“顛覆認(rèn)知”策略在《化工原理》教學(xué)中的應(yīng)用

丁美麗 陳慕華 顧曉利 張雄飛 馮 藝 朱玉香 王 潔 姚建峰

(南京林業(yè)大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，江蘇 南京 210037)

《化工原理》是化學(xué)工程類及相近專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，在公共基礎(chǔ)課和專業(yè)課之間起到了非常重要的橋梁作用[1]。課程主要運用自然科學(xué)的原理考察、解釋和處理工程實際問題，從理論上闡明化工生產(chǎn)中流體流動、傳熱、蒸餾等各個單元操作過程的基本原理，典型設(shè)備的結(jié)構(gòu)、工藝尺寸計算和選型，探索強化過程的途徑，通過課程學(xué)習(xí)、實驗操作和課程設(shè)計，培養(yǎng)學(xué)生處理工程技術(shù)中一般問題的綜合能力，為其以后的專業(yè)課學(xué)習(xí)奠定良好的基礎(chǔ)。

本文基于對化工原理課堂教學(xué)現(xiàn)狀的分析，探索“顛覆認(rèn)知”策略在化工原理教學(xué)中的應(yīng)用，旨在激發(fā)并充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，引導(dǎo)學(xué)生理解該課程的概念、原理及典型化工設(shè)備的設(shè)計與選型，最終實現(xiàn)課堂教學(xué)整體效果與質(zhì)量的提升以及學(xué)生實踐意識、工程意識和創(chuàng)新意識的培養(yǎng)。

1 化工原理課堂教學(xué)現(xiàn)狀分析

化工原理課程主要基于物理、化學(xué)、數(shù)學(xué)等自然科學(xué)基本原理，如質(zhì)量守恒、能量守恒、平衡關(guān)系等，研究各化工單元操作的基本原理、典型設(shè)備的構(gòu)造及工藝尺寸的計算或造型，并能用以分析和解決工程技術(shù)中的一般問題。該課程涉及到很多學(xué)生在公共基礎(chǔ)課程中未接觸過的基本概念、知識點以及工程計算公式，學(xué)生在課程學(xué)習(xí)過程中普遍認(rèn)為該課程內(nèi)容龐雜，符號和計算公式記憶難度大[2,3]，很快就喪失了對該課程的學(xué)習(xí)興趣。傳統(tǒng)化工原理課堂教學(xué)多以講授法為主，教師通過敘述、描繪、解釋和推論等方式對學(xué)生進行較為直接的課程知識灌輸，這使得學(xué)生很難在整節(jié)課堂中都保持高度的注意力，長此以往還會造成學(xué)生對教師的依賴心理，從而在很大程度上抑制了其學(xué)習(xí)的獨立性和自主性。不僅如此，由于化工原理課程每一章的知識關(guān)聯(lián)性很強，學(xué)生在課程學(xué)習(xí)初期如果無法進入狀態(tài)很容易對后面章節(jié)的學(xué)習(xí)產(chǎn)生畏懼心理，更無法做到對知識點的融會貫通和舉一反三，進而嚴(yán)重影響學(xué)生各方面的能力培養(yǎng)。

2 “顛覆認(rèn)知”激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)動力，提高教學(xué)質(zhì)量

美國著名教育心理學(xué)家奧蘇伯爾將學(xué)校情境中的學(xué)業(yè)成就動機分為認(rèn)知內(nèi)驅(qū)力、自我提高內(nèi)驅(qū)力和附屬內(nèi)驅(qū)力[4]。對于正值青年期的大學(xué)生而言，他們的學(xué)業(yè)成就動機主要為認(rèn)知內(nèi)驅(qū)力和自我提高內(nèi)驅(qū)力。他們希望通過學(xué)習(xí)來理解事物、掌握知識、解決問題或是由自身學(xué)業(yè)成績而獲得相應(yīng)的地位和威望。因此，打破傳統(tǒng)課堂教學(xué)模式，通過合適的教學(xué)策略來激發(fā)學(xué)生的認(rèn)知內(nèi)驅(qū)力，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，引導(dǎo)學(xué)生主動參與知識的建構(gòu)，提升教學(xué)質(zhì)量的同時加強師生之間的互動[5]，是目前化工原理課程教學(xué)亟需解決的一個重要問題，同時也是化工原理課程教學(xué)改革值得深入探索的問題。

有鑒于此，結(jié)合化工原理課程的特點，我們在考慮學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展水平和已有的知識經(jīng)驗基礎(chǔ)上，利用“顛覆認(rèn)知”策略從以下三個方面對該課程進行教學(xué)改革，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中對自身原有認(rèn)知出現(xiàn)顛覆，對課程內(nèi)容產(chǎn)生濃厚興趣，從而主動打破原有認(rèn)知架構(gòu)，并在教師的引導(dǎo)下積極主動地重新構(gòu)建新的思維方式和知識網(wǎng)絡(luò)，真正做到將“要我學(xué)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤拔乙獙W(xué)”。

2.1 顛覆認(rèn)知策略用于概念教學(xué)

化工原理課程涉及很多基本概念學(xué)習(xí)，而好的基本概念學(xué)習(xí)效果又為原理學(xué)習(xí)奠定了良好的基礎(chǔ)。為改善概念教學(xué)的整體效果，教師可以在課堂教學(xué)的導(dǎo)課環(huán)節(jié)利用顛覆認(rèn)知策略巧妙地吸引學(xué)生的注意力，引導(dǎo)學(xué)生對現(xiàn)象背后的原因或本質(zhì)進行刨根問底式的追問和思考，然后自然過渡到概念教學(xué)，讓學(xué)生更容易接受和理解很多基本概念。

以傳熱的三種基本方式為例，教師在課堂導(dǎo)入階段提出問題：“我們用手觸摸冰塊都會覺得冰很冷，那么如果我們用冰塊搭建房子是否會感覺很涼快？”多數(shù)學(xué)生會根據(jù)生活經(jīng)驗回答：“是的?！边@時教師再提問：“如果用冰塊建的房子令人感覺涼快，那為什么生活在北極的因紐特人還會住在冰屋內(nèi)呢？”學(xué)生面對與自身以往認(rèn)知完全不同的現(xiàn)象時會產(chǎn)生極強的好奇心。由此，教師告訴學(xué)生：“其實因紐特人用冰建造的冰屋內(nèi)部是很暖和的，今天就讓我們從傳熱的三種基本方式一起來揭示冰屋保暖的奧秘?！贝藭r，學(xué)生對本節(jié)課程的學(xué)習(xí)內(nèi)容產(chǎn)生了濃厚的興趣，同時也希望通過學(xué)習(xí)相關(guān)知識了解傳熱的三種基本方式分別是什么以及這些傳熱的基本方式在冰屋保暖中又分別起到了什么樣的作用。在整個概念教學(xué)過程中，學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性被調(diào)動，會主動參與到概念的理解和分析中，并與教師給出的結(jié)論相比較，不斷進行自我反思，課堂參與度大幅度提高，對于基本概念的理解也更加高效。

2.2 顛覆認(rèn)知策略用于原理教學(xué)

原理教學(xué)往往需要建立在概念教學(xué)的基礎(chǔ)之上，比起概念教學(xué)也更為復(fù)雜。因此，學(xué)生強烈的學(xué)習(xí)動機是原理教學(xué)得以有效進行的重要前提。化工原理是一門實踐性很強的課程，倘若教師在原理教學(xué)中能夠聯(lián)系生活實例，利用顛覆認(rèn)知策略使學(xué)生對自身無法解釋的現(xiàn)象產(chǎn)生迫切的求知心理，就可以快速讓同學(xué)進入最佳的學(xué)習(xí)狀態(tài)，以達到較好的教學(xué)效果。以流體流動中的伯努利原理為例，教師在課堂中可以與學(xué)生一起完成小實驗，嘗試用幾口氣將一個氣球吹大。實驗成功后，教師提問：“如果將氣球換成一個又長又大的塑料袋，我們還可以吹幾口氣就將塑料袋吹大嗎？”即使不經(jīng)過實驗，多數(shù)學(xué)生憑借自身經(jīng)驗也會得出無法實現(xiàn)該目標(biāo)的結(jié)果。這時教師可以親自演示實驗過程或直接利用相關(guān)網(wǎng)絡(luò)視頻資源告訴學(xué)生，這個目標(biāo)其實是可以實現(xiàn)的，使學(xué)生產(chǎn)生認(rèn)知沖突并對難于解釋的現(xiàn)象背后的本質(zhì)或因果規(guī)律產(chǎn)生強烈的興趣。此時教師直接給出簡單解釋：“離袋口遠(yuǎn)一點吹塑料袋，會使得塑料袋口處因流體流動產(chǎn)生低壓，大氣壓就會將氣體壓入到塑料袋中，因此我們只需幾口氣就可以將一個又長又大的塑料袋吹大，這其實利用到的就是我們今天要學(xué)習(xí)到的伯努利原理?！痹趯W(xué)生對伯努利原理有初步印象后，再逐步引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)和理解伯努利方程，最后通過伯努利方程再總結(jié)出相應(yīng)規(guī)律即伯努利原理：等高流動時，流速大，壓力就小。

通過創(chuàng)設(shè)豐富的情境使學(xué)生對已有生活經(jīng)驗的認(rèn)知產(chǎn)生顛覆，可以讓學(xué)生迅速對眼前的事物產(chǎn)生高度的興趣，也更愿意主動了解相關(guān)原理[6]。教師在此基礎(chǔ)上加以適當(dāng)引導(dǎo)，讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題并利用所學(xué)知識分析問題，最后幫助學(xué)生深入理解相關(guān)原理并總結(jié)相應(yīng)的基本規(guī)律。如此開展原理教學(xué)，有利于學(xué)生在牢固掌握相關(guān)原理的同時獲得課程原理的學(xué)習(xí)方法。

2.3 顛覆認(rèn)知策略用于化工設(shè)備教學(xué)

根據(jù)工程教育專業(yè)認(rèn)證理念，化工原理課程近年來在教學(xué)大綱、教學(xué)條件、考核機制等多個方面都進行了全面改進，以期培養(yǎng)學(xué)生的工程素養(yǎng)以及創(chuàng)新、應(yīng)用與分析能力[7]。其中，對于化工原理課程中的化工設(shè)備，需要學(xué)生在學(xué)完課程以后能夠針對單元操作過程的特性，確定單元操作主體設(shè)備的類型和操作條件，并進行單元操作設(shè)備的設(shè)計優(yōu)化。為了加強學(xué)生對于化工設(shè)備相關(guān)內(nèi)容的理解，在化工設(shè)備教學(xué)過程中，教師可以適當(dāng)設(shè)置問題障礙情境，使學(xué)生形成認(rèn)知沖突，教師由此引導(dǎo)學(xué)生主動獲取知識并解決問題，最后教師對該化工設(shè)備的相關(guān)原理與設(shè)計優(yōu)化進行歸納總結(jié)。

如講授流體輸送機械中的離心泵時，對于離心泵基本方程，在了解葉片不同的彎曲形式形成不同大小的流動角對于離心泵理論壓頭大小的影響規(guī)律—當(dāng)使用后彎葉片時流動角小于90度則理論壓頭值較小，而當(dāng)使用前彎葉片時流動角大于90度則理論壓頭值較大的基礎(chǔ)上，教師提問“根據(jù)此規(guī)律，我們應(yīng)該在設(shè)計或使用離心泵時選擇何種葉輪？”因為前面剛學(xué)習(xí)流動角對于離心泵理論壓頭大小的影響規(guī)律，大部分學(xué)生都會選擇具有前彎葉片的葉輪。此時教師可以直接給出結(jié)論“事實上在工業(yè)生產(chǎn)中離心泵多用后彎葉片”。學(xué)生在面對與其分析結(jié)果不同時會產(chǎn)生求知懸念，基于此，教師從理論壓頭、靜壓頭和流動角的關(guān)系曲線圖引導(dǎo)學(xué)生分析三者之間的關(guān)系，與學(xué)生共同總結(jié)在流動角不斷變化過程中離心泵理論壓頭與靜壓頭的變化規(guī)律，最終由學(xué)生自主分析解決問題，并得到結(jié)論：雖然使用前彎葉片流動角大于90度時理論壓頭值較大，但其中動壓頭比例也較大，為了避免因過大動壓頭造成能量轉(zhuǎn)換時產(chǎn)生較大的能量損失，應(yīng)該使用后彎葉片。

如此，根據(jù)所學(xué)內(nèi)容創(chuàng)設(shè)問題情境，用問題有效啟發(fā)學(xué)生思考，在學(xué)生因?qū)嶋H結(jié)果感覺內(nèi)心受到巨大沖擊以后，引導(dǎo)他們主動參與教學(xué)過程，深入探究相關(guān)規(guī)律，從而準(zhǔn)確理解典型單元操作設(shè)備的合理結(jié)構(gòu)和設(shè)計計算等。

3 結(jié)語

不憤不啟，不悱不發(fā)，學(xué)生在認(rèn)識顛覆時產(chǎn)生的強大好奇心可以促使學(xué)生主動參與學(xué)習(xí)。因此，教師在充分考慮學(xué)生認(rèn)知水平的基礎(chǔ)上，利用顛覆認(rèn)知策略適當(dāng)設(shè)置認(rèn)知沖突可以顯著提高學(xué)生的求知欲望和對化工原理課程知識點的關(guān)注度，促使學(xué)生不斷發(fā)現(xiàn)問題；此外，在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生可以自主構(gòu)建新的知識網(wǎng)絡(luò)，提高其對課程知識的理解力，有效提升課程教學(xué)效果同時培養(yǎng)學(xué)生綜合工程能力，為國家培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用型人才。