国内外食品工程原理课程教学研究发展现状与思考

汪昌保，程轶群，孙柯，杭华

安徽师范大学环境科学与工程学院（芜湖 241002）

随着我国社会和经济的发展，食品科学教育与研究日益受到广泛重视。截至2016年我国高等学校中，开设食品科学相关专业的院校已达280多所，每年有将近1万名食品专业类毕业生服务于食品行业[1]。食品工程原理（Principles of Food Engineering）是食品科学相关专业的一门核心课和重要的专业基础课，该课程涵盖基础知识面较广、理论公式较多、计算推理过程复杂，与多学科存在交叉并且与工程实际联系紧密；主要培养学生运用各种技术手段来分析和解决各种食品工程实际问题的能力，逐步培养工程意识和思维。该课程主要内容包括食品加工过程中的流体、传热、传质与干燥等单元操作的基本原理、典型设备、设备选型设计和工程计算。这些艰涩繁杂的理论和计算，常会使国内外食品专业的大学生抱怨这门课程难学、枯燥乏味、难得要领。因此，为了提高该课程的教学质量，国内外的食品教育工作者一直在对该课程的教学进行各种研究探索与改革创新，积累了许多宝贵的经验。根据食品工程原理课程国内外教学研究发展现状，从教材、教师、学生、教学方法、教学效果以及工程教育认证等方面，对该课程的教学研究与改革探索做了全面概述，并探讨了该课程发展中存在的一些共性问题，以期为深化该课程的教学研究与改革实践提供合理依据和科学参考。

1 教材内容日益完善，食品工程特色突出

教材是教学活动的基本参考和依据。经过几十年的发展，国内外食品工程原理课程的教材编著取得了显著的成就。国外以美国加州大学戴维斯分校的Singh Paul 教授等主编的《Introduction to Food Engineering（食品工程导论）》最受欢迎，初版问世于1984年，第5版于2013年8月出版发行，内容主要按照单元操作共分15章，包括绪论、食品加工中的流体输送、资源的持续性、食品加工中的传热、保藏过程、制冷、食品冷冻、蒸发、湿度测定、传质、膜分离、干燥、补充过程、食品挤压过程、包装概念[2]。美国佐治亚大学的Toledo Romeo T.教授等主编的《Fundamentals of Food Process Engineering（食品加工工程基础）》初版问世于1991年，第4版于2018年出版发行，全书按照单元操作分为14章，包括食品加工中数学原理及其应用综述、单位与度量、物质守恒、气体与蒸汽、能量守恒、流体输送、传热、食品化学反应动力学、热过程计算、制冷、蒸发、干燥、物理分离过程、萃取[3]。新西兰梅西大学的Earle R. L.教授主编的《Unit Operations in Food Engineering（食品工程单元操作）》初版问世于1966年，第2版于1983年出版发行[4]。还有西班牙莱里达大学的Ibarz Albert教授等主编的《Unit Operations in Food Engineering（食品工程单元操作）》，分为22章，于2002年出版发行[5]。国内现有15部教材20多个版本，也是以三传理论和食品单元操作为主要内容，基本上反映了该课程的发展历程和特点，其中李云飞、冯骉、刘伟民、姜淑荣等编著的教材，均有多个版本问世，比较受欢迎[6]。纵观国内外食品工程原理教材的发展，我们可以发现，大多数教材均以物质和能量守恒为基础，三传理论为主线，单元操作为核心。食品工程原理教材起源于化工原理，甚至以前部分学校直接就选用化工原理教材作为食品科学本科专业的教材。与现行化工原理教材比较，我们可以发现，食品工程原理教材内容与其有着许多共通之处。现行食品工程原理教材也有了一些明显进步，更加聚焦于食品加工过程中的科学问题，食品工业中的应用实例不断增加，新技术不断增加。教材的层次也逐渐增加，可以满足不同层次的教学需求。

食品工程原理的教学内容从形式可分为基础理论课堂教学、课程设计教学和试验实践教学等三种形式。在教学内容构成上，国内外大学都将流体流动与输送、传热、干燥等单元操作作为课堂教学的重点。国外大学的理论教学内容更为系统化、多样化，侧重传热的单元操作；国内大学教学内容侧重传质的单元操作[7]。在教学学时上，国外大学的课堂学时相对较少，学生课外所需学习时间较多；国内大学的课堂学时较多，学生课外学习自由度大。因此，综合国内外食品工程原理教学内容现状，可依如下原则优化该课程教学内容：三传理论为主，物质能量守恒为辅；基本原理为主，单元操作为辅；传热为主，传质、传动为辅；理论教学为主，试验与设计教学为辅。

2 教师更新工科教学理念，提高教学技能

对于食品工程原理课程，教师的引导、示范和启发对于学生激发对该课程的兴趣，克服畏难情绪，提高学习效果均可产生积极作用。首先，从教师的个人背景来看，拥有一定工程实践工作经历，会有助于更好地把握本课程的工程意识培养要求。如果不具备这一条件，可通过聘请企业高级技术人员或具有食品工程技术背景的高级工程师参与部分课程的教学活动的形式，加以解决。其次，从教学理念上来说，以学生为中心、成果导向（Outcome based education，OBE）和质量持续改进，这一现代国际工程教育的核心理念，也将是讲授本课程的教师的主要指导理念，并以合理的形式贯彻于自己的教学实践中。这需要教师不断地更新自身的教育理念。最后，从教学方法上来说，繁杂的工程理论体系和各种单元操作知识的碎片化必然要求教学方法的多样化。为了将一些比较抽象的内容和概念讲清楚，让学生理解透彻，以更直观、生动的教学素材，来呈现教学内容是十分必要的。但是对一些经典公式的板书推理，仍然是不可缺少的，也可以采用多媒体手段，一步一步慢慢呈现整个理性思维过程。因此，这需要教师具有扎实的教学基本功，不断地提高自身的教学基本技能。国外高等学校一般要求从事该课程教学的教师具有博士学位，多为教师和其教学辅助人员共同完成该课程的教学工作。

3 对学生因材施教，兼顾素质和能力培养

学生是教学活动的中心，学生的学习成果也是衡量教学效果的基本参考。现阶段我国本专科阶段教学，分为三个层次。一是高水平大学本科教学，二是普通本科教学，最后是高职层次教学。显然针对不同层次的学生，我国历来有倡导因材施教的传统。因材施教，不仅适用于不同层次高校的学生教学，也适用于同一层次高校不同学生的教学。高水平大学工程本科教育的培养目标是食品卓越工程师。这些大学的学生生源优秀，学生拥有很高的个人综合素质和学习能力。从学生毕业后的职业规划来看，许多学生会进行深造，或从事科学研究工作，他们对本课程的基础理论、社会实践和科学研究都有需求。因此，本课程的教学应以基础理论、前沿技术及创新能力培养为重点，并兼顾后续职业发展需求。普通本科大学培养的目标是食品工程师。这些学校的学生生源良好，学生的学习起点较高，学习能力较强，个人职业发展具有多样化，许多学生具有考研和就业的不同需求。因此，本课程的教学应以基础理论和主流技术为重点，兼顾创新能力培养。高等职院校培养的目标是实用型现场工程师，服务食品工业现代化生产。其学生生源结构差异较大，学习起点具有多样性。在教学上，需要紧密联系食品工业生产实际，以食品企业实际应用较多单元操作作为教学重点，注重培养学生动手解决食品生产实际工程问题的能力。因此，本课程的教学应以基础理论和实用技术为重点，兼顾解决问题能力培养。国外高等学校对食品工程原理的教学一般分为理论和试验两个部分，主要培养学生的交流、批判思维、解决问题能力和工程能力。

4 以学生为中心，探索多方法和多模式教学

教学方法是教师课堂教学的策略和实现的形式。针对不同的教学内容和教学对象，教学方法使用得当，可以起到良好的教学效果。传统教学方法，即讲授式教学（Lecture based learning，LBL），是以教师讲课为中心，一般采取大班式教学。讲授式教学的优点是传授知识具有准确性、系统性和连贯性，教学效率较高，目前仍为应用最广泛的一种教学法；其缺点是不利于调动学生的学习积极性和培养学生的独立思考能力，学生对所学知识的迁移与运用能力欠缺。食品工程原理课程单元操作众多，内容繁杂，抽象化概念和原理较多，工程实例差异大，单靠传统教学方法很难将所有问题讲清楚。为了提高食品工程原理课程的教学质量，国内外教育工作者对该课程的教学方法、教学模式和教学理念等进行了许多有益的创新和探索。一些新型的教学方法和教学理念不断涌现，运用互联网、多媒体将一些食品工程原理中难以简单描述的抽象教学内容，以图片、动画、视频等图文并茂的形式展示出来，以提高学生的兴趣和理解。

从教学方法上看，在食品工程原理课程的教学过程中，采用问题式教学法，通过引导学生产生问题、分析问题、回答和解决问题，从而培养学生主动获取专业知识的能力。例如在讲解干燥单元操作中的空气焓湿图时，可以提问为什么奶粉置于空气中，夏天比冬天更易吸潮结块？让学生从解答具体问题来获得所学知识和技能[8]。采用案例式教学法，通过精炼生活或生产的案例为教学素材，让学生理解食品工程原理的概念、定理、公式的内涵，掌握其原理和相关应用。例如讲解传热中传热系数概念时，可设计案例：夏季在维持20 ℃的室内工作，穿单衣感到舒适，而冬季在保持22 ℃的室内工作时，却必须穿绒衣才觉得舒服，引导学生理解和记忆传热系数的内涵[9]。采用启发式教学法，通过层层递进的设置情景、提问、启发，来培养学生分析问题、解决问题和创新的能力。例如在讲离心泵时，以“人往高处走，水往低处流”开篇；再提出问题：在食品工业生产中我们常需要把低位的液体送到高处、把低压的液体送到高压容器，该怎么办？从而引出离心泵[10]。采用研讨式教学法，通过拟定与课程相关的研究讨论课题，由学生组成小组，针对特定的研究课题，查阅文献，跟踪本学科国内外研究前沿，在小组内讨论形成自己的观点。以设计换热器为例，指导学生要通过查阅《物性手册》查到相应物料的参数，选择合适的加热介质；根据传热章节的主要原理和公式，计算设计需要的传热介质的温度和量及传热面积，再计算出需要传热管数，传热管的内径、外径、长度等一系列参数，设计出一个达到生产要求的换热器[11]。通过这些教学方法的单独或联合使用，以提高该课程的教学效果。

从教学模式上看，在食品工程原理教学过程中，采用翻转课堂的教学模式，以课前预习、课堂讲解、分组讨论、师生互动交流四个环节来代替传统的“教为主学为辅”的教学模式，提高学生自主学习的能力。例如在讲解《管内流体流动的摩擦阻力损失》时，要求学生提前观看视频，学习范宁通式（包括了层流和湍流时的摩擦系数）、局部阻力的局部阻力系数法和当量长度法。然后分组讨论和交流层流和湍流时的摩擦系数的求法，掌握计算直管阻力系数时，必须先判断流体在管内的流动情况[12]。采用学生自主说课的模式，让学生选择具体单元操作作为说课内容，通过收集和阅读教材及文献资料，制作PPT进行说课，使学生自主认知课程及其知识点，提高逻辑思维能力、正式场合语言交流与表达能力。例如学生根据自己兴趣，自由选取说课内容，如单元操作的知识点、学习体会或疑难点等，以小组推荐代表形式，在课堂上面对老师和同学进行说课[13]。采用参观实践型教学模式，在学习完相应单元操作章节知识点的基础上，有针对性地选择一些食品企业进行参观型实践教学，强烈的现场参与感可以触发和增强大学生理论思维的兴奋点，培养工程观念。参观饮料公司进行水处理、流体流动和罐装等单元操作的学习；参观研究所进行的天然产物的提取、分离及纯化等单元操作的学习；参观乳业公司进行奶粉的均质、杀菌、浓缩和喷雾干燥等单元操作的学习[14]。还有在食品工程原理课程教学中，采用慕课、双语、网络教学平台以及微信等模式[15-18]，丰富教学形式，提高学生参与度、自主性和兴趣，培养学生的解决问题能力。而教育的国际化，以学生为中心的国际工程教育理念，要求我们必须在教学模式和方法上贯彻这一理念。国外大学的课堂教学形式主要是研讨式、讲授式和交流式等，注重学生参与、师生互动，培养学生自主学习能力、创新意识和交流技能等[19]。

综上所述，在食品工程原理课程教学过程中，这些新方法、新模式及新理念的应用，其优点是调动了学生的主动性和兴趣，提高了学生对所学知识的理解、记忆和运用能力；缺点是课堂内容要少于传统教学方法，知识体系系统性不强，学生的注意力可能会偏向于解决问题的能力而忽略对知识点的学习，导致学生基础知识欠扎实，课外学习的时间和负担加重。因此，将传统教学方法和现代教育新方法相结合，取长补短，可以取得更好的教学效果。还可以借鉴国外高等学校的教学方法，其一般是课堂讲授、讨论式教学和实践教学穿插进行。对于食品工程原理教学方法的研究是无止境的，需要教师灵活选用、综合运用，以达到最好的教学效果和提高食品工程人才培养质量。

5 教学效果评估日益客观全面，注重持续改进

学生的学习成果是反映和评价教学改革效果的主要参考。如何客观、公正地给出学生的学习成绩，是进行食品工程原理课程教学改革的重要内容。从目前各学校普遍采用的考核内容来看，食品工程原理课程的考核内容分为平时成绩、过程性考核成绩和期末考试成绩三个部分，三者分别占总成绩的比例不尽相同，多数是平时成绩和过程性考核成绩占总成绩的比例大于30%，期末考试成绩占总成绩的比例小于70%。平时成绩考核内容一般分为出勤和作业；过程性考核主要包括自主回答问题、课堂上的表现的情况和小测试成绩；期末考核采用闭卷考试，加强学生对重点知识的记忆和巩固。多数学校已将食品工程原理的理论课程、实践教学和课程设计分别独立进行考核，以更加全面地反映学生的学习成果。国外大学也基本上都是采用这一模式，理论、实践和设计课程单独考核，更强调学生的创新能力，其中期末考试的成绩占比较低，一般在30%左右[20-21]。这一套学生成绩的评价标准和体系，相对完善和公平，考核内容也较为全面，侧重于对学生整个学习过程的评价，把考核融入教学的全过程，有利于全面评价学生对食品工程原理课程理论与工程知识的学习和运用情况，也有利于反映教学过程中存在的问题，有利于教师的教学反思和持续改进。

6 聚焦毕业要求，推进工程教育

2016年6月，我国正式成为“华盛顿协议”成员，工程教育认证成为我国各高校工科教育的新基准。2017 年教育部提出“新工科”的概念，开启了我国工程教育新的台阶。在此背景下，培养学生的工程素质和工程能力成为食品工程原理课程教学改革的导向。食品工程原理是食品科学与工程专业的核心课，是体现食品科学相关专业工学特色的主要课程之一。因此其对食品专业培养目标和毕业要求的达成十分重要。基于产出导向的教育理念，在食品工程原理课程中毕业要求的落实主要是通过教学大纲的制定与实施来实现的。在专业认证中，教学大纲和教学设计等许多重要教学环节都是围绕毕业要求（12条）的达成而进行。

工程教育专业认证对课程的教学大纲的制定提出了明确要求，即教学大纲应明确：①课程目标；②课程目标与相关毕业要求指标点的对应关系；③课程目标与教学内容和方法的对应关系；④课程考核方式[22]。因此，食品工程原理的课程目标，根据OBE理念可制定为：学生学习本课程后应具备知识、素质和能力要求（表1）。课程目标与毕业要求指标点形成对应关系，教学内容与课程目标也形成对应关系，教学方法应该支持课程目标的达成（表2）。课程考核方式应围绕课程目标支撑的毕业要求，设计相应的学习任务和评分标准，检验学生的学习成果。考核方法可以是作业、考试、论文、试验、报告等（表1）。最后将考核结果作为教学环节持续改进的依据。如此循环往复，逐步提高该课程的教学质量。

表1 课程目标与考核方法

表2 课程目标的教学内容与教学方法

7 结语

在当前国际工程教育认证和新工科建设背景下，食品工程原理课程的教学研究与改革方兴未艾。如何改进我们的教学，以提高学生的工程教育素养和思维，提高其食品科学技术能力和高等学校的人才培养质量，仍然需要国内外同仁的持续努力和探索。因此，无论是教学模式和教学理念的更新或教学方法的创新，还是教学内容的优化或教学效果的评估或工程教育认证，都将围绕着我们教育改革的初衷：提高学生的学习成果，为社会输送更多的食品科技高层次专门人才，提升食品工业的现代化水平和技术含量。