新工科背景下基于CDIO-OBE-FC 的“食品科學與工程綜合實驗”教學改革與實踐

周 睿，李玉奇，吳進菊，羅 凱，羅 靜，包鴻慧

（湖北文理學院食品科學技術學院化學工程學院，湖北襄陽 441053）

新工科建設是在“卓越計劃”基礎上，為服務國家戰略發展新需求、構筑國際競爭新優勢、落實立德樹人新要求而提出的一項持續深化工程教育改革的重大戰略行動[1]。在此背景下，區域經濟發展迫切需要地方本科高校通過工程教育改革培養未來多元化、創新型、應用型的卓越工程人才[2]。實驗教學體系內涵式發展是高等院校主動應對新工科發展新要求和實現創新工程人才培養目標的重要途徑[3]。食品類專業是實踐性較強的應用型工科專業，實驗教學是應用理論知識解決實際工程問題的有效方式和重要手段，也是學生校內專業學習至校外食品行業生產實踐的“最后一公里”[4]。因此，深化食品專業實驗教學改革，重新構建與新工科建設要求相吻合的實驗教學新模式，日益成為食品類專業高校具有重要意義的研究方向。

湖北文理學院“食品科學與工程綜合實驗”自2009 年食品專業建立伊始便已設立，是食品科學與工程專業的主干必修課程之一，面向已掌握“食品微生物學”“食品生物化學”“食品化學與分析”“食品工藝學”“現代食品檢測技術”“食品機械與設備”“食品工廠設計”等專業課程知識的本科生所設置的一個核心實踐教學環節。該課程具有工程技術性與實用性強等特點，旨在培養“厚基礎、精技術、高素質、懂管理、能創新”的高水平食品科學與工程專業應用型食品工程人才。傳統實驗教學模式固有的局限性已難以與當前食品類專業工程教育認證相匹配，探索新的教學模式來提高教學質量并適應現代食品產業發展新需求勢在必行。美國麻省理工大學等4 所院校聯合創立的CDIO（Conceive，Design，Implement，Operate）工程教育模式是以項目實施為載體，以企業對人才需求為導向，是近年來國際工程教育領域改革最具影響力的重大成果之一，但對畢業生“素質”要求不足，并未真正融入課程實施過程考核，缺乏必要的實施效果評價體系[5-6]。美國學者William Spady 率先提出OBE（Outcomesbased education）教育理念核心是“學生為中心、成果導向、持續改進”，是以目標為導向、面向產出的教學系統，重在培養學生從事工程實踐領域應具備的能力和素質，已成為美國及歐盟等國家工程教育改革的主流理念[7]。此外，翻轉課堂（FC）是學生課前自主學習，然后在線上和線下師生共同解決問題并深度拓展學習的一種教學模式，但存在本土化研究不夠、理論基礎研究不扎實、教師創新能力不足、忽略學生個性化認知與思維體系突破、缺乏系統性教學評價等問題[8]。為此，以新工科改革與工程教育專業認證為契機，結合國內外工程教育改革與發展新動向，積極探索CDIO-OBE-FC 有機融合的教學模式在“食品科學與工程綜合實驗”中的教學改革與實踐，提升學生自主學習和終生學習能力，強化學生創新與批判性思維、理論知識水平、團隊協作和工程應用實踐，以及學科交叉與國際競爭等能力，為食品類高等教育實驗教學的課程改革和創新提供參考。

1 課程教學現狀與局限性

湖北文理學院“食品科學與工程綜合實驗”開設在第7 學期，實驗教學36 學時，綜合實驗內容涉及發酵制品、果蔬制品、焙烤制品及肉制品等方面，具有知識面廣、操作性與應用性強等特點。近年來，課程組經過一系列的教學改革和實踐，取得了一定的成效，但仍然存在其他同類高?！笆称房茖W與工程綜合實驗”普遍面臨的3 個共性問題和挑戰[2，4，9]。

1.1 實驗教學內容設置不科學

受限于課程實驗經費、場地、學時、已有教學儀器設備條件等因素，部分實驗內容簡單重復和陳舊滯后，同時課程思政教育融入性差，學生深度參與性與積極主動性不高，部分教師工程實踐背景不強或對技術革新和產業發展動態不敏感，實驗項目缺乏綜合設計性與創新性，難以做到與時俱進，產出導向不鮮明。

1.2 實驗教學手段單一，教學組織形式不豐富

“以教師為中心”的傳統灌輸式教學模式主要以教師實驗理論講授結合實驗操作演示為主，學生被動機械化和程序化完成實驗任務，獨立思考能力和創新性思維得不到有效施展。食品加工實操過程中，由于課時有限、內容固定、大型儀器不足、同組成員較多等緣故，部分學生“囫圇吞棗”和“照葫蘆畫瓢”完成實驗預習報告，對實驗原理與工藝流程設計等不求甚解，加之沒有明確的參與度和團隊協作等過程性考核評價，導致部分學生在實踐環節僅僅“照本宣科”應付式操作或“現場觀摩”并抄襲別組學生實驗報告等，綜合實踐能力和綜合素質得不到有效提升。

1.3 實驗教學考核方式單調

現有課程考核評價體系缺乏完整性，成績評定主要以出勤率和實驗報告為主，缺乏激勵性和過程性考核機制，不能對“食品科學與工程綜合實驗”課程教學效果動態跟蹤、及時反饋、有效合理評定，偏離“以學生為中心”核心理念，難以達到對實踐教學高階性、創新性和挑戰度的教學要求，不利于實驗課程持續閉環改進。

2 教學模式設計與實施

為切實解決“食品科學與工程綜合實驗”課程教學中存在的問題，教學內容方面遵循“兩性一度”金課標準，側重綜合設計性和創新性實驗，教學方式方面有機融合實驗理論知識、實驗操作技能和專業素養；考核方面強調過程性考核與結果考核等多元化評價方式相結合，著力培養學生解決工程實踐問題的能力，打通從專業到職業能力培養的“最后一公里”。

2.1 課程教學新模式構建

以OBE 為目標設計教學內容，以CDIO 為手段設計實驗教學，共同指導翻轉課堂教學活動設計。通過CDIO 工程教育理念的案例式、小組研討式與學科競賽驅動式教學法與FC（翻轉課堂）相結合，輔以現代教學信息化技術開展線上自主“靈活”學習、線下“真刀真槍”實驗操作、課前課中課后“立體融合式”的綜合實驗教學活動，構建新工科背景下基于CDIO-OBE-FC 的“食品科學與工程綜合實驗”教學新模式。

新工科背景下基于CDIO-OBE-FC 的實驗教學模式改革方案見圖1。

圖1 新工科背景下基于CDIO-OBE-FC 的實驗教學模式改革方案

2.2 課程教學總體目標建立

“食品科學與工程綜合實驗”是食品科學與工程專業人才培養的核心實踐環節。為此，基于新工科建設人才培養核心素養，采用成果為導向的OBE教育理念，將從知識、能力、素質3 個維度，優化設置學生達到畢業要求的問題分析、研究能力、個人和團隊及終身學習等4 個能力指標點，并逆向設計課程相應教學目標，培養學生勇于挑戰的創新思維和實事求是的科學態度，強化并提高學生產品綜合設計、儀器操作、原成品質量分析與控制、數據處理與分析、實驗報告撰寫等能力，并使學生初步體驗食品工廠生產過程，以及生產管理和衛生管理在食品生產中的重要性。

2.3 課程教學內容總體設計與實施

2.3.1 教學內容設計

以學生為中心，從知識建構的角度，以能力培養為導向，依據社會和市場工程技術人才需求，并結合學校食品科技學院教學現狀、生源分析、地方特色及最新科研成果，進一步改革和完善食品類綜合實驗項目教學內容，切實體現實驗項目的自主創新設計性和綜合實踐應用性，形成以學習者為中心的“一思政+三平臺+六模塊”實驗教學內容體系。

“食品科學與工程綜合實驗”教學內容改革方案見圖2。

圖2 “食品科學與工程綜合實驗”教學內容改革方案

“三平臺”即為“食品科學與工程綜合實驗”線上課程建設平臺、國家精品在線開放課程平臺（線上“金課”）及虛擬仿真實驗教學平臺?！傲K”即為發酵制品（如酸奶、啤酒、黃酒、果酒等）加工綜合實驗模塊、果蔬制品（如孔明菜、罐頭、果汁、果凍等）加工綜合實驗模塊、肉制品加工（如風干腸、香腸、肉脯等）綜合實驗模塊、焙烤制品（如面包、蛋糕、餅干、月餅等）加工綜合實驗模塊、食用菌與茶制品（如多糖片或沖劑、蟹味醬、速溶茶等）加工綜合實驗模塊、淀粉制品（如變性淀粉、淀粉糖、牛肉面、方便粉絲等）加工綜合實驗模塊等六大實驗模塊。

2.3.2 教學內容實施

（1）思政教育深度融合。近年來，食品安全事件頻出，因此食品從業人員不僅要具備較強的專業知識和專業技能，還應具有較高的職業素養。為此，在實驗教學中恰當融入思政教育，以培養食品從業者具有良好的職業道德和社會責任感。例如，淀粉制品加工綜合實驗中，引入“龍口粉絲事件”（違規添加碳酸氫銨和氨水等用于增白）及酸奶加工綜合實驗中，引入“皮革奶事件”（皮革廢料或動物毛發水解蛋白粉含有重鉻酸鉀和重鉻酸鈉等有毒物質）等案例，加深學生專業知識，加強學生社會責任意識與職業道德素養。

（2）線上實驗課程網絡平臺建設。借助湖北文理學院校內網絡課程平臺及超星學習通、雨課堂等網絡在線教學平臺進行優質實驗課程的線上建設。線上網絡課程設置實驗教學大綱、教學課件區、教學視頻區、案例/項目區、課程資料區、儀器使用說明區、實驗方案設計區、測試區和作業區、實驗成果與產品展示區、課程研討區、教學問卷區等。學生在課程平臺上可進行實驗預習、自我評價、成果展示及互動交流等。

（3）一流在線開放課程資源共享。依托國家級、省級在線一流開放課程，如“食品加工技術”“焙烤食品加工技術”“肉制品加工技術”“食品發酵技術”等網絡在線“金課”，借助中國大學MOOC、騰訊課堂、微助教、雨課堂等網絡教學平臺，開展自主學習課程教學活動。

（4）虛擬仿真實驗教學。虛擬仿真是一種新的教育生產力，通過構建虛擬現實仿真的實驗教學環境，將抽象復雜且耗時的實驗過程形象逼真地演示出來，具有構想性、交互性和沉浸性等三大特性[10]。以“風味羊羹加工”實驗項目為例，做虛擬仿真實驗平臺結構設計。

虛擬仿真實驗平臺結構設計示意圖見圖3。

由圖3 可知，風味羊羹加工虛擬仿真實驗共分為“工廠設計與管理”“衛生與生產規范”“生產實踐”3 個模塊?！肮S設計與管理”模塊中，主要涉及到整體的生產工藝流程設計、工廠整體布局、生產設備選型與連接及標準化工廠管理等?！靶l生與生產規范”模塊中，主要涉及到虛擬場景下的員工服裝、設備清潔消毒及標準化的衛生管理規范等?！吧a實踐”模塊下設“理論學習”“加工生產線”“創新設計”3 個環節?！袄碚搶W習”環節主要包括羊羹的發展歷程、基本工藝配方、營養與健康知識、生產工藝流程與工藝參數、生產設備與儀器等，采用文字、圖片、語音、視頻動畫、3D 虛擬模塊拆分等方式對初步認知學習知識點與儀器設備進行全方位的展示。學生通過操作虛擬場景下的虛擬人物對關鍵加工工藝參數、關鍵加工設備及相關知識點進行虛擬化的反復實踐學習，提高學生的主觀能動性?！凹庸どa線”部分采用闖關模式，嚴格按照羊羹產品生產加工流程一一闖關。完成一關挑戰，并達到一定的準確度和熟練度后，可獲得解鎖下一關的權限，相繼完成4 個關卡后即可通關成功。通過趣味式和挑戰性的闖關模式，重點考查學生的學習能力，并調動學生的主動學習熱情與情趣?！皠撔略O計”環節考查學生的創新產品工藝設計與生產設備選型和重組的綜合能力。學生可著重從羊羹的形狀、顏色、質地、滋味、營養與功能、節能環保、經濟效益等方面對產品配方與工藝進行綜合創新設計，并完成加工生產線的可行性評估、物料衡算、成本核算、回收期估算、設備選型與重組等。教師可通過后臺，對學生的整體實驗設計、設備選型與連接、經濟技術核算、工廠整體布局等方面進行全面評價，為學生下一階段的工廠實習和畢業設計做好充分的準備工作。

2.4 課程教學方法改革

在新的實驗教學體系中，引入新型教學方法如項目驅動式教學法、案例式教學法、小組探究研討式教學法等，教師的職責不僅在于“教”，更在于按照學科教學目標及人才培養目標引導學生主動“學”，以學生為中心完善考核評價體系。課前，依據CDIOOBE 教學理念，讓學生參與到實驗綜合設計中來。由教師制定總體實驗目的，明確通過該實驗需要達到的教學目標；學生根據教師要求，自主查閱國內外文獻資料，設計實驗工藝技術流程及操作要點，完成網絡教學平臺設置的課前測試評估，并將實驗所需物品及耗材上報，教師審核通過后學生即可開展實驗。教師需要明確實驗項目與具體要求，指導幫助學生建立實驗方法，并對學生設計的實驗流程進行最后審核，確定實驗設計的可行性，并檢查所需耗材用量是否合理，實驗流程是否正確；同時，與學生共同研究和探討具有創新性和探索性的實驗環節，為學生參加“互聯網+”“挑戰杯”“全國大學生生命科學競賽”等學科競賽及申報大學生創新創業訓練計劃等項目做準備，實現學生以賽促學與以研促學的教學目的。課中，主要使學生獲得“項目的規劃與實施能力”。以3～4 名學生為一個實驗小組開展實驗，要求各小組成員根據實驗內容和工藝流程進行合理分工與合作，注意工序的銜接與整合，爭取實驗效率最大化，達到課程指標點的“團隊成員協作的能力”。課后，完成實驗后，進行實驗成果的展示和評價，包括自評、他評和師評，并進行全班集中討論，分享實驗心得，總結經驗。

抹茶味羊羹創新實驗作品見圖4。

圖4 抹茶味羊羹創新實驗作品

3 多元化教學效果評價

考核評估是對教學質量的檢測與反饋，不僅是實驗教學過程中的重要環節，也是實驗教學內容的持續改進與延續[11]。因此，通過構建多元化教學效果評價方式，注重實驗過程的實施及學生技能掌握、創新設計與創新實踐能力的評價，以多維度和全方位展現學生能力（見表1）。教學改革后，結果性考核評價占比由70%降至40%，包括預習實驗報告或實驗綜合設計報告（10%）和實驗總結報告（30%）；過程性考核評價占比由30%提升至60%，包括出勤（5%）、衛生與安全（5%）、實驗技能（15%）、團隊協作（10%）、問題分析與解決（10%）和創新設計（15%）。

表1 “食品科學與工程綜合實驗”課程考核體系

“食品科學與工程綜合實驗”課程考核體系見表1。

出勤考核是實驗教學秩序的基本保障；衛生與安全考核是對實驗安全意識和實驗室的清潔衛生等情況進行綜合評價；實驗技能考核重點評價實驗原輔料的預處理、實驗儀器設備規范操作、理化指標檢測等熟練掌握程度；團隊協作是評價學生的項目分工與合作能力；實踐能力是評價學生的發現問題、分析討論及解決問題的能力；創新設計是重點評價學生的創新工藝與配方的優化設計能力；實驗報告評價重點考核學生的實驗方案和方法科學性、原始數據記錄詳實性和完整性、數據處理的正確性、圖表繪制的準確性及結論分析的合理性等。

實驗課程教學改革前，學生的實驗成績評定相對單一（出勤和實驗報告），班級（食科2018 級，43 人）實驗課程成績分布集中在70～80 分，班級平均成績僅為74 分，課程目標平均達成度小于0.75。采用多元化考核評價方式后（食科2019 級，68 人），班級成績集中于80～90 分，平均成績提升至83 分，課程目標平均達成度0.81 以上，表現優秀（90 分以上）的學生占比接近20%，班級最低分為75 分，最高分為94 分，區分度較為顯著，更加全面合理地展現班級學生的綜合實驗學習效果。此外，參加創新創業及各類學科競賽的人數及獲獎人數逐年增加。其中，大學生創新創業項目立項數量由2021 年的10 余項增至2022 年的20 余項，國家級大創項目由0 項增加至3 項；2021 年全國大學生生命科學競賽（CULSC，科學探究類及創新創業類）中獲得6 項國家級三等獎，2022 年其獲獎數量增加至13 項，其中國家級一等獎1 項，二等獎5 項，三等獎7 項，獲獎率由20%猛增至45%。通過CDIO-OBE-FC 相融合的教學模式及項目牽引和競賽相結合驅動模式，極大地強化了學生的實踐技能和學習熱情、提升了學生的專業和職業素養、激發了學生的實踐創新意識、培養了學生的實踐工程能力，教學效果綜合評價較好，學生滿意度高。

4 結語

新工科建設背景下，“食品科學與工程綜合實驗”課程教學過程中開展CDIO-OBE-FC 有機融合混合式教學模式的探索與實踐，結合實踐過程中的多元化考核評價體系，有利于突破時空限制并兼顧學生個體差異性，學生從被動和低效的學習方式轉變為積極主動與高效的學習習慣，大幅提升學生的實踐參與度與獲得感，逐步實現學生由專業知識學習到綜合實踐創新能力培養的平滑過渡，同時也促使教師專業素質與教學能力的不斷提升，促進實驗教學質量持續閉環改進。該研究可為食品類專業綜合實驗教學改革及創新性實踐型食品專業工程人才培養提供有效手段。