教学质量管理处

    一、教师简介

    沈瑞敏，副教授，《食品工程原理》校级优质课程及课程思政示范课负责人，曾获校级讲课竞赛三等奖2项，食生院院教案评比一等奖。研究方向为天然产物分离纯化及其在食品中的应用，主持湖北省教育厅科研项目1项、校级质量工程项目3项，发表核心论文10余篇。创新“产学研教”协同育人模式，指导学生获“互联网+”创新创业大赛湖北赛区金奖，生命科学竞赛国家级奖项2项，国家级和省级大学生创新项目4项。主持校级课程思政示范课及新工科课程建设，推动“进阶式教学法”与思政育人深度融合，实现学生工程能力与创新素养双提升。2024-2025-2学期所授《食品工程原理A》课程入选武汉设计工程学院校级优质课堂。

    二、教学经验分享

    （一）课程介绍

    《食品工程原理A》是食品科学与工程专业的核心基础课，承担着从理论到工程实践、从研发到工业生产的桥梁作用。课程以新工科建设为导向，围绕动量传递、质量传递和热量传递三大模块，系统讲授流体流动、传热、蒸发、膜分离等单元操作，培养学生解决食品生产设计问题的工程能力。

    我校学生普遍存在数学基础薄弱、工程观念淡薄、畏难情绪严重的问题。针对这些问题，通过重构“案例导入-基础理论-工程应用-系统设计”进阶式课程体系，融入“进阶式思政育人”，化解畏难情绪，实现知识、能力与素养的全面提升。

    以“能力导向、思政赋能”为核心，通过数字化教学资源、虚实结合实验及产学研协同，培养兼具工程能力、创新精神和家国情怀的高素质应用型人才，为食品行业转型升级提供人才支撑。

    （二）教学设计思路

    1.设计理念：以学生为中心，能力与素养并重

    课程以新工科建设为导向，遵循“成果导向教育（OBE）”理念，围绕“知识—能力—素养”三维目标，构建“进阶式教学法”与“进阶式思政育人”深度融合的教学体系。针对学生数学基础薄弱、工程观念淡薄的问题，以“解决复杂工程问题”为核心，通过线上线下混合式教学、虚实结合实验、科研反哺等路径，培养学生工程应用能力与创新思维，同时融入工匠精神、家国情怀等思政元素，实现“学用结合、知行合一”。

    2.课程结构：四阶闭环，层层递进

    采用“案例导入—理论学习—工程应用—系统设计”四阶段闭环教学模式：

    案例导入（以问求学）：以生活现象（如“香蕉球现象”解释伯努利方程）、科研案例或企业实际问题导入知识点，激发兴趣，引出疑问。

    理论学习（以线串珠）：通过3D动画、视频、AR沙盘（如动态演示管路压头损失）等可视化工具，将抽象理论具象化；融入科学家探索精神（如伯努利事迹），强化科学观。

    工程应用（以学代教）：采用“伙伴式学习”，结合真实的工程案例，引导学生解决生产中的实际问题，提升工程应用能力。

    系统设计（以论代授）：结合科研项目发布前沿课题（如沙棘-益生菌生产线的设计），通过分组协作、创新创业大赛等形式，培养创新思维。

    3.混合式教学：数字化赋能，虚实联动

    整合线上资源与线下实践，构建“课前预习—课堂探究—课后拓展”学习链。

    课前线上了解：课前学习通发布相关单元操作的食品生产视频，支持学生自主学习与工厂场景模拟，弥补实践经验的不足。

    课堂互动设计：利用“学习通”实时反馈学习难点，结合“翻转课堂”开展案例研讨（如何从传热的角度提高航天器），动态调整教学节奏。

    课后拓展延伸：布置“家庭实验”（自制净水器）、企业工单实战（如某功能饮品厂污染事故处理），连接理论与社会需求。

    4.课程思政：润物无声，多维融合

    科学态度：通过伯努利方程推导等教学过程，融入“专注探索、追求真理”的科研态度。

    工匠精神：通过老一辈科学家的不屈事迹和当代科学成就，学习大国工匠精神的传承。

    家国情怀：结合沙棘加工生产线设计项目，引导学生关注乡村振兴与碳中和，激发科技报国使命感。

    创新精神：通过解决实际工程问题，在工程应用和系统设计中逐步培养创新精神。

    5.学情应对：精准施策，破冰赋能

    针对学生畏难情绪与工程经验不足，采取：

    分层教学：设置“基础型—应用型—创新性”三级问题链，逐步提升难度。

    虚实互补：通过3D动画演示、VR工厂模拟、Flash流体仿真实验，弥补实践条件短板。

    伙伴互助：组建学习小组，开展分组活动，利用组内讨论、组间学习的方式，促进协作与竞争。

    三、教学案例

    （一）教学案例一 流体流动规律

    1.教学目标 能够在老师的引导下推导连续性方程和伯努利方程，阐述其物理意义及单位转换；能够运用连续性方程解决管道选型、流速估算等实际问题；通过伯努利方程分析典型流动现象，提升工程问题建模能力；通过丹尼尔·伯努利科学事迹的讲解，弘扬科学家严谨求实、追求真理的科学态度。

    2.教学重、难点 重点是连续性方程和伯努利方程的公式及应用。难点是实际流体伯努利方程中能量损失的量化分析。

    3.教学方法

    实验探究法：学生亲自演示科学小实验，激发学习热情。

    案例教学法：结合大禹治水、“香蕉球”现象、大飞机的设计、安全黄线等生活案例分析伯努利方程的应用，打破学生的畏难情绪。

    启发式教学法：启发学生从已知的能量守恒定律推导未知的实际流体伯努利方程，引导学生主动思考。

    4.教学过程

    （1）案例导入

    情境创设：课前学习通布置分组实验活动：要求学生猜测并演示用吹风机从两个气球的中间从上往下吹风，两个气球的现象，并录制视频上传学习通。

    悬念设置：课上播放学生上传的视频，提出“为什么两个球会吸在一起”？播放“香蕉球”视频，提出“足球在空中为什么会自己突然拐弯？”激发学生的探究兴趣。

    （2）参与式理论学习

    环节一——稳定流动与连续性方程

    概念辨析：通过动图对比讲解稳定流动与非稳定流动。

    公式推导：基于质量守恒定律，引导学生自己动手推导连续性方程，强调“管径越小，流速越大”。

    案例分析：以宿舍输水管道为例，要求学生以2人为小组（同桌），计算不同管径下的流速，设计合理管道布局。教师根据设计情况进行点评。

    环节二——伯努利方程的引入与推导

    科学背景：介绍丹尼尔·伯努利的生平，强调其通过和欧拉通信十几年讨论各种科学问题，推动流体力学发展的故事，弘扬科学家严谨求实、追求真理的科学态度精神。

    实际流体伯努利方程：以1kg流体为对象，分析机械能（动能、势能、压力能）守恒，启发学生一步一步参与推导实际流体伯努利方程。强调伯努利方程的几种形式和对应的单位。

    理想流体伯努利方程：引导学生忽略能量损失，得到理想流体伯努利方程，对比两者差异。强调气体引起密度小粘度小，近似理想流体。

    环节三——伯努利方程的应用

    伯努利方程在生活中的应用：引导学生利用连续性方程和伯努利原理分组讨论课前提出的两个现象产生的原因。强调：伯努利原理的能量转化原理，动能减小，静压能增加。

伯努利方程在生产中的应用：动画展示食品生产过程，对照伯努利方程，提出建厂时设备高度如何布置？管道直径如何选择？离心泵的轴功率如何选择？都可以通过伯努利方程进行建模量化。

    （3）分层式工程应用

    设置“基础型—应用型—创新性”三级问题链，分层练习，逐步提升难度。

    基础题：根据连续性方程计算串联管道不同管径段的流速。

    拓展题：解释“香蕉球”现象，根据足球旋转带来足球内外两侧流通面积的差异，先利用连续性方程可知截面积小的内侧流速大；再应用伯努利方程解释动能大，压力小；故外侧流体压力大，内侧流体压力小，导致足球在空中拐弯。

    实践讨论：分组探究设计输水系统，已知高位槽高度、管道长度与直径，计算泵的扬程需求。

    （4）讨论式系统设计

    任务发布：为大学生创新创业大赛课题“情系沙棘林-共建碳中和”设计一条年产10万吨的沙棘发酵果汁生产线，计算把沙棘汁从储罐输送到发酵罐所需的有效功率。

    分组实施：学生课后分6~7人每组，查阅果汁的密度、粘度等资料，通过伯努利方程计算所需轴功率。

    成果评价：组间互评方案可行性，教师总结点评，强化伯努利方程的建模和量化。

    （二）教学案例二 流体的流动现象

    1.教学目标 能够描述层流和湍流现象的特征；书写流动型态的判据—雷诺数；区别流体在圆管内层流和湍流的速度分布；阐明流体边界层的特征。能够运用雷诺数判别食品加工中流体的流动型态。以“大漠孤烟直”诗句引入层流现象，将科学原理与传统文化结合，激发学习兴趣；通过从层流到湍流的变化，融入量变到质变的哲学思维，树立正确的科学观。

    2.教学重、难点 重点是层流与湍流的本质区别及雷诺数判别标准（Re<2000为层流，Re>4000为湍流），层流的速度分布。难点是流体边界层的抽象概念及其对流体流动的影响。

    3.教学方法

    虚拟实验法：利用虚拟仿真软件动态演示雷诺实验，观察染色线在层流与湍流中的形态变化。

    案例教学法：结合飞机飞行中的湍流现象、食品加工中的流体输送案例，引导学生分析实际工程问题。

    对比归纳法：通过板书对比层流与湍流的速度分布特征，强化学生对规律的理解。

    课程思政融入：以“大漠孤烟直”诗句引入层流现象，将科学原理与传统文化结合，激发学习兴趣；通过从层流到湍流的变化，融入量变到质变的哲学思维，树立正确的科学观；通过工程应用中的节能减排，激发社会责任感，燃起科技报国的热情。

    4.教学过程：

    （1）案例导入

    情境创设：通过对比“黄河瀑布湍流”与“小溪缓流”的动图，提问“不同流动现象对生产生活的影响”，引发学生对流动现象的直观认知。

    悬念设置：播放飞机遇到湍流的广播录音，抛出问题“什么是湍流？如何避免其危害？”，激发学生探究兴趣。

    （2）参与式理论学习

    环节一——流动型态分类与雷诺实验

    虚拟实验：动态演示雷诺实验，观察层流（染色线平直）与湍流（染色线紊乱）的形态差异，引导学生归纳两类流动的特征。

    文化融合：结合诗句“大漠孤烟直”提问其对应的物理现象（层流），将科学原理与传统文化结合，增强课堂趣味性。

    公式推导：根据雷诺实验，引导学生思考流动型态发生变化的影响因素，经小组讨论、班级交流后，总结雷诺数公式，强调其为无因次数群，并讲解判别标准（Re<2000为层流，Re>4000为湍流）。思政融入“量变到质变”的哲学观，激励学生踏实治学，避免因懈怠导致差距。

    环节二——圆管内的速度分布规律

    层流速度分布：通过引导学生推导抛物线方程，计算平均速度与最大速度的关系，结合实验数据验证规律。

    湍流速度分布：对比层流，说明湍流核心区速度梯度小、分布更均匀的特征。

难点突破：结合剖面图引导学生分析流体边界层的形成机制，小组讨论其对摩擦阻力和传热效率的影响。

    （3）分层式工程应用

    设置“基础型—应用型—创新性”三级问题链，分层练习，逐步提升难度。

    基础题：独立计算水管中水流雷诺数，判断流动型态。

    拓展题：同桌讨论分析换热器中采用湍流增强传热效率的原因。

    实践讨论：分组探究“宿舍水龙头全开时管道内的流动型态”，结合管径、流速与流体性质进行计算，组间分享，伙伴学习。

    （4）讨论式系统设计

    任务发布：在学习通平台发布案例：某果汁生产线因湍流导致果肉沉积，请分析故障原因并提出层流输送方案。

    分组实施：学生课后分6~7人每组，查阅资料，通过雷诺数计算验证假设，设计管道优化方案（如增大管径、降低流速）。

    成果评价：组间互评方案可行性，教师总结节能与质量保障的平衡策略，强化工程伦理意识。

    （三）教学案例三 流体的流动阻力

    1.教学目标 能够在老师的引导下推导出直管阻力通式并说出其物理意义；

    阐述层流与湍流状态下摩擦系数的影响因素，会应用莫迪因数图查摩擦系数；能够运用伯努利方程结合直管阻力通式解决实际工程中的能量损失计算问题；通过案例分析培养工程思维，提升解决复杂问题的能力；将科学家的爱国事迹融入融入顾敏珍公式的讲解，学习大国工匠精神的传承。

    2.教学重、难点 重点是直管阻力通式的应用、莫迪图的运用和摩擦系数的影响因素。难点是湍流摩擦系数的经验公式推导与莫迪因数图的灵活运用。

    3.教学方法

    案例教学法：以牛奶生产线管路系统为例，直观展示流动阻力的工程背景。

    启发式教学法：通过直观的动画和图示，启发学生从已知的受力分析推导未知问题公式，引导学生主动思考。

    分层教学法：针对不同流动型态（层流/湍流）设计梯度练习，强化应用能力。

    讨论探究法：围绕非圆直管阻力问题，组织小组讨论，培养创新思维。

    4.教学过程

    （1）案例导入

    情境创设：课前学习通布置牛奶生产视频的学习，提出问题：“如何量化管道中流体的机械能损失？”

    知识链接：课上带学生回顾伯努利方程，指出方程中的“机械能损失项”即为流动阻力，明确本节课目标：直管阻力的计算与分析。

    提出挑战性问题：若管道长度增加一倍，阻力损失如何变化？工程师如何优化设计？

    （2）参与式理论学习

    环节一——管路系统组成分析

    通过牛奶生产线实例，引导学生归纳管路系统的两大组成部分：直管与局部件（阀门、弯头等），明确本节课聚焦直管阻力。

    环节二——直管阻力通式推导

    公式推导：该环节学生每2人（同桌）为一小组，全程参与推导过程。教师给出直观图示，引导学生对流体质点进行受力平衡分析；再引导学生结合牛顿黏性定律，推导出直管阻力公式。

    公式深化：根据学生参与推导的直观阻力公式，通过动画演示，对比层流与湍流状态下的速度分布，强调公式的普适性（适用于任何流动型态和管道方向）。回答课前提出的问题。

    环节三——摩擦系数探究

    原因分析：提出新问题，直管阻力公式中的摩擦系数和那些因素有关？如何解决？学生积极思考。教师根据学生的回答引出层流和湍流分析。

    层流分析：引导学生由哈根-泊肃叶方程推导层流摩擦系数公式。

    湍流分析：结合实际的实验工作量，引入因次分析法，讲解湍流摩擦系数的影响因素（雷诺数、相对粗糙度）。介绍顾敏珍提出的简化公式，强调中国科学家的贡献，融入大国工匠精神。

    （3）分层式工程应用

    设置“基础型—应用型—创新性”三级问题链，分层练习，逐步提升难度。

    基础题（层流摩擦系数的计算）：给定雷诺数要求学生判断流动型态并计算摩擦系数。

    拓展题（直管阻力的计算）：提供果汁输送的实际工程案例，要求学生分组完成摩擦系数的查取和输送果汁管路的阻力计算。

    实践讨论：对比经验公式与莫迪图的结果，课堂讨论误差来源，强调工程实践中“安全系数”的重要性。

    （4）讨论式系统设计

    任务发布：学习通展示方形通风管道实物图，并发布分组活动话题：非圆直管的阻力如何计算？能否直接套用圆管公式？

    分组实施：学生课后分6~7人每组，查阅资料、探讨“当量直径法”的可行性，结合流体力学原理提出改进思路。

    成果评价：组间互评方案可行性，教师总结归纳当量直径的定义，并强调该方法在工程近似计算中的应用局限性。

    在食品工程原理课程教学中，构建了"以学生为中心、能力与素养并重"的教学模式。针对学生数学基础薄弱、工程经验欠缺等问题，采用"案例导入-理论学习-工程应用-系统设计"四阶闭环教学：通过生活现象激发兴趣；运用3D动画等可视化技术具象化抽象理论；依托真实工程案例开展伙伴式学习；结合科研项目进行生产线设计实践，形成"学用结合"的工程能力培养链条。数字化赋能实施混合式教学，构建"预习-探究-拓展"三维学习链：课前通过工厂模拟视频弥补实践经验；课中采用翻转课堂研讨工程案例；课后延伸至家庭实验与企业工单实战。针对学情实施分层教学、虚实互补、伙伴互助机制，有效化解畏难情绪。课程思政多维渗透，在理论推导中融入科学家探索精神，在案例教学中植入工匠精神与家国情怀，通过沙棘生产线的设计等课后拓展项目引导学生关注乡村振兴与中国梦。实现知识、能力与素养的协同提升，为食品行业培养具备创新精神与实践能力的复合型人才。