循环认知理论在“食品工程原理”中的教学探索

吴迪迪，胡 新，刘艳红，刘生杰，兰 伟

（1.阜阳师范大学信息工程学院，安徽 阜阳 236041；2.阜阳师范大学生物与食品工程学院，安徽 阜阳 236037）

“食品工程原理”课程涉及到高等数学、大学物理（热力学、传质学、流体力学、传热学）、食品化学、生物学、化学反应工程、计算机技术（工程制图）、普通化学及物理化学、经济学等多学科知识，是一门的多元化、综合性的课程，让学生将所学的知识融会贯通具有一定难度，因此对学生学习及教师教学方式提出要求较高[1-2]。传统的本科教学模式是通过教师课堂授课章节内容后再结合线下实验的教学模式，在如今知识多元化的时代，在教学过程中应注重的是因材施教，明白各课程间的差异性，区分理解性、识记性、综合性知识。

循环认知模式认为经验是知识源泉，利用已有的知识、思维和经验学习新的知识，将新学习的知识应用于已有的经验，将知识存储在大脑里面，获得知识、培养技能、产生认知的过程总结为学习本质。初级阶段的认知被认为通过阅读、听讲、研究、观察、理解、探索、实验、实践等手段获得知识或技能的过程，是一种使个体可以得到持续变化，知识和技能、方法与过程、情感与价值的改善和升华的行为方式。高级阶段的学习是人在生活过程中，通过获得经验而产生或潜能的相对持久的行为方式[3]。

M·戴维·梅里尔[4]五星教学法结合生活体验，思考如何能有效激发学生的自主能动性，以培养学生发现问题、解决问题的能力为出发点，以提高教学质量、学习效率为目的提出循环认知教学模式，将学习的新旧知识、思辨能力应用到实际问题中，经不断地发现问题、分析问题、获取知识、解决问题再回到发现问题的过程，实现新知识转化经验认知的循环认知模式。具体通过以下5 个阶段思考[5]：①学生投入到解决真实世界问题；②学生的先前知识被激发为新学习的基础；③学习新知识被阐述给学生；④新知识被学生应用；⑤新知识被融合到学生的认知世界。

从“食品工程原理”教学的本质出发，基于Merrill 五星教学法引导性地培养学生的学习兴趣爱好、刻苦钻研的精神。研究探索提出“循环认知教学法”，旨在将学生的被动学习转换为主动学习，将传统的满堂灌转为主动吸收，最终实现知识的活学活用。

1 传统教学过程中存在的问题分析

1.1 学习主动性不足，课前预习不充分

“食品工程原理”课程属于交叉学科，涉及学科公式、知识点较多，且概念生涩，预习相对吃力，对学生基础要求较高，需花时间和精力去学习钻研，逐渐丧失学习动力。因此，对学习后面知识产生阻碍，在循序渐进的学习环节中储备的知识出现断层，逐渐导致学生失去学习的信心和兴趣，甚至会对课程产生畏惧和抵触情绪；另外，任课教师更需有过硬的专业知识，对于课程整体把握全面，利于指导教学、教书育人。部分教师在教学过程中对一些应用较少的理论或者其他学科的知识选择性的删减甚至跳过，在教学环节中未起到很好传播知识作用。通过翻转课堂改变教学模式进行答疑解惑，课堂使用思维导图区分课程知识点、重难点，使知识点具有连贯性。

1.2 理论联系实践的能力、意识不足

结合已知理论，整个学习过程将学生对知识的理解分为“不知而学之，学之而知之，知之而用之，用之而思之，思之而熟之”等几个阶段；目前学生学习状态培养实践应用能力，往往在教学环节忽视了应用能力的培养。①学生知识储备有限，知识应用能力熟练度有待加强；②缺乏实际生活体验：“食品工程原理”中的原理、现象及公式的应用都源于实际生产、生活案例，传统的教学模式大多针对概念、原理进行介绍，教学模式脱离了实际生活。③学生能做到上课认真听课，满堂灌地接受知识，但实际做不到认真有效的思考，脱离了实际问题。有针对性地进行案例分析，从学生熟知的事物中进行讲解，逐渐深入学习探究。

1.3 偏向于识记类实验作业较多，耗费大量无效时间

其他课程识记类作业、传统实验内容文字部分较多占用大量课余时间，导致“食品工程原理”有效学习时间不足，丧失学习主动性、动力。针对大学一二年级学生来说，课程量较大、实验课程较多，学生课后无时间对“食品工程原理”课程进行有效的学习、课前预习及课后复习，导致实际学习效果并不理想，降低学生的学习兴趣、有效学习时间。

1.4 学生碎片化学习

“食品工程原理”是融合其他学的完整学科，任课教师将其拆开来上[6-7]，对其他学科选择删除或不讲，使知识体系碎片化，关联度不完整，导致学生理解不透彻、问题增多；提出的循环认知教学模式，教学中增加对数理公式的理解和工程学应用层面的教学模块，优化教学内容，突出教学重点。根据布鲁姆教育理论[8]对教学目标的分类理论表明，学习分为初级认知、高级认知两个阶段。分别对应记忆-理解- 应用- 分析- 评价- 创造等阶段。目前对“食品工程原理”课程传统的教学目标停留在低级认知的记忆理解阶段，而需过渡到分析规律实现创新的高级阶段。通过解决碎片化学习方式，对容易记忆和理解的知识进行升华，对重难点知识进行解析、在应用中不断发现问题，进而发挥学生的创造能力，发挥学生的主观能动性，使“食品工程原理”知识体系更完整。

布鲁姆对教学目标的分类理论见图1。

图1 布鲁姆对教学目标的分类理论

1.5 学习缺乏计划，自律能力有待提高

在课间深入学生宿舍了解到，受游戏、手机诱导，大多数学生都是利用上课时间进行预习。学生课前未有效预习，课后很难做到复习，在课后缺乏自律能力，缺乏教师约束，难以集中注意力在课程上，导致上课内容推进效果较差，达不到预期效果。当代大学生需要在学习的阶段培养认真钻研、迎难而上的学习态度。为了让学生培养自主学习的意识、兴趣，提高自律能力，形成良好的学习习惯，通过“学习通”线上将上课的课件及教学笔记等提前发给学生，加深对课程知识内容的理解，在线上设置时间，学生翻看PPT 的学习时间也算在平时成绩中，以此来督促学生，培养学生自律意识，提高自主学习能力。设置课程思政环节，目的让学生对知识点的掌握透彻、产生浓厚学习兴趣，明确学习不仅是为了完成毕业任务，更重要的是深刻体会到学有所用，思维逻辑得到提高，用于未来的职业生涯。

1.6 考核形式单一

课程考核分为平时考核（30%） 和期末考核（70%）。平时考核主要以作业、签到的方式进行打分，考试形式单一，期末成绩合格即可完成课程的学习，让学生感觉学习知识为了考试，极大限制学生的学习兴趣、效率。将平时成绩分值适当提高，平时成绩提高到50%，期末考试50%。平时成绩包括上课签到10%，课堂互动表现30%，课后作业10%等，考核形式多样化，减轻学生学习心理压力，提升学生学习主观能动性[9-10]。期末考核内容进行变化，试题设计逐渐增加以复杂工程应用为主的试题，重点考核学生工程思维和应用解决问题的能力，课堂互动提高学生学习兴趣，有利于激发学生学习热情，兴趣促进学习效率的提高，效率促进期末考试成绩的提高。提升学习成绩并不是主要目的，最终是培养学生应用知识的能力。

2 循环认知教学方法的探索与实践

循环认知教学模式是将旧知识与新知识相结合再次形成已知知识的过程，目的是提高学生的能力，发挥学生自主学习能力，将知识与实际问题建立联系，既解决生活问题，又提高创造力。学习的初级阶段学生需要理解知识，掌握记忆知识，进一步结合实际生活实现理论联系实际，高级阶段需要不断地训练分析客观规律的能力，将认知、动作、情感融入生活并不断推理评价，最终实现创新。通过翻转课堂设计循环认知教学模型，将教学主体转变为学生主体，给学生讲解新知识并激发已有的旧知识，让二者有机的融合再次形成新知识，达到灵活应用知识的程度，为后期的毕业设计、学科竞赛项目做好铺垫。

M·戴维·梅里尔五星教学法见图2，循环认知教学设计过程见图3。

图2 M·戴维·梅里尔五星教学法

图3 循环认知教学设计过程

2.1 课前思维导图方式梳理知识点体系架构，聚焦学习重、难点

思维导图可归纳总结学习内容、方式，梳理知识点，清晰掌握课程的完整结构脉络，交代完整的学习任务、训练完整任务、形成任务序列。食品工程原理本身是一门综合性学科，知识面涉及较广、知识点之间涉及脉络错综复杂，因此在教学过程中在传统的教学基础之上增加此环节，目的在于建立知识的演化过程，梳理交叉学科知识之间的相互联系，已知知识的查漏补缺，建立完整化的知识体系，将不同知识体系融会贯通，实现实践应用相结合，使学生获得学习成就感，激发学习的兴趣和源动力。通过教师认真分析数理公式结构及知识点上下逻辑关系，对课程整体完全把控，帮助学生完成公式的理解和记忆。建立起章节之间的结构、联系，有助学生对课程的逻辑关系的理解由繁化简，通过知识的获取后再将简单的问题复杂化、系统化。实现“学习- 总结- 再学习”的循环认知过程。具体思路：概念介绍→公式推导→案例分析→实验模拟操作+仿真教学→生活情景回顾→知识点记忆升华→发散思维（知识融合及创造）。

章节知识点思维导图见图4。

图4 章节知识点思维导图

2.2 课程中梳理目标，讲解重、难点知识

示证新知（Demonstration）：课程紧扣目标施教、精心提供指导、善用媒体促进教学。提前发放PPT 给学生集合教材预习新知。课程前通过和学生互动，让学生提出疑惑、试着去解决问题，通过翻转课堂教学模式，实现教学主体的转变。将情景教学环节的设计思路应用于课堂实践，建立在传统上课以理论为中心的基础模式上，贴近生活，培养学生对于课程的兴趣爱好，加深实验原理的理解。传热是不可避免的单元操作：食品微生物实验中高压灭菌锅使用、食品加工过程中的加热与冷却中，影响传热效果涉及到哪些因素（传热面积、材料的导热率、材料厚度等），能解决热量的传入和导出的问题；其他的典型的单元操作：如杀菌、冷冻保藏、蒸发和冷冻浓缩、干燥、蒸煮、焙烤、酒的蒸馏及煮饭过程。由此加深对传热章节的教学目标及重难点的理解。

2.3 将课程目标与已知理论建立联系，实现情景教学模式

上课时，在示证新知基础之上，激活旧知（Activation）：明确知识结构→补就原有经验→回忆原有知识、经验。生活情景再现，结合生活中场景、已有经验，将其与新知建立起联系。传统教学模式下，实验教学通常依附于课程理论教学，存在着实验内容简单无系统、教学形式单一、学生按部就班完成既定实验操作及报告、学生缺乏实验兴趣和创新动力等问题，学生的综合分析能力、创新思维及工程素养培养方面存在明显不足。针对如何在“食品工程原理”实验课程教学过程中，实现提高学生学习的主动性、重视创新与实践能力、提高工程素养，培养创新型专业人才的目标，成为其实验课程教学改革成败的关键[11]。例如，讲到板框过滤环节的时候，单纯讲理论知识学生很难理解，先讲茶杯过滤茶叶现象，思考其与滤纸过滤滤液过程的区别，思考影响因素及条件。当见到板框过滤实验的模型之后，实现情景再现，将板框过滤中的参数获取方法、影响过滤的因素告诉学生，并让学生验证并推导相关的计算公式，激发学生的学习兴趣。

2.4 翻转课堂实现知识的融会贯通

知识融会贯通（Integration）：灵活创造应用→反思完善提高→实际表现业绩。前提是掌握新知，与实际应用相结合。通过翻转课堂以问题为导向的学习模式探索[12]，让学生上课以小组为单位设计实验场景，上课的章节内容能解决哪些问题？如何解决问题的方式进行讨论讲解，在上课过程中，学生会有明确的目标，对学习产生兴趣。结合思维导图使思路更清晰，带着问题边学习边思考边掌握，在最后一节课中留有20 min 时间设计实验模型，解决实际生活问题。将学生机械化抄写实验报告的时间节省下来让学生有更多的时间去预习课程知识。参照实验过程结合生活场景，分析主要知识点、实验注意事项，涉及到得主要方程式中的参数、影响因素、公式的推导过程；通过情景教学发散思维，灵活创造应用、创新设计新的实验方案，并在课堂加以讨论，有利于课堂学习效率的提高。

2.5 以解决实际问题为导向，启发式教学相结合

应用新知（Applying new knowledge）：紧扣目标操练→逐渐放手操练→问题操练。传统的初级教学目标已经不能满足学生的学习知识需求，没有激发学生的创造能力。改变传统满堂灌给学生讲解理论知识，首先把握学生的理论基础，通过生活、意识中存在记忆调动学生潜在知识调动学习积极性。过渡到高阶认知学习目标：将理论课程与毕业实践相结合，如毕业设计中的工艺设计类实验、食品工厂设计类实验涉及到的传热过程中的典型单元操作（如杀菌、和冷冻保藏、蒸发和冷冻浓缩、干燥、蒸煮、焙烤、酒的蒸馏等），因这些单元操作中涉及到传热的基本概念、传热机理，对于学生掌握传导、对流、辐射换热的基本规律及计算方法相得益彰，将理论知识应用于生活实践中，达到学以致用效果。教学成果展示：将理论课程中的相关知识应用于科技竞赛活动，在安徽省第三届食品创新大赛并获得了，一项省级一等奖、一项省级三等奖。

教学成果展示见图5。

图5 教学成果展示

3 结语

循环认知教学模式在“食品工程原理”线上、线下的翻转课堂中均可使用，另外可以结合现有的条件利用实验课程、穿插仿真软件或网上优质视频资源还原现场生活情景更有利于将理论与实际应用相结合，帮助实现教学主体的转变，教师由主体作用转变成引导者，通过小组课堂的讨论与研究，有针对性地引导、培养学生自主学习能力及意识，做到学习中有的放矢。同时，结合我国现阶段推行的减负政策，适当减少学生课后作业负担，有更多的时间去思考、总结，实现知识活学活用，提高学习效率。通过知识点的反复再现，对于知识点的掌握程度会有很大的提升，与传统教学模式相比较，同样是利用上课时间，但是通过教学模式的改变，让学生对知识的掌握更牢固，将知识融会贯通能力、分析问题的处理能得以提升，也是教育行业所提倡的“授人以鱼不如授人以渔”。