以工程實(shí)踐能力培養(yǎng)為目標(biāo)的“化工原理”教學(xué)改革與實(shí)踐

曾嶸，宋澤研，劉建文，龍華麗，王凱，黨雪萍

（湖北大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，湖北 武漢 430062）

隨著我國科學(xué)領(lǐng)域國際化水平的不斷提高，對(duì)科學(xué)工程人才的工程實(shí)踐及創(chuàng)新能力的要求也越來越高[1]?！盎ぴ怼笔腔ゎ悓W(xué)科體系中的基礎(chǔ)課程，也是十分重要的核心課程，在培養(yǎng)學(xué)生的工程觀念、運(yùn)用基本理論來處理實(shí)際工程問題方面發(fā)揮著舉足輕重的作用。但是，由于當(dāng)今工程技術(shù)領(lǐng)域的相關(guān)問題日益復(fù)雜化，過去傳統(tǒng)的教育教學(xué)體系已經(jīng)難以滿足當(dāng)前工程認(rèn)證的國際化要求。

現(xiàn)今高校的“化工原理”課程教學(xué)大多存在以下問題：①理論教學(xué)缺乏創(chuàng)新，課堂互動(dòng)少；授課時(shí)長不足，課程內(nèi)容較難，學(xué)生興趣低；學(xué)生自控力差，課上態(tài)度不端正；考核比較片面，反饋缺乏真實(shí)性;②實(shí)驗(yàn)教學(xué)預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)效率低；實(shí)驗(yàn)安排不合理；實(shí)驗(yàn)室條件不足，常以小組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，抄襲現(xiàn)象嚴(yán)重；實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)較少；許多高校出于安全對(duì)部分步驟進(jìn)行簡化或刪除;③課程設(shè)計(jì)多為單項(xiàng)，沒有綜合創(chuàng)新；課題重復(fù)率高；師資不足，學(xué)生很難獲得針對(duì)性指導(dǎo)；考核常注重結(jié)果，忽略學(xué)生的平時(shí)積累。

本文針對(duì)“化工原理”課程存在的問題，分別從理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、課程設(shè)計(jì)三個(gè)方面提出改革措施，以培養(yǎng)學(xué)生的工程思維，提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力，使之成為符合工程認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的化工人才。

1 “化工原理”理論教學(xué)改革

基于OBE 導(dǎo)向理論，參考認(rèn)知領(lǐng)域中的教學(xué)目標(biāo)分類理論（美國教育心理學(xué)家本杰明·布魯姆提出），我們應(yīng)該對(duì)教學(xué)目標(biāo)進(jìn)行深度解析，將教學(xué)目標(biāo)分為三個(gè)層次[2]，如圖1所示。我們對(duì)不同層次的教學(xué)內(nèi)容采用不同的教學(xué)方式，通過改革提高學(xué)生對(duì)“化工原理”課程的興趣，讓學(xué)生更好地記憶、理解知識(shí)，加強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐能力、分析解決問題的能力以及創(chuàng)新能力。

圖1 基于布魯姆教育目標(biāo)分類法重構(gòu)“化工原理”教學(xué)內(nèi)容

1.1 引入線上教學(xué)

針對(duì)課上教師“滿堂灌”，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不足的問題，我們可采用“線上線下混合式教學(xué)”，線上學(xué)生自主學(xué)習(xí)基礎(chǔ)知識(shí)，強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)的廣度；線下課堂教師對(duì)重難點(diǎn)進(jìn)行講授，強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)的深度。這種線上線下混合式教學(xué)模式如圖2所示。

圖2 線上線下混合式教學(xué)

例如：揚(yáng)州大學(xué)與江蘇師范大學(xué)采用翻轉(zhuǎn)課堂的模式[3]，教師將課堂分為課前線上自學(xué)、課堂線下講授、討論及課后線上練習(xí)，提前準(zhǔn)備重難點(diǎn)的講解案例，設(shè)計(jì)討論環(huán)節(jié)，引導(dǎo)學(xué)生線上預(yù)習(xí)，并設(shè)置練習(xí)檢驗(yàn)學(xué)習(xí)效果，還可設(shè)置一些有趣的思考題，讓學(xué)生獨(dú)立思考、探索，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新能力。通過縝密的設(shè)計(jì)，將課前、課中、課后有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)課前預(yù)習(xí)、課堂講授、課后練習(xí)鞏固、思考總結(jié)的良性循環(huán)。

1.2 增加教學(xué)互動(dòng)

互動(dòng)式教學(xué)即在教學(xué)過程中，要時(shí)常與學(xué)生交流互動(dòng)。教師在發(fā)揮主導(dǎo)地位的同時(shí)，要堅(jiān)持“以學(xué)生為本”。引導(dǎo)學(xué)生，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)分析、思考、解決問題的能力。“雙向互動(dòng)”的課程模式是研究型大學(xué)人才培養(yǎng)的重要特征[4]。通過課堂互動(dòng)在師生之間建立橋梁，加強(qiáng)學(xué)生與老師間的交流，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的信心，鍛煉學(xué)生的表達(dá)能力，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，這對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)、創(chuàng)新能力、工程實(shí)踐能力至關(guān)重要。英國萊斯特大學(xué)提出在課程中引入實(shí)際案例，讓學(xué)生帶著問題學(xué)習(xí)，以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性。土耳其哈卡里大學(xué)也認(rèn)為，情景式教學(xué)將有利于學(xué)生以后碩士階段的學(xué)習(xí)[5-6]。

授課時(shí)，老師應(yīng)加強(qiáng)與學(xué)生的交流，教師教給學(xué)生的不是一兩個(gè)知識(shí)點(diǎn)，而是學(xué)習(xí)的方法與態(tài)度。給每個(gè)學(xué)生時(shí)間和空間，尊重他們，成為他們的良師益友。只有這樣，在教學(xué)中學(xué)生才會(huì)積極地思考、討論和回答教師提出的問題，通過發(fā)表自己的意見和見解，和老師互動(dòng)，建立起師生互動(dòng)式的教學(xué)關(guān)系。

教師要在互動(dòng)過程中培養(yǎng)學(xué)生的思考和創(chuàng)新能力，強(qiáng)化教學(xué)過程的每個(gè)環(huán)節(jié)，對(duì)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)的指導(dǎo)。授課時(shí)，要注重對(duì)重難點(diǎn)部分的講解，講清楚相關(guān)知識(shí)在生產(chǎn)實(shí)際中的應(yīng)用，激發(fā)學(xué)生的興趣，培養(yǎng)其相關(guān)的工程能力。例如：在講述伯努利方程時(shí)，教師可以拋出一系列的問題與學(xué)生進(jìn)行互動(dòng)：可提問“流體流動(dòng)過程中具有哪些能量形式？”學(xué)生解答后，再提出“這些能量之間是如何變化的？”之后再提出“應(yīng)用該方程式有哪些注意事項(xiàng)？”“在生產(chǎn)實(shí)際中怎么應(yīng)用這個(gè)方程式？”層層遞進(jìn)，讓學(xué)生討論，教師再適時(shí)總結(jié)，對(duì)學(xué)生的回答要給予肯定和鼓勵(lì)，調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性。在這個(gè)過程中，學(xué)生不僅能加深對(duì)重難點(diǎn)的理解，復(fù)習(xí)基礎(chǔ)知識(shí)，還能更好地將知識(shí)運(yùn)用于實(shí)際，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考的思維方式，提高他們的科學(xué)素質(zhì)和創(chuàng)新能力。

1.3 改進(jìn)考核體系

傳統(tǒng)的理論課程考核，無法科學(xué)評(píng)判學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度、學(xué)習(xí)效果及學(xué)習(xí)過程。根據(jù)OBE的教育理念，應(yīng)使學(xué)生重點(diǎn)關(guān)注學(xué)習(xí)過程而非結(jié)果，要以學(xué)生為中心，建立符合工程認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的考核體系。傳統(tǒng)的考核期末成績的比重過大，造成許多學(xué)生為應(yīng)付考試，考前突擊背公式、背重點(diǎn)。為避免這一現(xiàn)象，使學(xué)生能踏實(shí)、認(rèn)真地對(duì)待“化工原理”課程的學(xué)習(xí)，需對(duì)考核體系進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。我們將該課程的理論總成績?cè)u(píng)定分為三個(gè)部分：日常測(cè)試成績、平時(shí)成績和期末成績。

表1為“化工原理”成績考核的分值計(jì)算表，表中所示的考核方式更加全面。根據(jù)每項(xiàng)得分的百分比算出總成績，促使學(xué)生不再只注重考試本身，而是更注重學(xué)習(xí)過程，加強(qiáng)對(duì)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)及吸收，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的自覺性。

表1 “化工原理”成績考核分值計(jì)算表

2 “化工原理”實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

2.1 豐富實(shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí)方式

“化工原理”實(shí)驗(yàn)與四大化學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容相差較大，文字描述不足以讓學(xué)生了解相關(guān)的實(shí)驗(yàn)裝置，傳統(tǒng)的預(yù)習(xí)方式無法滿足“化工原理”實(shí)驗(yàn)的要求。因此，為學(xué)生提供更多的預(yù)習(xí)方式是必要的。

教師應(yīng)收集與實(shí)驗(yàn)相關(guān)的圖片、視頻資料，或自行拍攝本校的實(shí)驗(yàn)設(shè)備、說明書等，上傳至線上平臺(tái)供學(xué)生參考，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前對(duì)設(shè)備有較為清楚的認(rèn)識(shí)；而且，學(xué)生實(shí)驗(yàn)結(jié)束后還可以查閱，便于復(fù)習(xí)。

2.2 努力完善實(shí)驗(yàn)的硬件條件

哈爾濱理工大學(xué)在“化工原理”實(shí)驗(yàn)中引入互聯(lián)網(wǎng)+虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，雖然不可避免地存在失真性，無法完全替代實(shí)際實(shí)驗(yàn)，但是其成本低，安全性高，對(duì)設(shè)備的調(diào)試與運(yùn)行也很方便，可顯著提升教學(xué)效果[7]。因此，對(duì)于那些安全系數(shù)低或成本較高而放棄開展的實(shí)驗(yàn)，通過引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，可以觀察實(shí)驗(yàn)設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，模擬操作流程，從而了解并掌握實(shí)驗(yàn)的原理和步驟。

學(xué)?？稍跈C(jī)房電腦中安裝仿真實(shí)驗(yàn)軟件，并定期開放實(shí)驗(yàn)場地。例如：每周三和周五下午開放“化工原理”實(shí)驗(yàn)室和安裝有仿真實(shí)驗(yàn)軟件的機(jī)房，讓學(xué)生能近距離接觸實(shí)驗(yàn)設(shè)備。通過實(shí)驗(yàn)老師的講解加深學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)流程的掌握，同時(shí)又使教學(xué)資源的利用最大化，為學(xué)生的學(xué)習(xí)提供便利。

2.3 優(yōu)化實(shí)驗(yàn)安排

“化工原理”實(shí)驗(yàn)教學(xué)的前提是學(xué)生需要掌握相應(yīng)的理論知識(shí)，能夠分析實(shí)驗(yàn)中的簡單問題，掌握實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理和解決相關(guān)問題的基本方法。因此，實(shí)驗(yàn)課程應(yīng)盡量開設(shè)在理論課程后的兩周內(nèi)，避免學(xué)生淡忘知識(shí)，以提高實(shí)驗(yàn)效果，達(dá)到鞏固理論知識(shí)的目的。

若實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限，應(yīng)選擇錯(cuò)峰制安排實(shí)驗(yàn)，將每個(gè)實(shí)驗(yàn)小組成員控制在4名以內(nèi)，提高帶班老師的教學(xué)效率，優(yōu)化學(xué)生的實(shí)驗(yàn)過程，有助于提升實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果。

2.4 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

按照OBE 導(dǎo)向理論，我們應(yīng)該對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行擴(kuò)展?！盎ぴ怼睂?shí)驗(yàn)課程以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力為目的，我們有必要對(duì)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的比例進(jìn)行調(diào)控，增加設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)及綜合性實(shí)驗(yàn)的占比，有助于培養(yǎng)更多具有創(chuàng)新實(shí)踐能力的人才，為今后的課程評(píng)估和專業(yè)認(rèn)證奠定良好的基礎(chǔ)。同時(shí)對(duì)部分傳統(tǒng)的“化工原理”實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行擴(kuò)展，如表2所示。

表2 “化工原理”實(shí)驗(yàn)的傳統(tǒng)內(nèi)容及擴(kuò)展內(nèi)容

從表2中可以看出，我們主要對(duì)“化工原理”設(shè)計(jì)性、綜合性、研究性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行了擴(kuò)展。通過對(duì)這些項(xiàng)目的擴(kuò)展，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考，提高他們多方面的工程能力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)具有工程實(shí)踐能力的化工人才的目標(biāo)。

3 “化工原理”課程設(shè)計(jì)改革

3.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)選題

“化工原理”課程設(shè)計(jì)是化工及其相關(guān)專業(yè)的學(xué)生在大學(xué)中接觸的第一門課程設(shè)計(jì)。由于學(xué)生缺乏經(jīng)驗(yàn)，因此老師在選擇設(shè)計(jì)題目時(shí)，應(yīng)充分考慮學(xué)生所學(xué)的知識(shí)范圍，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，控制題目的深度與廣度，才能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，例如：圍繞新冠疫情，可將課程設(shè)計(jì)的選題定為三氯異氰尿酸消毒劑的相關(guān)設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)題目應(yīng)一屆一換，避免學(xué)生抄襲往屆。設(shè)計(jì)內(nèi)容不應(yīng)僅局限于一個(gè)單元操作的單項(xiàng)設(shè)計(jì)，可選擇結(jié)合多個(gè)單元操作的綜合設(shè)計(jì)，使設(shè)計(jì)更加全面，例如，以“三氯異氰尿酸的換熱器、離心泵、過濾機(jī)、吸收塔、風(fēng)機(jī)選型計(jì)算”為題，比以“三氯異氰尿酸的換熱器設(shè)計(jì)”更加全面，包含了多種單元操作在該產(chǎn)品生產(chǎn)線中的應(yīng)用，有助于加深學(xué)生對(duì)生產(chǎn)實(shí)際的理解和認(rèn)識(shí)。

3.2 引入工程設(shè)計(jì)軟件

化工設(shè)計(jì)中公式繁雜，計(jì)算量大。為降低學(xué)生的計(jì)算量和計(jì)算強(qiáng)度，將工程軟件引入到課程設(shè)計(jì)中。工程軟件的應(yīng)用給學(xué)生注入了現(xiàn)代的設(shè)計(jì)理念，提高了學(xué)生的設(shè)計(jì)能力，滿足了當(dāng)前行業(yè)的人才要求。我們鼓勵(lì)學(xué)生使用相關(guān)的設(shè)計(jì)軟件，提高課程設(shè)計(jì)的效率。例如，我校在本科期間開設(shè)了AutoCAD 課程，在“化工原理”課程設(shè)計(jì)中，學(xué)生可利用AutoCAD 繪制工藝流程圖。相比手工繪圖，AutoCAD 具有直觀、簡便、精確的特點(diǎn)，能增強(qiáng)學(xué)生的工程意識(shí)及計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力。采用CUPTOWER 軟件對(duì)塔設(shè)備進(jìn)行水力學(xué)校核，以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。此外，還可將其他實(shí)用軟件運(yùn)用到“化工原理”課程設(shè)計(jì)中，這樣不但能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，還為學(xué)生參加全國大學(xué)生化工設(shè)計(jì)競賽打下基礎(chǔ)，為后續(xù)的畢業(yè)設(shè)計(jì)做好準(zhǔn)備。

3.3 改進(jìn)考核體系

“化工原理”課程設(shè)計(jì)的考核不應(yīng)過于注重結(jié)果，應(yīng)同時(shí)注重設(shè)計(jì)過程。考核成績可由平時(shí)成績(40%)、設(shè)計(jì)作品(40%)、答辯(20%)三部分構(gòu)成，貫穿整個(gè)設(shè)計(jì)過程。

平時(shí)成績中，有10 分為考勤，設(shè)計(jì)過程中的表現(xiàn)（態(tài)度是否積極、是否遵守紀(jì)律等）占30 分；設(shè)計(jì)作品中，說明書占10分，設(shè)計(jì)圖紙、工藝設(shè)計(jì)計(jì)算各占15分；答辯的表現(xiàn)（學(xué)生設(shè)計(jì)的獨(dú)立性及態(tài)度、對(duì)相關(guān)知識(shí)的掌握程度、態(tài)度等）占20分。

加強(qiáng)過程性的考核，不再僅依靠設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行評(píng)判，使得結(jié)果更加公平、公正。這種考核辦法有助于強(qiáng)化教師對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)過程的監(jiān)督、指導(dǎo)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)“化工原理”課程的積極性。

4 結(jié)束語

“化工原理”是一門被工程認(rèn)證重點(diǎn)關(guān)注的化工學(xué)科體系的核心課程。由于其知識(shí)系統(tǒng)繁雜，學(xué)生較難掌握，所以需要我們對(duì)“化工原理”課程進(jìn)行充分的探索和全面的改革，培養(yǎng)學(xué)生扎實(shí)的化工專業(yè)基礎(chǔ)?；贠BE目標(biāo)導(dǎo)向理論，我們提出采用“線上線下混合式教學(xué)”，從理論課程、實(shí)驗(yàn)課程和課程設(shè)計(jì)三個(gè)方面進(jìn)行了探討，對(duì)課程安排、軟件應(yīng)用和考核方式等都提出了相應(yīng)的改革方案。通過這些改革措施可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深對(duì)課程的理解，增強(qiáng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，以滿足社會(huì)對(duì)高水平化工人才的需求。