丁麗芹

[摘要]化工熱力學(xué)是化學(xué)工程與技術(shù)一級學(xué)科下屬各專業(yè)的專業(yè)教育核心課程。課題組倡導(dǎo)在化工熱力學(xué)翻轉(zhuǎn)課堂模式的教學(xué)設(shè)計中，應(yīng)包括課前精心備課、課堂組織教學(xué)以及課后考核評估三個環(huán)節(jié)，“以學(xué)生為中心”。采用“設(shè)疑-解疑-答疑”的漸進(jìn)式教學(xué)方法，強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)理論與工程實際的緊密結(jié)合，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力，為高素質(zhì)工程技術(shù)人才的培養(yǎng)奠定基礎(chǔ)。

[關(guān)鍵詞]化工熱力學(xué);翻轉(zhuǎn)課堂;教學(xué)方法;自主學(xué)習(xí);考核方式

[中圖分類號]G642

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

[文章編號]2095-3437（2020）04-0109-03

作為一種新穎的教學(xué)方式，翻轉(zhuǎn)課堂（Flipped Classroom）就是指將授課教師的“教”和學(xué)生們的“學(xué)”徹底翻轉(zhuǎn)、顛倒過來，將學(xué)習(xí)的主動決定權(quán)從教師轉(zhuǎn)移給學(xué)生，以“學(xué)生為中心”進(jìn)行教學(xué)，又稱為顛倒課堂（Inverted Classroom）。上課前，學(xué)生通過看視頻、聽播客、閱讀書籍等進(jìn)行自主學(xué)習(xí);課堂上，教師以學(xué)生提出的問題為引導(dǎo)，重點為學(xué)生答疑解惑，而無須系統(tǒng)講解相關(guān)知識;下課后，學(xué)生則自主規(guī)劃復(fù)習(xí)學(xué)習(xí)內(nèi)容及其節(jié)奏。因此，翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)方法實質(zhì)就是將知識的傳播和知識的內(nèi)化兩個教學(xué)過程進(jìn)行顛倒，這種教學(xué)方法的應(yīng)用能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，極大地促進(jìn)學(xué)生的主動學(xué)習(xí)。

化工熱力學(xué)是化學(xué)工程與技術(shù)一級學(xué)科下屬各專業(yè)（如化學(xué)工程與工藝專業(yè)、能源化學(xué)工程專業(yè)等）的專業(yè)教育核心課程，此課程基于數(shù)學(xué)、物理化學(xué)及工程基礎(chǔ)知識等，以熱力學(xué)基本定律為基礎(chǔ)，用熱力學(xué)函數(shù)（P、V、T、H、S等）分析某些化工過程達(dá)到平衡的條件、狀態(tài)和能量利用及其效率問題，制訂節(jié)能降耗措施，以提高過程能量利用率。對于化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)科的學(xué)生而言，這是一門從基礎(chǔ)課過渡到專業(yè)課的橋梁課程，必須掌握其基本理論知識，才能具備分析和解決工程中有關(guān)化工熱力學(xué)問題的能力。然而，化工熱力學(xué)這門課的特點是理論性較強(qiáng)、概念抽象、公式繁多（多達(dá)106個公式），導(dǎo)致學(xué)生認(rèn)為這是一門“焓焓”糊糊、“熵”透腦筋的課程而產(chǎn)生畏難情緒。此外，教師們在講授這門課時大多采用“填鴨式”的傳統(tǒng)授課方式，忽略了學(xué)生個性化學(xué)習(xí)、自主學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)。

2017年9月到2018年10月，筆者有幸到美國得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校（The University of Texas at Austin，UT）以訪問學(xué)者的身份進(jìn)修了1年。通過學(xué)習(xí)，收獲頗豐，在此結(jié)合化工熱力學(xué)課程教學(xué)現(xiàn)狀，闡述課程團(tuán)隊教師需要精心重新構(gòu)建化工熱力學(xué)的教學(xué)設(shè)計，包括課前精心備課、課堂組織教學(xué)以及課后考核評估三個環(huán)節(jié)，希望能對課堂教學(xué)注入一點活力，提供一定的參考。

一、課前精心備課

與傳統(tǒng)備課方式不同，要達(dá)到翻轉(zhuǎn)課堂的效果，教師在課前必須通過制作微視頻、制作“空白”型PPT、設(shè)置問題和疑點，督促學(xué)生查閱資料。

1.教學(xué)微視頻必須短小精悍。時長控制在學(xué)生能夠集中精力的范圍之內(nèi)（如小于10min），可以通過動畫、圖片、文字等表達(dá)應(yīng)該掌握的相關(guān)知識點。此外，微視頻的內(nèi)容在基于理論教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，必須密切聯(lián)系實際生產(chǎn)或生活中的實例。比如，在講授狀態(tài)方程的應(yīng)用時，結(jié)合能源利用現(xiàn)狀，設(shè)置問題：同樣一罐壓縮天然氣，夏天跑的里程為什么比冬天的短？提示學(xué)生可以分別應(yīng)用理想氣體狀態(tài)方程、RK方程等計算一定體積的儲氣罐在一定壓力（如20MPa）和不同溫度（冬天15℃，夏天為45℃）下壓縮天然氣能行駛的里程數(shù)。理論聯(lián)系實際，讓學(xué)生明白所學(xué)知識可以應(yīng)用，這樣可大大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動性。

2.制作“空白”型PPT。傳統(tǒng)的PPT內(nèi)容翔實，問題及解決方法盡在其中，鼠標(biāo)輕輕一點，公式映入眼簾，學(xué)生感覺眼花繚亂，沒有思考的時間和余地。而“空白”型PPT是一種設(shè)置了疑點的PPT。例如，UT的Ganesan教授在講授系統(tǒng)與環(huán)境相關(guān)知識時，學(xué)生課前拿到的PPT上僅有封閉系統(tǒng)的特點：“與環(huán)境之間沒有物質(zhì)傳遞，但有能量傳遞”，而孤立系統(tǒng)和開放系統(tǒng)的特點需要學(xué)生自己總結(jié)。此舉極大提高了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，正應(yīng)了“Tell me，I will forget;Show me，I may remember;Involve me，I will understand”這句話。

3.設(shè)置問題和疑點，督促學(xué)生查閱資料。針對課程概念抽象、公式繁多的特點，備課并不能完全局限于現(xiàn)代多媒體教學(xué)方法，也可以適當(dāng)采用傳統(tǒng)方法，教師在上課前給學(xué)生設(shè)置問題和疑點，促使學(xué)生查閱資料，主動思考，學(xué)習(xí)新知識。美國高校的本科生教學(xué)大多數(shù)是沒有固定教材的，教材只是授課教師的參考資料，教學(xué)內(nèi)容是由教師參考最新研究和一些經(jīng)典教材自己組織的，并不局限于某一本教材。因此，為了解決教師提前設(shè)置的問題和疑點，學(xué)生不得不通過網(wǎng)絡(luò)、圖書館等查閱資料解決，大大提高了其學(xué)習(xí)的主觀能動性。

可見，課前精心備課、設(shè)置疑點是實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)課堂的關(guān)鍵步驟，可以說，教師是學(xué)生學(xué)習(xí)過程的設(shè)計者。

二、課堂組織教學(xué)

在課堂教學(xué)中，教師們可以通過翻轉(zhuǎn)課堂的模式組織教學(xué)，聽取學(xué)生在自學(xué)過程中遇到的各種問題，采用啟發(fā)式教學(xué)、案例式教學(xué)和課堂分組討論等形式解決，并針對學(xué)生提出的問題進(jìn)行重點講解和章節(jié)總結(jié)，深化知識點的關(guān)聯(lián)性，加深學(xué)生對課程內(nèi)容的理解。另外，也可結(jié)合學(xué)生就業(yè)講授教學(xué)內(nèi)容，強(qiáng)化與學(xué)生的交流和互動，注重使學(xué)生深入理解所學(xué)知識，提高教學(xué)效果。

1.采用啟發(fā)式教學(xué)，營造輕松安全的氛圍。在課堂教學(xué)中，教師應(yīng)將傳統(tǒng)系統(tǒng)講授知識的精力用于精心組織課堂教學(xué)，以解惑和討論為主，注重通過翻轉(zhuǎn)課堂強(qiáng)化與學(xué)生的交流。這就要求教師需要提前收集學(xué)生在課前自學(xué)中遇到的問題，針對這些問題進(jìn)行重點講解，答疑解惑，使學(xué)生聽后有種豁然開朗的感覺，同時通過隨堂測試、課堂提問、師生互換、單元測試等教學(xué)方式和手段，督促學(xué)生主動認(rèn)真學(xué)習(xí)，以達(dá)到提高教學(xué)效率和效果的目的。由于實行翻轉(zhuǎn)課堂的授課方式，學(xué)生都是有備而來，在解決學(xué)生提出的疑點和授課過程中，可更多采用美國倡導(dǎo)的“以學(xué)生為中心”（Student-Centered-ness，SC）的啟發(fā)式教學(xué)方法。啟發(fā)式不僅體現(xiàn)在提出問題、解決問題、師生討論方面，而且與教室的布局、生生討論有關(guān)。美國高校的教室布置非常隨意，椅子是可以活動的，方便學(xué)生之間進(jìn)行小組討論;也有的教室類似國內(nèi)固定座椅的布局，學(xué)生坐著聽教師講課，但是授課教師講課時在教室里隨意走動，有利于學(xué)生集中精力聽課;每一間教室都有多媒體、各種投影儀等，教師通過投影儀邊寫邊講學(xué)生提出的各種疑點，有利于學(xué)生對疑點難點的消化和吸收。因此，面對國內(nèi)教室布局，教師可以不拘泥于講臺而是通過在教室隨意走動督促學(xué)生集中精力，引導(dǎo)學(xué)生思考，鼓勵學(xué)生提問，并把積極提問的頻次作為判斷學(xué)生學(xué)習(xí)能力的一個重要標(biāo)準(zhǔn)之一，使學(xué)生成為教學(xué)活動的參與者和領(lǐng)跑者。課堂氛圍不僅需要輕松活潑，而且需要一種安全的氛圍，即學(xué)生可以毫無負(fù)擔(dān)地提出任何問題，甚至可以質(zhì)疑教師的觀點，而不被斥責(zé)或在總成績中因此舉降低分?jǐn)?shù)。

2.及時總結(jié)內(nèi)容，深化知識點的關(guān)聯(lián)性。及時總結(jié)內(nèi)容包括學(xué)生分組討論總結(jié)和教師總結(jié)兩部分。在講解相關(guān)疑點難點重點后，教師可以按照座位確定5～10人為一組，并用數(shù)字為每個小組編號，確定組長，通過集思廣益、各抒己見去總結(jié)本章節(jié)的內(nèi)容，采取激勵措施，使各組之間形成競爭的氛圍，并通過總結(jié)使學(xué)生理解各知識點之間的關(guān)系。當(dāng)學(xué)生在進(jìn)行小組學(xué)習(xí)和討論總結(jié)時，授課教師在教室走動給予幫助和指導(dǎo)，這樣不僅培養(yǎng)了學(xué)生現(xiàn)代社會所需的合作學(xué)習(xí)能力和團(tuán)隊協(xié)作能力，而且也為教師自己后續(xù)的總結(jié)收集、補(bǔ)充、完善資料，達(dá)到了教學(xué)相長的目的。在各小組總結(jié)的基礎(chǔ)上，教師還要對本節(jié)（或本章）內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)，側(cè)重于對本節(jié)（或本章）內(nèi)容承上啟下的作用進(jìn)行講解，使學(xué)生感受到教材中的相關(guān)內(nèi)容“放下了是一堆，提起來是一串”，始終有一條主線貫穿其中，深化各知識點之間的邏輯關(guān)系。例如，在講授立方型狀態(tài)方程的相關(guān)內(nèi)容時，形式多樣的狀態(tài)方程，均可寫作通式P=RT/V-b-Attr，結(jié)合方程中的參數(shù)，可總結(jié)如表1所示。

這樣通過與最簡單的理想氣體狀態(tài)方程比較，得出“方程結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，精度越高”的結(jié)論，并通過后續(xù)的上機(jī)實訓(xùn)進(jìn)行驗證，培養(yǎng)學(xué)生通過軟件計算解決實際工程問題的意識。

3.結(jié)合學(xué)生就業(yè)，講授教學(xué)內(nèi)容。面對抽象難懂、公式繁多的教材，提倡授課過程中穿插一些教師本人對本課程獨到的見解，如該課程在日后工作中的應(yīng)用、就業(yè)方向以及職業(yè)生涯規(guī)劃等方面的內(nèi)容。有工程實踐經(jīng)驗的教師，可以該專業(yè)學(xué)生日后就業(yè)的煉油或化工廠等實際生產(chǎn)裝置為例，讓學(xué)生設(shè)身處地地思考：如果工作后領(lǐng)導(dǎo)需要進(jìn)行裝置的標(biāo)定，期間需要利用Aspen Plus等化工軟件進(jìn)行計算，面對課堂上學(xué)習(xí)過的van der Waals、Redlich-Kwong、Soave-Redlich-Kwong、Peng-Robinson等狀態(tài)方程，如何選取一個合適的方程進(jìn)行計算？任務(wù)的完成與否將會影響到本人的薪金待遇和職位晉升，如此現(xiàn)實的問題迫使學(xué)生不得不考慮如何解決，這樣教師就能引導(dǎo)學(xué)生思考并理解各個方程的適用范圍。此舉不僅傳授了知識，緩解了學(xué)生大腦壓力，而且使學(xué)生意識到課堂上所學(xué)知識和就業(yè)后的工作是息息相關(guān)的，勢必會影響他們的前途和命運，這樣會激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和欲望，教學(xué)效果也在不知不覺中得以改善。

總之，在課堂教學(xué)中，教師精心組織課堂教學(xué)，為學(xué)生解決疑點問題，教師的作用由講授知識轉(zhuǎn)變?yōu)橐龑?dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)，學(xué)生的學(xué)習(xí)由被動接受轉(zhuǎn)變?yōu)樽灾鲗W(xué)習(xí)，可以說，教師是學(xué)生學(xué)習(xí)過程的引導(dǎo)者和合作者。

三、課后考核評估

課后的首要環(huán)節(jié)是檢測學(xué)生們的學(xué)習(xí)效果和學(xué)習(xí)質(zhì)量，可以通過輔導(dǎo)答疑、在線開放課程平臺、期中期末考試等多渠道評定學(xué)習(xí)效果和質(zhì)量。

1.改善輔導(dǎo)答疑的內(nèi)容和形式。目前盡管課程設(shè)置了每周的輔導(dǎo)答疑時間，但每次前來問問題的學(xué)生寥寥無幾，若我們將單元測試、期中考試等與學(xué)生最終成績息息相關(guān)的教學(xué)環(huán)節(jié)穿插于此，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)在線平臺的建設(shè)，線下線上有機(jī)結(jié)合，問題也就迎刃而解了。例如，UT的Maynard教授的助教在每周一次的答疑課上，不僅為學(xué)生講解作業(yè)中的疑點，而且不定期地設(shè)置小測驗，測驗成績計入總成績中，此舉督促了學(xué)生按時參加答疑活動。

2.考核方式多樣化。目前，化工熱力學(xué)課程的考核方式比較固定，一般期末考試成績占總成績70%～80%的比例，平時作業(yè)成績占總成績的20%～30%，且考試內(nèi)容大多數(shù)都是課堂上所講的，學(xué)生習(xí)慣考前復(fù)印記錄完整的筆記，考前臨陣磨槍，考試照樣可以順利通過。這種制度造成了學(xué)生不注重平時的學(xué)習(xí)過程，更談不上自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性學(xué)習(xí)。因此，期末考試成績所占比例一定要較小，以便杜絕考前突擊的現(xiàn)象。美國大學(xué)教師對于考核模式有很大的自主權(quán)，同樣一門課程，不同的授課教師考核方式及各環(huán)節(jié)所占比例各異，但共同點都是側(cè)重于學(xué)習(xí)過程，而期末考試成績所占比例均僅為20%左右。比如UT的Maynard教授提供的一份化工熱力學(xué)教學(xué)大綱顯示，最終成績由家庭作業(yè)（9%）、隨堂測試（15%）、平時考試（每次占19%）和期末考試（19%）組成，完全顛覆了考核側(cè)重點觀念。該校的教學(xué)非常注重學(xué)習(xí)過程，學(xué)生們在學(xué)習(xí)的同時，及時消化吸收，避免了將疑點堆積至期末難以下咽的問題。

3.采用半開卷考試方式。目前對于化工熱力學(xué)課程期末考試，有的學(xué)校采用閉卷考試，有的則是開卷考試。閉卷考試的弊端是公式太多，在短時間內(nèi)記憶困難，可能會導(dǎo)致夾帶等作弊現(xiàn)象的發(fā)生;開卷考試的弊端是學(xué)生完全依賴教材和作業(yè)，考場上很多時間用來翻閱資料而不去認(rèn)真審題思考，還會出現(xiàn)相互傳送資料的現(xiàn)象。UT的Ganesan教授和Maynard教授均采用了半開卷的考試方法，允許學(xué)生攜帶一張規(guī)定尺寸（如3英寸×5英寸）的“小抄”（cheat sheet），而教師則提供可能會用到的公式、方程及圖表等資料，這樣避免了學(xué)生死記硬背公式，減輕了考試負(fù)擔(dān)，促使學(xué)生將學(xué)習(xí)的重心放在理解和應(yīng)用知識方面，體現(xiàn)了以學(xué)生為中心的教學(xué)理念和教書育人的教育宗旨。

總之，考核評估應(yīng)包括平時作業(yè)、隨堂測驗、課堂提問、師生互動、生生互動、單元測驗以及實驗上機(jī)等，還應(yīng)該結(jié)合大數(shù)據(jù)、相關(guān)軟件等，減少教師的工作量，盡可能客觀公正地評價學(xué)生的學(xué)習(xí)，讓教師成為學(xué)生學(xué)習(xí)過程的輔導(dǎo)者。

綜上所述，翻轉(zhuǎn)課堂的模型如圖1所示。

四、結(jié)語

誠然，我國的大學(xué)教育模式經(jīng)過多年的探索，擁有了自己的特色，能夠使學(xué)生系統(tǒng)掌握知識，但是，這種教育模式不利于培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力和創(chuàng)新能力。因此，我們可以取長補(bǔ)短，借鑒和學(xué)習(xí)美國高等學(xué)校的教育模式，改變教學(xué)觀念，認(rèn)識到課程教學(xué)模式改革的必要性，學(xué)習(xí)和掌握多種多樣的教學(xué)手段、教學(xué)方法和考核方式等。我們可以從翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式著手，貫徹“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念，以工程教育專業(yè)認(rèn)證為契機(jī)，采用“設(shè)疑-解疑-答疑”的漸進(jìn)式教學(xué)方法，使教師成為學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的設(shè)計者、引導(dǎo)者、合作者和輔導(dǎo)者，促進(jìn)教師積極主動提高自身的教學(xué)業(yè)務(wù)水平。希望通過上述改革和探索，持續(xù)改進(jìn)，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新能力，為高素質(zhì)工程技術(shù)人才的培養(yǎng)奠定基礎(chǔ)。

[責(zé)任編輯：鐘嵐]