李璐,肖南,解新安,李雁
華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品學(xué)院,廣東 廣州 510642
2010年教育部啟動(dòng)的“卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃”,明確將“重視工程人才培養(yǎng)國際化”列為中國工程教育改革發(fā)展的重大戰(zhàn)略之一[1]。近年,教育部又提出“新工科”背景下的工程教育改革,致力于培養(yǎng)具有國際視野的卓越工程技術(shù)人才[2]。高校承擔(dān)著為社會(huì)提供人才的重任,如何使高校學(xué)生在校學(xué)習(xí)期間獲得工程思維和解決實(shí)際問題的能力是工程人才培養(yǎng)的核心。
作為學(xué)生進(jìn)入工程領(lǐng)域的敲門磚,“化工原理”通過單元操作對(duì)加工過程中的各種平衡關(guān)系以及影響因素進(jìn)行熱力學(xué)及動(dòng)力學(xué)研究,是我院面對(duì)生物工程專業(yè)開設(shè)的主干專業(yè)必修課程之一,也是該專業(yè)發(fā)酵工程工藝原理、釀酒工藝學(xué)、發(fā)酵設(shè)備、發(fā)酵工廠設(shè)計(jì)等專業(yè)課的先修課程。該課程具有工程實(shí)踐性強(qiáng)、注重應(yīng)用等特點(diǎn),對(duì)培養(yǎng)學(xué)生,尤其是工程類課程較少的農(nóng)業(yè)院校的學(xué)生的工程意識(shí)、工程計(jì)算能力、解決實(shí)際工程問題的能力具有舉足輕重的作用。但受限于農(nóng)業(yè)院校學(xué)生薄弱的先修學(xué)科基礎(chǔ)和難以學(xué)以致用等現(xiàn)狀,學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性普遍不高,對(duì)其工程能力的培養(yǎng)效果也很不理想。
筆者基于所在教學(xué)團(tuán)隊(duì)十幾年對(duì)化工及食品工程原理課程的教學(xué)經(jīng)驗(yàn),在“廣東省精品資源共享課”項(xiàng)目資助及建設(shè)的基礎(chǔ)上,以新工科改革和卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃為契機(jī),結(jié)合國內(nèi)外工程教育發(fā)展和現(xiàn)代高等教育改革的趨勢,通過探索新的教學(xué)手段和方法來提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性,進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生工程意識(shí)和解決問題的能力,以滿足社會(huì)對(duì)高層次工程人才的需求。
PBL (Problem-based learning) 教學(xué)法,也譯作“問題導(dǎo)向?qū)W習(xí)法”,強(qiáng)調(diào)以問題為導(dǎo)向,以解決問題為主線,鼓勵(lì)學(xué)生通過自主探索、分組合作等方式去獲得自主學(xué)習(xí)和解決復(fù)雜問題的能力[3]。PBL教學(xué)法作為一種建構(gòu)主義思想指導(dǎo)下的教學(xué)模式,于1969年首次被美國神經(jīng)病學(xué)教授Howard Barrows應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域[4],因效果良好而逐漸被推廣到其他教育教學(xué)實(shí)踐中,是目前國際上比較流行的一種教學(xué)方法。
翻轉(zhuǎn)課堂 (Flipped classroom) 是近年基于信息技術(shù)蓬勃發(fā)展而興起的一種新型教學(xué)模式,它最基本的理念是把知識(shí)學(xué)習(xí)過程放在教室外,學(xué)生先根據(jù)教師布置的任務(wù)和資源選擇合適方式自主學(xué)習(xí),課堂上學(xué)生再在教師引導(dǎo)下通過內(nèi)容討論、針對(duì)性疑惑解答及團(tuán)隊(duì)協(xié)作交流等方式,完成知識(shí)的建構(gòu)和內(nèi)化[5-6]。與傳統(tǒng)教學(xué)相比,它將傳統(tǒng)課堂“預(yù)習(xí)-課堂講授-復(fù)習(xí)”的學(xué)習(xí)流程翻轉(zhuǎn)為“課前自主學(xué)習(xí)-課中知識(shí)內(nèi)化-課后總結(jié)提高”的學(xué)習(xí)步驟,本質(zhì)上是一種先學(xué)后教的模式,因更符合人類認(rèn)知規(guī)律而成為實(shí)施差異化教學(xué)和個(gè)性化教學(xué)的有效手段,在國內(nèi)外的教育教學(xué)領(lǐng)域獲得快速發(fā)展[7]。
筆者分析這兩種教學(xué)模式發(fā)現(xiàn),翻轉(zhuǎn)課堂和PBL教學(xué)在教學(xué)特點(diǎn)及學(xué)習(xí)方式上存在很多共通性和互補(bǔ)性。如果將兩者有效融合用于生物工程專業(yè)“化工原理”課程的教學(xué),將生物工程中常采用的生產(chǎn)工藝和操作設(shè)備作為理論教學(xué)內(nèi)容的載體,教師在任務(wù)布置和課堂討論時(shí)通過聯(lián)系生活或生產(chǎn)實(shí)際構(gòu)建問題場景,以解決問題為導(dǎo)向引入相關(guān)授課內(nèi)容,必能激發(fā)學(xué)生對(duì)課程的興趣,并在自主學(xué)習(xí)、疑難探究、問題解決的過程中實(shí)現(xiàn)對(duì)其工程思維意識(shí)的建立和強(qiáng)化,這對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新精神以及培養(yǎng)更多具有較高素質(zhì)的卓越工程人才都將具有重要作用。
2.1.1 通過工程案例或生活情境實(shí)現(xiàn)問題導(dǎo)入
興趣是最好的老師,因此在課前學(xué)習(xí)時(shí),教師可根據(jù)教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)一些能夠讓學(xué)生產(chǎn)生共鳴或認(rèn)知沖突的情景,激發(fā)學(xué)生的參與欲望,調(diào)動(dòng)學(xué)生運(yùn)用已有的知識(shí)去積極思考,并帶著解決問題的意愿去學(xué)習(xí)和主動(dòng)查閱文獻(xiàn),真正變“要我學(xué)”為“我要學(xué)”。如在講解固體干燥前可先讓大家思考如下生活現(xiàn)象:為什么降低食品中的含水量能延長其保質(zhì)期呢?在廣州三四月份的“回南天”(我國華南地區(qū)一種潮濕天氣現(xiàn)象的稱呼) 里,為什么衣服會(huì)特別難晾干呢?通過這種與生活實(shí)際緊密相連的問題讓學(xué)生產(chǎn)生對(duì)濕空氣性質(zhì)及對(duì)流干燥原理等課程內(nèi)容的學(xué)習(xí)愿望。也可以通過生物工程生產(chǎn)工藝中涉及到的與教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的工程案例進(jìn)行問題導(dǎo)入,如在講解流動(dòng)輸送機(jī)械時(shí),可結(jié)合學(xué)生正在上的釀酒工藝學(xué)課程中提到的“純生”啤酒的生產(chǎn)特點(diǎn)及生產(chǎn)工藝,假設(shè)某企業(yè)在“純生”啤酒的過濾澄清工藝中需處理的啤酒流量是120 m3/h,進(jìn)出超濾膜設(shè)備的壓力分別為2.02×105Pa和1.52×105Pa,請(qǐng)他們幫企業(yè)選擇合適的泵。學(xué)生因有了解決實(shí)際問題的需求而更有積極性去系統(tǒng)預(yù)習(xí)泵的型號(hào)、適用范圍、選型計(jì)算等相關(guān)課程內(nèi)容。
2.1.2 學(xué)生根據(jù)問題、學(xué)習(xí)資源和教學(xué)任務(wù)進(jìn)行課前自主學(xué)習(xí)
課前學(xué)習(xí)是翻轉(zhuǎn)課堂能夠順利進(jìn)行的關(guān)鍵,合適的課前預(yù)習(xí)既能提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,又能幫助其實(shí)現(xiàn)既定的學(xué)習(xí)目標(biāo)。因此,在通過問題導(dǎo)入引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣后,教師還必須根據(jù)授課的主題和重難點(diǎn)合理安排教學(xué)內(nèi)容,內(nèi)容不僅要“專”和“精”,還要具有比較好的可控性和延伸性。本教學(xué)團(tuán)隊(duì)建設(shè)完成的廣東省精品資源共享課教學(xué)網(wǎng)站可提供絕大部分章節(jié)授課視頻、課件ppt及對(duì)應(yīng)的自測題目 (網(wǎng)址:http://spgcyl.course.scau.edu.cn/index.asp?index.html)??紤]到學(xué)生觀看完整的授課視頻進(jìn)行課前學(xué)習(xí)可能時(shí)間過長,我們還會(huì)針對(duì)性錄制部分20 min以內(nèi)的短視頻,鼓勵(lì)學(xué)生結(jié)合教學(xué)目標(biāo)及任務(wù),通過教材文獻(xiàn)、課程平臺(tái)、互聯(lián)網(wǎng)等多個(gè)渠道完成課前學(xué)習(xí),并通過回答導(dǎo)入問題和系統(tǒng)自測來檢查課前學(xué)習(xí)效果。同時(shí),對(duì)于課前學(xué)習(xí)中遇到的問題,學(xué)生可在課程網(wǎng)站互動(dòng)區(qū)或QQ交流群中留言討論,實(shí)現(xiàn)學(xué)生與學(xué)生、學(xué)生與老師間的多方位實(shí)時(shí)交流。老師也可選擇部分有代表性的問題帶入課堂,組織同學(xué)實(shí)施更大范圍、更深層次的討論。
例如筆者在對(duì)“固體干燥”章節(jié)實(shí)施翻轉(zhuǎn)教學(xué)前,會(huì)提前告知本章的教學(xué)目標(biāo)是:①掌握和理解濕空氣的性質(zhì);②能利用空氣性質(zhì)的特點(diǎn)解釋相關(guān)的生活現(xiàn)象;③能通過干燥過程中的物料衡算、熱量衡算及干燥時(shí)間計(jì)算等,完成食品干燥加工中最佳工藝參數(shù)的優(yōu)化工作。據(jù)此給學(xué)生設(shè)定課前學(xué)習(xí)任務(wù)如下:①通過觀看授課視頻等資源自主完成對(duì)濕空氣溫度、濕度、比熱等性質(zhì)的定義及相關(guān)公式學(xué)習(xí);②思考回答引入問題,想想生活中還有哪些現(xiàn)象或事情與空氣的性質(zhì)有關(guān)?試著用相關(guān)原理進(jìn)行解釋;③預(yù)習(xí)應(yīng)用熱空氣對(duì)流干燥的物料衡算和熱量恒算以及相關(guān)工程例題,考慮如何應(yīng)用這些知識(shí)去優(yōu)化食品干燥加工中的工藝參數(shù);④如果把前面學(xué)過的固體流態(tài)化和干燥結(jié)合起來,所得的流態(tài)化干燥與普通干燥相比有什么優(yōu)勢?能不能找到其在食品或生物工程工業(yè)中的應(yīng)用實(shí)例?通過這些具有層次性的“問題鏈”,引導(dǎo)學(xué)生將問題不斷向前推進(jìn),在學(xué)習(xí)、思考、探究、討論和解決問題的過程中,引導(dǎo)學(xué)生體會(huì)知識(shí)的發(fā)現(xiàn)和形成過程,加深對(duì)知識(shí)本質(zhì)的理解,形成和掌握解決食品及生物類工程問題時(shí)的思維方式。
課堂學(xué)習(xí)繼續(xù)采用PBL與翻轉(zhuǎn)教學(xué)相融合的模式。教師可結(jié)合課前學(xué)習(xí)的導(dǎo)入問題和教學(xué)目標(biāo),通過交互式課堂應(yīng)答系統(tǒng),快速掌握學(xué)生學(xué)習(xí)進(jìn)度與掌握情況,及時(shí)發(fā)現(xiàn)學(xué)生理解或掌握不到位的知識(shí)點(diǎn)及學(xué)習(xí)疑惑,尋找多個(gè)問題的共性聯(lián)結(jié)點(diǎn),在此基礎(chǔ)上組織難點(diǎn)學(xué)習(xí)或小組討論,通過師生互動(dòng)、生生互動(dòng)來深化課前學(xué)習(xí)的內(nèi)容,實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生已知知識(shí)的深化、拓展和應(yīng)用,完成知識(shí)內(nèi)化的過程。
例如,筆者在利用翻轉(zhuǎn)課堂組織“固體干燥”中濕空氣性質(zhì)的學(xué)習(xí)時(shí),會(huì)先把學(xué)生 (一般是兩個(gè)班,約50人) 分成10個(gè)學(xué)習(xí)小組,抽取其中7個(gè)小組分別講述相對(duì)濕度、濕含量、熱焓、露點(diǎn)溫度等7個(gè)重點(diǎn)概念,另外3個(gè)小組負(fù)責(zé)提問和補(bǔ)充。然后讓同學(xué)尋找生活中和濕空氣性質(zhì)相關(guān)的例子或現(xiàn)象,并試著從理論上給予解釋。大家討論后發(fā)現(xiàn)秋天晝夜溫差大時(shí)早晨會(huì)有露水就與露點(diǎn)溫度有關(guān);食品干燥后含水量降低會(huì)停止或減弱微生物的活動(dòng),從而延長食品的保質(zhì)期;“回南天”衣服特別難干是空氣相對(duì)濕度接近飽和,因此無法完成水分的傳質(zhì)過程等在自我講述和討論應(yīng)用的過程中,學(xué)生深化了對(duì)課前自學(xué)知識(shí)的理解和掌握,并通過與生活現(xiàn)象的關(guān)聯(lián)拓展了應(yīng)用性和趣味性。之后再由老師介紹焓濕圖的應(yīng)用,給每個(gè)小組設(shè)定不同的獨(dú)立狀態(tài)參數(shù)查圖,小組討論后派代表展示查圖過程及結(jié)果,鼓勵(lì)其他小組有疑問或不同意見時(shí)馬上提問并進(jìn)行討論,在進(jìn)一步鞏固不同條件下如何在焓濕圖中確定狀態(tài)點(diǎn)方法的同時(shí),實(shí)現(xiàn)師生互動(dòng)和生生互動(dòng)。最后,教師再對(duì)整個(gè)過程中暴露出的難點(diǎn)問題進(jìn)行講解和補(bǔ)充,引導(dǎo)學(xué)生對(duì)整節(jié)課的知識(shí)進(jìn)行總結(jié)和梳理,并引申出后續(xù)需解決的相關(guān)工程問題,推動(dòng)學(xué)生注重知識(shí)的內(nèi)化和應(yīng)用,培養(yǎng)其提出問題、分析問題和解決問題的能力。
總之,在翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)中,因?qū)W生在課前已經(jīng)針對(duì)性地完成了相關(guān)內(nèi)容的自主學(xué)習(xí),因此在課堂上,學(xué)生是課堂的中心和主導(dǎo)者,教師有更充足的時(shí)間組織學(xué)生討論、針對(duì)性地解答疑惑等,使得具有不同學(xué)習(xí)背景、生活閱歷的同學(xué)在已有的知識(shí)基礎(chǔ)上建構(gòu)出新認(rèn)知,使課堂教學(xué)成為知識(shí)的處理與轉(zhuǎn)化過程。
課后總結(jié)反饋環(huán)節(jié)是檢驗(yàn)學(xué)生是否真正掌握知識(shí)的有效途徑。首先應(yīng)采用多種評(píng)價(jià)形式,如教師評(píng)價(jià)、學(xué)生互評(píng)等,對(duì)學(xué)生課前和課中的表現(xiàn)進(jìn)行客觀全面的學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)。然后教師通過學(xué)習(xí)平臺(tái)布置課后作業(yè),促進(jìn)學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)的梳理和總結(jié)。在此基礎(chǔ)上,通過提供一些工程實(shí)際應(yīng)用的拓展資源,指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)踐的驗(yàn)證與應(yīng)用。如針對(duì)“食品干燥”的已授內(nèi)容,引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)綜合性干燥實(shí)驗(yàn)——流態(tài)化干燥和洞道干燥對(duì)不同食品物料的干燥效果對(duì)比,并結(jié)合所查詢到的工業(yè)中兩種干燥手段的應(yīng)用情況,分析流態(tài)化干燥的優(yōu)勢及適用類型。再如在完成傳熱學(xué)習(xí)后分享這樣一個(gè)工程案例:原為我國長三角地區(qū)某城市設(shè)計(jì)的萬噸有機(jī)酸生產(chǎn)工廠,后因種種原因落戶在遼寧某地區(qū),但原設(shè)計(jì)方案并未進(jìn)行相應(yīng)修改與調(diào)整。項(xiàng)目建成后,在冬季時(shí)出現(xiàn)室外物料管道結(jié)晶、堵塞等現(xiàn)象,造成生產(chǎn)停頓,損失巨大。請(qǐng)同學(xué)們結(jié)合傳熱中有關(guān)保溫和強(qiáng)化傳熱等相關(guān)知識(shí),對(duì)該現(xiàn)象產(chǎn)生的原因及解決策略進(jìn)行分析,從而強(qiáng)化學(xué)生分析問題、解決問題的工程能力,而且他們在后續(xù)進(jìn)行發(fā)酵工廠設(shè)計(jì)等專業(yè)課程學(xué)習(xí)時(shí)也會(huì)自覺考慮設(shè)備使用的環(huán)境因素[8]。同時(shí),我們也鼓勵(lì)學(xué)生積極參與全國大學(xué)生化工設(shè)計(jì)大賽、食品工程虛擬仿真大賽等,通過多方面的學(xué)以致用達(dá)到更好的教學(xué)效果。
以上3個(gè)環(huán)節(jié)層層遞進(jìn),有效融合了課前學(xué)習(xí)、課中內(nèi)化、課后鞏固的翻轉(zhuǎn)課堂和以問題為導(dǎo)向的PBL教學(xué)模式,該模式的整體過程如圖1所示。
圖1 基于PBL的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式Fig.1 Flip classroom teaching mode based on PBL.
教學(xué)改革的一個(gè)重要環(huán)節(jié)是對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)過程及效果進(jìn)行合理評(píng)價(jià)。根據(jù)翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)特點(diǎn),我們重新制定了化工原理課程的成績評(píng)價(jià)體系 (表1),切實(shí)將課前自主學(xué)習(xí)能力、團(tuán)隊(duì)合作能力以及分析解決問題能力體現(xiàn)到對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)的動(dòng)態(tài)評(píng)估中,同時(shí)仍將能相對(duì)客觀反映學(xué)生掌握知識(shí)能力的期末考試作為重要考察內(nèi)容,占總分的60%。對(duì)積極參加全國大學(xué)生化工設(shè)計(jì)大賽及課程相關(guān)創(chuàng)新課題研究的同學(xué),在最終考核成績不超過100分的情況下給予最高5分的機(jī)動(dòng)獎(jiǎng)勵(lì)。圖2是化工原理課程教學(xué)改革前 (2016級(jí),47人)和實(shí)施翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)改革后 (2017級(jí),49人) 學(xué)生的平時(shí)成績 (圖2A) 和期末成績 (圖2B) 的對(duì)比。從圖中可以看出,傳統(tǒng)模式下學(xué)生平時(shí)成績因評(píng)價(jià)依據(jù)單一導(dǎo)致區(qū)分度 (0.13) 很小,成績基本集中在85–95分之間;而實(shí)施翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)后,平時(shí)表現(xiàn)所占比重增加及多角度評(píng)價(jià)方式使區(qū)分度顯著加大 (0.42),表現(xiàn)突出的同學(xué)可能能拿到滿分,表現(xiàn)差的同學(xué)可能低至65分,更科學(xué)合理地評(píng)價(jià)了每個(gè)學(xué)生在學(xué)習(xí)中的付出和成果。圖2B中期末成績的結(jié)果則表明實(shí)施翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)改革后,學(xué)生的成績得到了明顯提高,分析原因可能是在這種“先學(xué)后教”的模式下,學(xué)生可以根據(jù)自己的學(xué)習(xí)習(xí)慣和時(shí)間安排學(xué)習(xí)進(jìn)度,發(fā)揮了學(xué)生在學(xué)習(xí)中的主體作用。其次,通過線上線下的實(shí)時(shí)反饋,教師能更準(zhǔn)確地了解到學(xué)生學(xué)習(xí)的難點(diǎn)疑惑,從而提供更有針對(duì)性的指導(dǎo)[9]。
表1 化工原理課程評(píng)價(jià)方式Table 1 Evaluation methods of Principles of Chemical Engineering course
圖2 實(shí)施翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)改革前后學(xué)生平時(shí)成績 (A) 和期末成績 (B) 比較Fig.2 Comparison of students’ usual achievements (A) and final testing (B) between ordinary class and the flipped teaching class.
同時(shí),我們也以無記名問卷方式對(duì)參與課程改革的49名同學(xué)進(jìn)行了滿意度調(diào)查 (問卷設(shè)計(jì)及調(diào)查結(jié)果見表2)。從調(diào)查結(jié)果可以看出,除“獎(jiǎng)勵(lì)分值的推動(dòng)作用”選項(xiàng)外,其余各調(diào)查項(xiàng)中的滿意率均超過90%,大多數(shù)同學(xué)對(duì)課程改革在提高學(xué)習(xí)興趣和效果、工程能力的培養(yǎng)等方面給予了較高的認(rèn)可度。深入了解后發(fā)現(xiàn),學(xué)生對(duì)獎(jiǎng)勵(lì)分值激勵(lì)作用不滿意的主要原因是參加比賽或課題等很難剛好在授課學(xué)期完成,導(dǎo)致該獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制形同虛設(shè),不能對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性起到有效激勵(lì)作用。同時(shí),學(xué)生也希望課程考核能進(jìn)一步細(xì)化,內(nèi)容方面能進(jìn)一步加強(qiáng)與工廠實(shí)際的聯(lián)系和應(yīng)用,能有更多的flash甚至虛擬仿真學(xué)習(xí)資源等,這也為課程后續(xù)的持續(xù)改進(jìn)指明了方向。
表2 基于PBL的化工原理翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)改革效果評(píng)價(jià)Table 2 Reform effect evaluation of PBL/flipped teaching in principles of chemical engineering
在“化工原理”課程中開展基于PBL的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式的探索與實(shí)踐,促進(jìn)了問題導(dǎo)向探究性教學(xué)思想和現(xiàn)代教育技術(shù)下的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式的融合,改傳統(tǒng)的“先教后學(xué)”為“先學(xué)后教”,使學(xué)生的被動(dòng)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)換為自主探究式的主動(dòng)學(xué)習(xí),在加強(qiáng)學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)掌握和提升工程能力等方面取得了顯著成效,可為社會(huì)及食品生物工程行業(yè)培養(yǎng)具有持久學(xué)習(xí)能力的創(chuàng)新型工程技術(shù)人才。