体，综合应用性不强。学生按照此知识体系学习后，很难结合食品加工工艺方案进行设备选型和生产线的设计与改造。另外，新技术不断地应用于食品机械的生产中，食品机械行业迅速发展，新型食品机械设备也不可能及时编入教材中。课堂教学内容如果不能及时更新，会导致课堂教学内容与行业发展脱节，学生不能准确地将所学理论知识与实际生产结合，思路跟不上，也会极大地影响教学效果。

1.2 教学方法和手段落后，对实践性教学的重视不够

食品机械种类繁多，内部结构复杂，仅以理论讲解的单一方式使多数学生只达到感性认识水平，很难使学生深入了解和掌握食品机械的基本结构与工作原理，再加上实践教学少，可供学生拆卸的设备材料太少，大多时候只是看看外形，学生只能通过空间想象力将实物与理论结合来学习，信息接受起来非常困难，逐渐降低了学生的学习兴趣，也使得学生在食品机械与设备操作、保养和维护方面的能力和工程素养相对薄弱和不足，很难满足食品工业发展的需要。因此，任课教师必须努力改革原有的教学方法和手段，增加教学实践环节，将现代化的教学方法和手段与实践教学相结合，使学生更好地掌握教学内容。

1.3 课程难度大，学生学习兴趣不浓

食品机械与设备是食品工艺和机械设计相结合的产物。食品加工机械的种类太多，在有限的课堂理论教学中很难一一介绍各类机械设备及其应用情况，导致学生学习混乱，无法准确与已学食品工艺相结合，再加上与实际生产设备接触少，学生渐渐失去学习的兴趣。而且，在师范院校，女生占比特别高（大约80%），由于大部分女生对机械的学习兴趣不足，也影响了该课程的教学效果。

2 基于CDIO工程教育理念的教学改革探讨

为进一步提高“食品机械与设备”课程的教学效果，提升学生的工程意识和工程实践能力，以适应现代食品工业发展对专业人才的需求，应立足食品生产的实际需求，采用CDIO工程教育理念对“食品机械与设备”课程进行教学改革与创新，加强学生工程实践能力的培养，为我国食品生产企业输送具有较强工程实践创新能力的新一代高水平工程师。

2.1 教师教学理念的改革

我国高等工程教育专业的教师在授课中普遍存在重理论轻实践、授课模式呆板、缺乏与学生沟通交流等问题，导致学生的工程能力和团队合作能力都难以得到有效的提升[7]。而CDIO工程教育模式，则要求教师应具有较好的工程实践能力、团队合作能力、建造产品和系统的能力；还要求教师要提高在一体化学习、主动经验学习方法，以及综合评价学生学习效果等方面的能力。“食品机械与设备”课程偏重工程技术方面，因此按照CDIO工程教育理念对教师的教学理念进行改革，着重按照CDIO理念转变教师的职能和心态，要求教师在提升自身能力的基础上，更要遵循这一理念来进行实际教学，从而将传统灌输式的教学方法改为引导学生培养良好的主动学习能力、实践创新能力、沟通交流能力及团队合作精神等。具体表现如下。

（1）努力提高教师自身的工程能力。“食品机械与设备”课程要求教师必须与时俱进、提升自身的工程知识和工程能力，应具备良好的工程背景和丰富的食品生产实践经验，具备较强的机械设备应用能力。该课程主讲教师在承担课程教学任务之前，应多次进入企业进行实地考察，学习食品机械设备在实际生产中的应用情况，参与相关工程项目的设计，及时更新已有食品生产知识。努力提高教师自身的工程能力，既能使学生及时获取一些具有针对性、代表性、与时俱进的食品机械设备选型和应用的实践经验，也能使课程讲解更深入，使学生更容易接受，从而提高学习兴趣。

（2）教师职能要转变为启发者、参与者和分析者。教师在教学中应更加注重以学生为中心，强调并引导学生主动学习和主动实践，要为学生创设自主学习食品机械设备相关知识的环境，努力开发新的学习资源，并为学生提供学习方面的帮助和服务。在实践中则应结合学生的学习兴趣点，有针对性地开设实践场所，便于学生自主选择。在课程评估方面，要求教师采用灵活的形式进行全程式考核评价，应更注重考查学生学习过程中知识水平和综合素质能力的提升。

2.2 课程理论教学体系的改革与创新

为满足培养较强工程实践创新能力的新一代高水平食品工程师的需要，在“食品机械与设备”课程教学上，结合课程教学实践及课程特点和学生的实际情况，通过改革现有食品机械与设备知识体系，采用多种教学方法进行教学，如基于问题的教学法（PBL）、案例教学、理论与实践相结合方式等多种教学方法综合应用，以培养学生的主动学习、主动实践能力和团队精神、创新精神。

（1）根据CDIO大纲的第一层面能力要求“专业基础知识和应用”，对“食品机械与设备”课程教学内容做出了适当调整。以实用为导向，按照当前食品加工行业最新使用的生产线对现行教材进行了重排，将每类食品加工中主要生产工序对应的生产设备集中起来，使授课内容与行业发展实际接轨，便于学生结合食品加工工艺对实际生产有更清楚的认识，有重点地筛选授课知识，选择性地删减了过于深涩纯理论知识，忽略其中不重要的、烦琐的设备生产能力计算等公式，重点讲述设备的工作原理、工作过程、特点和具有实际应用价值的设备选型方法，使得学生对食品机械与设备理论和现有食品生产设备流程有较为全面的认知。此外，在讲解设备结构、工作原理及物料流程时，可采用多媒体技术，将搜集到的单机设备的工作原理动画和实物图片、成套生产线的工作过程视频等素材，以Flash的方式展现给学生，使原本枯燥的教学内容更直观、具体化和形象化，以激发学生学习的兴趣，提高学生对知识的接受程度。

（2）采用多种教学方法综合应用，以提高课堂教学效果。采用基于问题的教学模式（PBL），该教育模式以学生为中心，其基础是通过设计问题来引导学生进行自主学习。在CDIO教学理念下，采用PBL教学法有利于培养学生积极主动的学习能力。例如，在食品混合机械与设备一章中均质机的课堂教学过程中，现场提出问题“为什么超高温瞬时杀菌奶需要均质处理，而巴氏杀菌奶不需要”；然后引导学生去思考对牛奶进行均质的目的，需要达到的标准，并讨论其他的解决方案；最后教师结合不同杀菌处理牛奶的特性，进一步分析研讨该问题，让学生提出自己的见解。此PBL教学法有利于提高学生自主学习的积极性，增强学生思考和解决实际问题的能力。

采用案例教学，主要是引导学生讲解案例，并积极参与到教学过程中。案例内容主要为某种食品的生产设备工艺流程。教师将学生分为10个小组，每组5～6个学生。首先，学生在教师指定的食品类别中，通过市场调查及小组讨论，自主选择感兴趣的食品类别，每组确定1个案例内容。再利用课余时间查阅相关文献，经讨论后形成初步的案例构思。然后，具体确定讲解内容，包括生产工艺流程、生产工艺操作要点、生产设备选型等，讨论完善后制作成PPT。最后，通过课堂讲解、组间提问、课堂讨论、现场评分等方式完成系统知识的学习和巩固。教师则从学生的团队合作能力、交流沟通能力以及学生的表现等方面进行全面评价。该教学环节有利于发挥学生的主导作用，使学生的团队合作能力、交流沟通能力和创造性思维能得以锻练。

2.3 实践教学的改革

构建适应创新型人才培养需要的创新实践教学体系，是高等教育质量工程改革的重点和热点[7]。基于CDIO理念的实践教学，更应该强调学生的构思—设计—实现—运作整个系统的能力。“食品机械与设备”是一门实践性较强的课程，在实践教学方面更强调学生要在“做中学”，通过构建一体化、多层次、开放式的实践教学平台，让学生多在实践中学习，培养学生的主动实践能力和创新思维。

（1）组织学生认识现有实验室的小型食品机械设备，学生通过亲自拆装设备，对机械设备的工作原理、结构组成及使用时注意事项等有更清楚的认识，也能加深学生对所学理论知识的理解。之后增设一些相关食品加工的小实验，使学生亲自操作实践生产，实现理论与实践的结合。例如，在进行均质机实验时，为加深学生对均质加工单元的理解，将均质前后牛奶的黏度及其中脂肪球颗粒大小进行对比，通过实验数据证实理论知识，同时也提高了学生的科学思维能力。

（2） 校内有食品加工中试实验室，开设有6条食品生产线，分别为果汁生产线（2条）、酸奶生产线、水处理生产线、馒头生产线和天然资源有效成分提取生产线。改革后的教学内容是按照不同类别食品生产线分别介绍线上各食品机械设备的结构组成、工作原理、特性及使用注意事项等。在相关食品生产线的理论教学结束后，带领学生去中试车间实地见习。学生结合课程理论的学习，在见习过程中提出疑问，由指导教师或车间工程师进行详细解答。学生还可以在教师的指导下自己动手操作设备，在参与实际生产操作过程中加深对课堂理论知识的理解和掌握，也使学生的学习兴趣大大增加。

2.4 考核方式的改革

教师作为学生学习效果的评价者，目前对学生“食品机械与设备”课程的考核主要以考试的方式评价学生对所学知识的掌握和理解情况，从出勤（10%）、平时作业与实验（20%） 和期末考试（70%）3个方面进行综合评价，忽略对学生能力和综合素质的考核，不利于创新型应用人才的培养。结合CDIO工程教育理念与人才培养模式，对“食品机械与设备”课程学习效果考核方式进行了相应改革。

（1）期末考试在总学习成绩中所占比例有所弱化，为60%。因为目前来说，这依旧是对学生知识水平考核的最有效也是最主要的评估方式。但是，在期末闭卷考试中，主要是评估学生对食品机械设备知识的掌握情况，更重要的是评估学生是否具有综合选用和使用食品机械设备的能力。

（2）平时作业与实验考核部分所占比例增加至30%。其中，课程作业占10%，通过设计课后作业可以进一步巩固课堂所学的知识点，拓宽学生的知识。主要考查学生完成课程作业的情况和质量；实验部分占10%，主要考查学生的动手实践能力、实验报告的书面表达能力和对实验结果的自主分析能力；讲解案例占10%，主要考查学生人际能力、团队合作能力及创新性思维等，通过学生在课堂讲解案例中的表现进行综合评价。此外，学生在创新实践上取得成果，或参与创新性课题或发表论文等均可以申请向教师加分。

（3） 出勤占10%。主要评价学生平时在课堂上的表现，包括学习态度、课堂回答问题情况和出勤情况等，贯穿学生学习的整个过程来进行考查。

3 课程教学改革效果

通过改变教师教学理念、精炼教学内容、丰富教学素材、改进教学方法，将“食品机械与设备”抽象的知识点形象化、具体化，结合学生讲解案例，学生自主学习的积极性和自学能力均得到了极大的提高，同时学生更加注重自身能力、主动实践能力、团队合作精神和创新性思维的培养，课堂表现得到明显改善。由此可见，基于CDIO理念的“食品机械与设备”教学改革收到了良好的教学效果，达到了改善教学效果的目的[8-9]。

4 结语

在分析“食品机械与设备”课程教学现状的基础上，将CDIO教育理念运用于该课程的教学改革中，具体体现在教学理念的改变、教学内容的精炼、教学方法的改进、理论实践的结合及考核方式的改革等方面，旨在培养学生自主学习理论知识和主动实践，并能运用所学理论知识分析问题、解决问题，提升团队合作及与人交流沟通的能力，达到了该课程改革的教学效果。然而，CDIO教育不仅是这些教学方法和理念的改变，更要求教育教学和社会大环境共同协调发展才能取得预期的改革效果。已有实践证明，有意识地将CDIO理念引入“食品机械与设备”课程教学改革的实践中是可行的，有利于培养和提升学生的主动学习能力、工程实践创新能力、团队合作能力、人际交流沟通能力乃至整个CDIO的全过程能力，从而培养出一批具有较强工程实践创新能力的新一代高水平食品工程师。

[1]周爱梅，刘欣，赵力超，等.基于CDIO理念的食品化学课程教学改革 [J].食品与机械，2015，31（2）：277-280.

[2]吴伟，吴晓娟.基于CDIO理念的“现代食品加工新技术”实践教学改革 [J].农产品加工，2016（9）：73-75.

[3]顾佩华，包能胜，康全礼，等.CDIO在中国（上） [J].高等工程教育研究，2012（3）：24-40.

[4]马海乐.食品机械与设备 [M].北京：中国农业出版社，2004：2-3.

[5]田玉庭，曾红亮，张宁宁，等.“食品机械与设备”课程教学改革与创新 [J].食品工程，2013，3（3）：107-109.

[6]谢勇，刘燕玉，李刚凤，等.基于工程能力培养的“食品机械与设备”课程教学改革 [J].食品工业，2016，37（8）：244-247.

[7]曹淼孙，梁志星.基于CDIO理念的工程专业教师角色转型 [J].高等工程教育研究，2012（1）：88-91.

[8]田昊，唐凤仙，单春会，等.关于如何提升“食品机械与设备”课程教学效果的探讨 [J].农产品加工，2015（14）：85-86.

[9]胡勇，高永清，吴小勇，等.食品机械与设备课程设计教学实践探讨 [J].广东化工，2013，40（15）：204，217.◇

Teaching Reform on Food Machinery and Equipment Based on the Concept of CDIO

WANG Bi'ni，ZHU Caiping，ZHANG Fuxin，SHAO Yuyu
（College of Food Engineering and Nutritional Science，Shaanxi Normal University，Xi'an，Shaanxi 710119，China）

G642

A

10.16693/j.cnki.1671-9646（X）.2017.09.052

1671-9646（2017） 09b-0083-04

2017-07-17

陕西师范大学校级教学改革研究项目（17SC-JG03）。

王毕妮（1980— ），女，博士，副教授，研究方向为功能食品加工及安全检测。