劉 志， 魯福身

(汕頭大學(xué) 理學(xué)院化學(xué)系，廣東 汕頭 515063)

自2017年教育部“復(fù)旦共識”“天大行動(dòng)”“北京指南”系列會議確定積極推進(jìn)新工科建設(shè)以來，高等教育工程類課程改革已成為高校能否更好培養(yǎng)新型工科人才，助力國家產(chǎn)業(yè)變革、轉(zhuǎn)換、升級，服務(wù)國家創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展重大戰(zhàn)略的重中之重[1-3].汕頭大學(xué)于2017年3月就成為教育部新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目地方組的牽頭高校之一.近年來,學(xué)校始終發(fā)揮教育部、廣東省、李嘉誠基金會三方共建的辦學(xué)優(yōu)勢，利用信息技術(shù)與教學(xué)深度融合，積極探索和發(fā)展各類線上、線下教學(xué)模式，不斷使教師講授、學(xué)生被動(dòng)接受的傳統(tǒng)教學(xué)模式與微課、翻轉(zhuǎn)課堂、手機(jī)APP學(xué)習(xí)平臺、大型開放式網(wǎng)絡(luò)課程平臺等新興信息技術(shù)支持的教學(xué)手段相融合，彌補(bǔ)學(xué)校教學(xué)師資力量不足，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，多學(xué)科交叉提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率，進(jìn)一步增強(qiáng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)和探索能力.

本文結(jié)合汕頭大學(xué)新工科背景下課程建設(shè)的要求，以應(yīng)用化學(xué)專業(yè)《化工原理》課程教學(xué)為例，以培養(yǎng)目標(biāo)為導(dǎo)向，不斷完善基于超星學(xué)習(xí)通線上學(xué)習(xí)平臺的混合式教學(xué)模式，對《化工原理》課程進(jìn)行教學(xué)改革實(shí)踐探索.通過創(chuàng)建項(xiàng)目制的實(shí)驗(yàn)課題，探索新型教學(xué)模式，更好地為國家培養(yǎng)創(chuàng)新型化工類人才.

1 《化工原理》課程教學(xué)現(xiàn)狀

《化學(xué)工程技術(shù)與原理》(簡稱《化工原理》)是化工、制藥、生物、環(huán)境、能源等工科專業(yè)的一門必修基礎(chǔ)課，承擔(dān)著培養(yǎng)化工類專業(yè)工程科學(xué)與工程技術(shù)創(chuàng)新人才的雙重教育任務(wù)，具有十分重要地位和作用.不同于傳統(tǒng)四大化學(xué)專業(yè)課，該課程并不包含化學(xué)學(xué)科學(xué)習(xí)內(nèi)容，而是綜合運(yùn)用高等數(shù)學(xué)、物理化學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等基礎(chǔ)知識，分析和解決化工生產(chǎn)過程中各種物理操作中的基本問題，是學(xué)生今后走上化工工程技術(shù)領(lǐng)域崗位后廣泛應(yīng)用的技術(shù)基礎(chǔ)課[4-5].目前，該課程實(shí)施過程中主要問題可歸納如下：(1)課程內(nèi)容多，各章節(jié)之間關(guān)聯(lián)度不高，延續(xù)性不強(qiáng).內(nèi)容以“三傳”理論為基礎(chǔ)，多以解決工程實(shí)踐問題為研究目標(biāo)，知識點(diǎn)繁、細(xì)、雜.課程由十余個(gè)紛雜眾多的基本物理單元操作有機(jī)組合而成，只有對各種不同的化工生產(chǎn)中的單元操作逐一進(jìn)行研究，闡述各單元操作的基本原理、過程計(jì)算及典型設(shè)備才能揭示其共性的本質(zhì)、原理和規(guī)律.因此，該課程與工程實(shí)踐聯(lián)系極為廣泛，研究對象復(fù)雜，基本概念、基本定理和公式繁多，計(jì)算范圍涉及面廣，需用到眾多工程計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)和單位，與學(xué)生學(xué)習(xí)過的常規(guī)數(shù)、理、化各相關(guān)課程計(jì)算過程有很大不同.(2)課時(shí)少任務(wù)重.根據(jù)后續(xù)專業(yè)學(xué)習(xí)具體內(nèi)容和方向以及未來考研的需求，汕頭大學(xué)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)的學(xué)生至少要學(xué)會《化工原理》中遵循流體動(dòng)力學(xué)、熱量傳遞、質(zhì)量傳遞三個(gè)基本規(guī)律的單元操作，包含流體輸送及機(jī)械、沉降、過濾、傳熱、蒸餾、萃取等多個(gè)分支.但按照教學(xué)計(jì)劃上述內(nèi)容要求全部壓縮在64學(xué)時(shí)以內(nèi).學(xué)生課堂學(xué)習(xí)時(shí)間短、學(xué)習(xí)內(nèi)容多，課后自學(xué)、復(fù)習(xí)具有很大難度，教師也無法全面介紹知識點(diǎn)背后的理論體系.(3)授課對象工程知識薄弱.授課對象學(xué)習(xí)長期限于書本范圍內(nèi)，授課前無任何校內(nèi)實(shí)驗(yàn)和校外實(shí)習(xí)實(shí)踐積累，缺乏所學(xué)知識點(diǎn)理論與實(shí)踐結(jié)合的鍛煉，結(jié)構(gòu)和工程計(jì)算體系認(rèn)知匱乏.很多學(xué)生在大一、大二的《高等數(shù)學(xué)》《物理化學(xué)》學(xué)習(xí)存在掛科情況，操作單元計(jì)算和公式推導(dǎo)必須使用的微積分、動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)基礎(chǔ)知識很多學(xué)生掌握不好，甚至遺忘.(4)被動(dòng)學(xué)習(xí).通過調(diào)研并結(jié)合多年教學(xué)實(shí)際發(fā)現(xiàn)，由于授課內(nèi)容多課時(shí)量少，授課教師疲于追趕教學(xué)進(jìn)度，授課速度快，學(xué)生學(xué)習(xí)基本處于被動(dòng)填壓的方式，幾乎無任何主動(dòng)學(xué)習(xí)意識，造成學(xué)生被動(dòng)，學(xué)習(xí)效果不好.

2 教學(xué)模式改革實(shí)踐

分別對線下課程和線上課程進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖 1 所示.對課程內(nèi)容進(jìn)行梳理，較為簡單易懂的內(nèi)容，如：流體靜力學(xué)方程、連續(xù)性方程、流體流動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械能衡算；離心泵的操作原理、基本構(gòu)造、性能和基本操作方法；傳導(dǎo)傳熱和計(jì)算；兩組分連續(xù)精餾的計(jì)算和應(yīng)用等知識點(diǎn)采取線下教學(xué)，完成課后作業(yè)、隨堂測試等模式.對相對難理解和掌握的內(nèi)容，如：管路計(jì)算、離心泵的氣縛和氣蝕、過濾架橋現(xiàn)象、對流傳熱過程、閃蒸、精餾進(jìn)料熱狀況等知識點(diǎn)采取線上主、線下輔的混合式教學(xué).使用超星學(xué)習(xí)通APP在線上構(gòu)建多種功能模塊，包括：基本概念、重點(diǎn)難點(diǎn)、虛擬仿真、在線測試等，通過線上學(xué)習(xí)→測試→獎(jiǎng)勵(lì)平時(shí)成績，線下答疑的方式激發(fā)學(xué)生自主克服學(xué)習(xí)困難、探究難點(diǎn)、解決問題的能力.最后引入具體工程生產(chǎn)實(shí)踐模型，結(jié)合所學(xué)知識點(diǎn)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步深化對相關(guān)內(nèi)容的理解.

圖1 化工原理教學(xué)體系Fig.1 Teaching system of Chemical Engineering Principle

2.1 課程教學(xué)設(shè)計(jì)思路

為提高課堂學(xué)習(xí)效率，授課教師在課前備課后將線上預(yù)授課程提前錄制成小視頻，結(jié)合生產(chǎn)生活實(shí)踐操作突出本章節(jié)內(nèi)容的重點(diǎn)難點(diǎn)部分.例如：在第二章流體輸送機(jī)械離心泵，教師通過播放離心泵構(gòu)造拆解動(dòng)畫，結(jié)合工程應(yīng)用清晰地給學(xué)生展示了離心泵的正確安裝和使用步驟，通過動(dòng)畫了解離心泵安裝和使用過程中的氣蝕和氣縛現(xiàn)象產(chǎn)生的過程，新穎的內(nèi)容展示方式吸引學(xué)生聽課注意力，抓住學(xué)習(xí)重點(diǎn)，課上能全神貫注聽教師講解.

2.2 課堂設(shè)計(jì)

超星學(xué)習(xí)通是一款多功能的線上教學(xué)、學(xué)習(xí)平臺，可在手機(jī)端、平板電腦端進(jìn)行操作，方便學(xué)生隨時(shí)查看.在教學(xué)過程中教師利用超星學(xué)習(xí)通的課堂實(shí)施流程如圖2所示.在授課過程中，依托學(xué)習(xí)通平臺將信息技術(shù)手段融入教學(xué)設(shè)計(jì)，豐富線上授課、自學(xué)內(nèi)容，構(gòu)建集章節(jié)內(nèi)容、教學(xué)資源、作業(yè)和小測試、討論區(qū)等模塊，形成完整的教師教學(xué)、學(xué)生自學(xué)、師生互動(dòng)、在線答疑課程結(jié)構(gòu).通過上傳PPT課件、視頻動(dòng)畫模擬與實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐過程展示、音頻課件以及精品課程等學(xué)習(xí)內(nèi)容，為學(xué)生提供個(gè)性化、多樣化的學(xué)習(xí)資源.通過學(xué)生的出勤率、難點(diǎn)重點(diǎn)內(nèi)容學(xué)習(xí)情況、完成作業(yè)情況、參與討論情況、小測試等各方面來進(jìn)行教學(xué)過程的綜合評價(jià).具體評價(jià)方案如表1所示.

圖2 基于超星學(xué)習(xí)通的課堂實(shí)施流程Fig.2 Classroom scheme based on super star learning system

表1 學(xué)習(xí)通線上學(xué)習(xí)評價(jià)方案Table 1 Online teaching module and proportion of super star learning system

2.3 教學(xué)實(shí)施過程

課前線上：教師通過超星學(xué)習(xí)通布置課程預(yù)習(xí)任務(wù).主要包括：(1)學(xué)生閱讀與課程相關(guān)的學(xué)習(xí)輔助資料，了解學(xué)習(xí)重點(diǎn)及難點(diǎn)；(2)思考并回答預(yù)設(shè)的相關(guān)問題等.通過查看學(xué)生簽到及回答問題反饋，教師掌握學(xué)生自主學(xué)習(xí)的落實(shí)情況及有效性.例如第四章對流傳熱機(jī)理，教師通過上傳自拍透明熱水壺?zé)曨l，清晰地給學(xué)生展示了冷水是如何通過熱傳導(dǎo)和熱對流的方式加熱至沸騰狀.在這一過程中,學(xué)生可以非常直觀地觀察到冷水在逐漸加熱過程中因水層溫度差而產(chǎn)生內(nèi)部密度差引起熱對流的全過程.吸引學(xué)生眼球，通過生動(dòng)、真實(shí)的生活實(shí)踐畫面，吸引學(xué)生聽課注意力，提高學(xué)習(xí)效率.根據(jù)學(xué)生預(yù)先學(xué)習(xí)的基本情況，教師要做好線下課堂教學(xué)的充分準(zhǔn)備，有利于線下課堂教學(xué)的高效實(shí)施. 在這一過程中，教師需把重點(diǎn)放在幫助學(xué)生掌握和理解單元操作的原理、過程分析和實(shí)際工程應(yīng)用案例上.注重德育教育，融入家國情懷，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，進(jìn)一步夯實(shí)所學(xué)課程內(nèi)容的基礎(chǔ).

課中線下：除課堂對重點(diǎn)、難點(diǎn)內(nèi)容精講外，教師還可以結(jié)合課程所學(xué)理論與實(shí)踐相結(jié)合組織學(xué)生對學(xué)習(xí)分容進(jìn)行分組討論、匯報(bào)，教師依據(jù)學(xué)生的匯報(bào)情況進(jìn)行總結(jié)補(bǔ)充.學(xué)生通過提前線上在超星學(xué)習(xí)通對重點(diǎn)、難點(diǎn)內(nèi)容預(yù)習(xí)和自主學(xué)習(xí)，彌補(bǔ)了單一課堂學(xué)習(xí)內(nèi)容枯燥、學(xué)生被動(dòng)填壓、照成認(rèn)知淺薄的學(xué)習(xí)缺陷，充分調(diào)動(dòng)和發(fā)揮了學(xué)生學(xué)習(xí)的主體性和自主性，督促學(xué)生學(xué)習(xí)，提升總體學(xué)習(xí)效果.通過對單元操作及其設(shè)備的設(shè)計(jì)、計(jì)算、操作、優(yōu)化及過程強(qiáng)化等問題的講解，加深學(xué)生綜合利用數(shù)學(xué)、物理等基礎(chǔ)知識分析和解決問題的能力.繼續(xù)挖掘課程德育元素，如：意志品格、耐挫能力、職業(yè)素養(yǎng)、厚植工程倫理等.

課后線上：課后學(xué)習(xí)任務(wù)的布置依舊借助超星學(xué)習(xí)通開展.要求學(xué)生以小組為單位合作完成作業(yè)，測試和主題討論等.超星學(xué)習(xí)通的利用不僅幫助教師檢驗(yàn)教學(xué)效果，考察學(xué)生對所學(xué)知識的掌握情況，盡可能發(fā)揮教師的主導(dǎo)性和學(xué)生的主體性；也為教師與學(xué)生之間以及學(xué)生與學(xué)生之間的互動(dòng)交流搭建了有效的平臺，拓寬了課堂交流的局限性.通過這些學(xué)習(xí)活動(dòng)，學(xué)生在獲取知識的同時(shí)可充分領(lǐng)悟《化工原理》課程的科學(xué)思維和研究方法，在提高了學(xué)習(xí)工程問題的歸納、演繹、推理等能力的同時(shí)也掌握了解決工程問題的數(shù)學(xué)模型法、分解與綜合法、量綱分析法等科學(xué)研究方法.最后形成課程總體教學(xué)效果評價(jià)，為下屆學(xué)生學(xué)習(xí)提供依據(jù)和參考.相關(guān)數(shù)據(jù)、結(jié)果經(jīng)多屆學(xué)生學(xué)習(xí)累計(jì)后可作為《化工原理》教學(xué)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、教案的修改和完善依據(jù).

3 教學(xué)實(shí)踐案例——以精餾進(jìn)料熱狀況為例

下面以精餾進(jìn)料熱狀況教學(xué)內(nèi)容為例來詳細(xì)描述超星學(xué)習(xí)通平臺的混合式教學(xué)模式.精餾是蒸餾這一章中最重要的一節(jié)，更是化工企業(yè)生產(chǎn)必不可少的基礎(chǔ)操作單元.精餾進(jìn)料熱狀況對接實(shí)際生產(chǎn)操作，通過改變進(jìn)料在進(jìn)料板上、下各流股的熱狀況，直接影響精餾操作的效果和生產(chǎn)成本.進(jìn)料熱狀況的多樣性和影響課本只以簡單抽象的線圖來說明，學(xué)生不易理解，2個(gè)課時(shí)課堂抽象講解完成預(yù)定教學(xué)目標(biāo)的難度較大，因此將學(xué)習(xí)內(nèi)容提前在學(xué)習(xí)通發(fā)布給學(xué)生提前預(yù)習(xí)、自學(xué)，便于教師提高課堂授課效率.具體教學(xué)過程如表2所示.

表2 精餾進(jìn)料熱狀況超星學(xué)習(xí)通混合式教學(xué)設(shè)計(jì)Table 2 Mixed teaching design of thermal condition of the distilled feed assisted with super learning system

4 結(jié) 語

基于超星學(xué)習(xí)通的《化工原理》教學(xué)研究經(jīng)過2年的實(shí)踐，取得了較好的教學(xué)效果，表現(xiàn)在：(1)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性得到顯著提高，從以前的“被動(dòng)學(xué)習(xí)”逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)在的“主動(dòng)探索式學(xué)習(xí)”，總體成績穩(wěn)步提高，例如：2018級某同學(xué)在2022年碩士研究生入學(xué)考試中《化工原理》考取了132分(滿分150分)，成功被浙江大學(xué)化工專業(yè)錄取. (2)增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，團(tuán)隊(duì)內(nèi)互相學(xué)習(xí)，團(tuán)隊(duì)間學(xué)習(xí)互相促進(jìn)和督促，同時(shí)進(jìn)一步提高了學(xué)生參與《化工原理》實(shí)驗(yàn)課程的積極性.(3)有效地彌補(bǔ)了由于師資力量不足、專業(yè)教師數(shù)量有限、講授課程內(nèi)容多課時(shí)少使得一部分教學(xué)內(nèi)容無法全面講授的缺陷，為后續(xù)學(xué)校應(yīng)用化學(xué)專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)數(shù)量的穩(wěn)步增長打下良好基礎(chǔ).