BOPPPS-CDIO相结合教学模式在“食品专业综合实验”课程中的教学改革与实践

从卓越工程师培养计划到新工科建设,工程人才的培养已成为我国工程教育改革发展的重要方向之一。随着我国成为国际本科工程学位互认协议《华盛顿协议》的第18个成员,我国工程教育国际化又迈出了至关重要的一步。高等院校致力于为社会和行业培养卓越的工程人才,其核心是培养大学生的工程思维以及应用理论知识解决实际问题的能力[1]。

为了契合现代食品工业的转型升级和高质量发展,高等院校开设一系列工程实践类课程,以培养食品行业所需的创新型和实践型工程人才。河北科技大学“食品专业综合实验”自1981年专业建立伊始便已设立,是食品科学与工程和食品质量与安全专业的核心课程之一,面向已掌握食品生物化学、食品微生物、食品工艺学、食品化学、食品分析、食品技术原理等专业知识的学生所设置的一个综合性的实践教学环节。该课程具有工程实践性强等特点,是理论知识转化为实践能力的重要途径之一,同时也是学生从在校学习进入食品行业的“最后一公里”。受限于理论知识不扎实和动手能力薄弱等问题,综合实践能力得不到有效提升,而这正是食品工业从业人员所应具备的基本素养。

传统的讲授型教学模式已难以适应食品行业工程人才的培养,探索新的教学模式来提高教学效果势在必行。加拿大教学技能发展工作坊开发的BOPPPS(bridge-in,objective,pre-assessment,participatory learning,post-assessment,summary)教学模式陆续被引入国内高校教师培训中并应用于理论课程教学实践中,该教学模式在学生的深度参与学习方面已取得不错效果[2]。在工程教育领域,麻省理工学院等4所院校共同推动的CDIO(conceive,design,implement,operate)工程教育模式,注重培养学生的实践能力,是近年来工程教育领域改革最具影响力的成果之一[3-4]。笔者所在的教学团队以工程教育专业认证和新工科改革为契机,结合国内外工程教育发展和改革的趋势,积极转变教学理念,探索BOPPPS-CDIO相结合教学模式在“食品专业综合实验”中的教学改革和实践,旨在调动学生积极性,提升学生理论知识水平、创新思维、团队协作和解决复杂工程问题等能力,为相关食品类实践课程的教学改革提供一些思路和参考。

1 课程现状与典型问题

我校“食品专业综合实验”开设在第7学期,共计60学时,内容涉及乳制品、肉制品、果蔬制品和焙烤制品等方面,具有涉及面广、兼顾理论知识和实践能力等特点。近年来经过一系列改革和探索,提高了学生学习效果,但课程教学仍存在部分问题,这也是其他高校“食品专业综合实验”普遍面临的困难和挑战[5-7]。

首先,实验项目内容设置不科学。受限于以往仪器设备等实验条件,部分实验项目内容简单和陈旧,不能紧密对接现代食品工业,难以培养学生的工程意识和解决复杂工程问题等能力。实验项目类型以验证型实验数量居多,设计型和综合型实验数量较少,学生重复同样的实验操作得到类似的实验结果,导致学生学习热情不高、积极性不够。最为重要的是,传统实验项目限定了实验内容,无法给学生提供创新设计的自主空间,学生的创新思维得不到充分施展。

其次,教学手段不丰富,引导式教学不足。通常是教师先讲授理论知识,再演示实验操作,填鸭式的教学模式在教师与学生之间形成无形的屏障,处于被动的学习状态的学生在整个过程中缺少独立自主思考,导致理论知识不扎实,不会用理论知识解决实验问题等。在实验操作环节,由多名学生共同完成产品的制作,部分学生流于形式地完成实验预习报告,没有完全掌握实验原理和实验操作,加之没有明确的实验分工和有效的参与度考核,导致部分学生在实验过程中参与较少或者仅是照本宣科地机械性操作,没有达到有效锻炼其综合实践能力的目的。

最后,考核方式难以全面评价学生的学习成效。现有课程考核方式以实验报告为主,平时成绩为辅,不能合理评价学生在实验过程中的表现,不利于充分调动学生的积极性。作为一门综合型实验课程,“食品专业综合实验”涉及环节较多,包括课前的资料调研和预习/设计报告写作,课堂上的理论知识学习、实验动手操作、团队沟通协作、实验问题的分析解决等,课后的原始数据处理、实验结果分析和实验报告撰写,因此课程的考核方式应涵盖上述环节,注重过程性评价和结果评价相结合。

2 教学内容设计与实施

2.1 课程建设总体目标

为了切实解决“食品专业综合实验”课程中的问题,教学内容上侧重设计型和综合型实验,突出金课标准中的“两性一度”(高阶性、创新型和挑战度),有机融合专业知识、实验技能和综合素质,强调培养学生解决复杂工程问题能力,着力打通专业与行业的“最后一公里”。本课程中的理论教学引入BOPPPS教学模式,将教师的职能从知识讲授者转变为课程设计者,引导学生全方位参与式学习,代替传统的单纯听讲;实验教学引入CDIO工程教育模式,将教师的职能从实验内容的讲述者转变为实验方案设计的引导者,培养学生应用已掌握的专业知识和实验操作技能,自主地实施实验项目,并且能针对实验过程中的不足和失败之处提出行之有效的解决方案。

2.2 教学内容设计

课程改革的一个重要方面是改革和完善实验项目,给予学生更多的自主空间,使其能充分施展创新设计和综合实践能力。例如,在乳制品实验中,将酸乳制作实验和含乳饮料制作实验整合为综合型的含乳饮料的制作与检验实验,学生历时2天完成从原料乳到含乳饮料制作的全过程,涵盖酸乳发酵、稳定剂配制、混料调酸、均质、杀菌和理化参数测定等一系列实验内容,以锻炼学生对实验流程整体性的认知和把控。

为提高学生的工程意识和工程能力,使实验项目能紧密对接现代食品行业,专业补充购置了全自动原位冻干机、果汁小型生产线和超高温瞬时微型管式杀菌系统等仪器设备。得益于设备的更新,增设了基于工业化生产线的原料乳的超高温瞬时灭菌实验,由教师和学生共同操作复杂仪器完成实验内容;增设采用全自动原位冻干机的冻干果蔬干制作实验,探究不同水果和蔬菜的冻干工艺,使学生了解方兴未艾的冻干食品产业;将果汁制作由原有的小试规模制作提升为小型生产线规模制作,学生可通过两者之间的差距进一步锻炼实践能力,加深工程意识。

为突出课程的创新性和高阶性,增设以竞赛方式进行的创新实验[8-9]。如在面包制作实验和蛋糕制作实验的基础上开设焙烤创新实验,实验小组自主选择焙烤产品类型并设计实验方案,在教师指导下进行多次预实验以获得最佳工艺参数,并完成产品制作。创新实验源于课程内容、高于课程内容,是课程内容进一步向外延伸,着重锻炼学生的创新设计能力和综合实践能力。

2.3 教学内容的实施

2.3.1 基于BOPPPS教学模式的理论教学改革

“食品专业综合实验”的理论教学不仅是为了学生掌握专业知识,而且应该让学生的独立思考、发现和解决问题等能力得以提升。教学团队基于BOPPPS教学理念,将以教师为中心的灌输式理论教学转变到以学生为中心的全方位参与式学习,结合实验项目的特点和学生的实际情况,对本课程的理论教学进行改革和探索。

以含乳饮料的制作与检验实验为例,介绍BOPPPS课程设计以及课堂教学过程的模块化分解(表1)。通过展示不同风味的含乳饮料引入(bridge-in)课程内容,引发学生思考如何制作不同风味含乳饮料。然后,言简意赅地阐明学习目标(objective)是掌握酸乳制作工艺流程和含乳饮料稳定性的调整和控制方法,使学生准确把握学习方向。尽管课前布置预习报告,部分学生不能较好地掌握实验操作及其原理,通过前测(pre-assessment)了解学生的预习情况,根据摸底情况反馈的信息实时调整后续教学活动。参与式学习(participatory learning)环节是课堂教学的核心内容,通过师生互动、组内讨论等方式调动学生积极性。例如,学生基本掌握预热处理的目的是杀灭原料乳中的杂菌,此外其他作用多数同学并不了解,教师引导学生思考“发酵成品未能凝固是否和预热处理有关”,各实验小组讨论并做出回答,最后教师讲解该处理还可使乳清蛋白变性,从而达到改善组织状态和防止成品乳清析出等目的。同样地,针对其他关键知识点,教师也提出预设问题,引导学生自主思考、深度参与和交流讨论,最后由教师讲细致讲解。需要强调的是,教师在此环节仍起到主导作用,教师课前的教学设计和课上的有效引导是学生深度参与学习的重要前提。后测(post-assessment)和总结(summary)部分不仅在理论教学进行,还要贯穿于实验过程中,使学生能够达到“知其然知其所以然”的目的。

教学团队将BOPPPS教学模式应用于每个实验的理论教学设计,鉴于实际教学受到不可控因素的影响,并不形式化照搬拘泥于其6个模块,而是更加注重学生通过“参与式学习”,从而深度参与到课堂中来。通常按照“教师/学生提出问题-实验小组分析讨论-组间互动-得出结论”的教学思路在教学中具体实施,通过师生互动和生生互动来提高学生的课堂参与度,让学生掌握扎实的专业知识,并推动学生将知识内化为解决实际问题的能力。

2.3.2 基于CDIO教学模式的实验教学改革

实验教学是理论和实践相结合的纽带,对培养学生的工程能力、创新思维和团队协作等能力起着至关重要的作用。教学团队基于CDIO的工程教育理念,将实验环节分解为构思(conceive)-设计(design)-实现(implement)-运作(operate)[10-11],按照“项目为载体,教师为引导,学生为中心”的思路进行实施,鼓励学生在实验中“做中学”(图1)。实验项目设计或实施由3～4名学生组成实验小组协作完成,要求明确每个实验项目的团队分工情况;对于一些理化指标的原始数据测定,要求全员依次动手参加。

以果蔬制品加工设计实验为例,介绍CDIO理念在课程中的贯彻和实施。各实验小组从冻干果蔬干制作、水果罐头制作、果酱制作和果汁制作中选择一个子项目(下面以冻干果蔬干制作为例),学生构思实验内容并形成初步方案,教师组织学生探讨方案的创新性、可行性和拟解决关键问题等。在此基础上,学生开展文献调研和资料索引,组内讨论后撰写实验方案,在实验开设一周前提交给教师。结合GH/T 1326—2021《中华人民共和国供销合作行业标准冻干水果、蔬菜》和实验室现有仪器设备情况,教师点评实验方案中的工艺流程、工艺参数等内容,指出错误和需要改进的地方。实验小组进行新一轮的资料查阅和组内讨论来补充和完善设计报告,撰写设计报告过程中可有效锻炼学生的发现、分析和解决问题的能力。结合事先录制的全自动原位冻干机操作视频,教师演示仪器操作和讲解注意事项。实验小组依次开展仪器操作演练、实验操作、产品的理化指标测定和感官评价,如遇到的实验问题,组内讨论、分析并及时调整实验。实验结束后,教师检查各组的原始数据和实验结果,若出现操作失误以至于未能获得原始数据,则需要分析原因并重新做实验。

教学团队遵循CDIO工程教育的理念,在综合型、设计型和创新实验中按照“构思实验方案-查阅文献资料-设计实验方案-实施实验操作-撰写实验报告”开展实验环节,教师充分引导学生使其发挥主导作用,锻炼学生应用专业知识解决实验中遇到的问题,显著提升学生的创新思维、分析解决问题和团队协作能力。囿于验证型实验本身的特点,CDIO教学模式中的“构思-设计”难以在验证型实验中开展。

BOPPPS-CDIO相结合教学模式在理论和实验教学上是相互补充、相互促进的[12]。BOPPPS教学模式更适用于验证型和综合型实验,可使学生掌握扎实的专业知识和实验操作技能,为复杂实验项目夯实基础;CDIO教学模式则更侧重于设计型和创新型实验,着重锻炼学生的创新设计、团队协作等能力。

2.3.3 课程-竞赛相结合驱动教学改革

在BOPPPS-CDIO教学改革基础上,以课程-竞赛相结合的教学模式开设创新实验竞赛,鼓励学生在特定实验主题下将创新想法和专业知识有机融合,自主设计实验方案,并解决实验过程中遇到的问题。创新实验竞赛的开展旨在进一步拓展实验项目的创新性,促进学生将理论、实践和创新思维深度结合,以及更深入把控实验的整体性。

以焙烤创新实验为例介绍课程-竞赛相结合教学模式,该实验紧密结合“大健康、大营养”主题,学生可自主选择感兴趣的焙烤产品类型,在产品在创意、营养、外形等方面具有一定的创新性设计。焙烤创新实验遵循CDIO理念及其实施流程,实验小组预先提交实验方案,教师在方案可行性、工艺流程、操作细节等方面予以指导。实验室提供面粉、食用油、白砂糖等用量较大的原材料,其余原材料由学生提出、实验室统一购买或者学生自行购买。实验小组通常需要2～5次预实验不断地优化工艺参数,直至确定产品工艺,实验室全天开放以供学生进行试验,期间指导教师不断给予建议以便学生及时调整实验流程。预实验完成后,每个班级在课上统一完成焙烤产品的制作,随后各组分别进行展示性发言,介绍本组产品的设计理念、创新元素、营养价值等。由本系教师组成评委团对焙烤产品进行品鉴,从焙烤产品的创意、营养价值、口感、外形、风味、特定消费人群等多方面进行提问,由学生一一作答。

焙烤创新实验竞赛自2017年起已举办了5届,取得了很好效果。与传统实验项目相比,创新实验竞赛可大幅提升学生自我挑战意识,培养探索精神,增强心理素质,强化组织协调和沟通交流能力等。课程-竞赛相结合教学模式改革对教师的教学提出了更高要求,教师需要不断探索新的实验方案,将实验教学与实际应用紧密结合,促进教学方法和教学内容的改革。课程-竞赛相结合教学模式改革为“食品专业综合实验”的课程建设提供多元化的教学手段和组织方式,同时也能为食品类相关实验课程建设提供有益的探索。

3 考核方式与效果评价

考核方式是检验学生学习效果的重要依据,同时也是提高教学质量的关键[13]。以往考核方式由平时成绩(含出勤和实验表现,30%)和实验报告(70%)两部分组成,缺少系统性考察学生在整个学习过程中的学习能力和综合素质,导致部分学生在实验过程中参与度不高,实验报告相似度严重,陷入“交报告前突击写,交报告后忘得快”的恶性循环。

通过构建注重过程性评价的多元化考核方式,侧重学生在理论学习和实验学习全过程的知识学习和技能掌握,同时也关注学生在创新设计、团队协作和解决复杂工程问题等方面的能力(表2)。教学改革后,过程性评价占比提升至60%,包括出勤(10%)、知识水平(25%)和专业能力(25%);报告撰写的占比降至40%,包括实验预习报告或实验设计报告(10%)和实验报告(30%)。(1)出勤考核是传统考核内容,加强出勤考核对严肃课堂纪律和维护日常教学秩序是十分必要的,学生无故旷课或迟到30 min,本次的实验项目记为零分。(2)知识水平考核要求学生在整个实验环节懂原理、会操作,以实验小组为单位的BOPPPS参与式学习和随堂测试2方面,考察学生专业知识的掌握程度。(3)专业能力主要考核以下3方面,首先是学生在实验过程中仪器设备操作、实验材料处理、理化指标测定等实验技能;其次,实验中遇到问题时,学生讨论分析问题并提出解决方案的能力;最后,以教师评价和学生组内互评相结合的方式,考察实验小组的组内分工、参与程度和协同合作的能力。(4)报告撰写涉及预习报告(针对验证型和综合型实验)或设计报告(针对设计性实验和创新实验竞赛)和实验报告2方面。实验报告要求学生原始记录翔实,材料方法完整,数据处理正确,结果分析合理等。需要指出的是,我们鼓励学生做到“做中学”以及从失败中总结经验,如果实验结果不理想,但分析总结到位,并提出具有可行性的改进方案,也可以给高分。

改革前学生的平时成绩评价依据单一,平时成绩(2016级,62人)大多集中在80～90之间,区分度较小(<0.2)(图2-a);采用侧重过程性评价的多元化考核方式后(2017级,62人),表现突出的同学得到100分,表现较差的学生仅拿到68分,成绩的区分度较为显著(>0.4),更加合理地评价了学生在实验过程中的表现。与改革前相比较,总成绩在高分阶段的学生人数增加明显(图2-b),这得益于BOPPPS-CDIO相结合教学模式和课程-竞赛相结合教学模式行之有效地提高学生积极性和参与度,培养了学生扎实理论基础和实践能力。

4 结语

“食品专业综合实验”课程中开展BOPPPS-CDIO相结合教学模式的探索和实践,结合注重过程性评价的多元化评价体系,学生从低效、被动的学习方式转变成高效、主动的学习方式,大幅提高学生的课堂参与度,在加强学生理论知识水平、创新设计、团队协作和解决复杂工程问题等方面取得显著成效。同时,探索课程-竞赛相结合教学模式,有效促进学生综合实践能力的提升,着力打通从专业与行业的“最后一公里”。该研究可为创新型和实践型食品专业工程人才的培养提供有效途径。

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