翻轉(zhuǎn)課堂教學模式在化工原理課程設計中的實踐*

鄭大鋒，楊東杰，鐘 理

(華南理工大學化學與化工學院，廣東 廣州 510640)

化工原理課程設計是化類專業(yè)本科學生在完成了化工原理課程學習后的一門強化實踐課程，主要內(nèi)容是對化工生產(chǎn)過程的單元操作進行實踐性設計[1-2]。通過該實踐課程，不僅可以提高學生工程計算能力、解決復雜工程問題的能力和創(chuàng)新能力，而且還可建立學生的經(jīng)濟意識，培養(yǎng)團隊精神[3]。因此，化工原理課程設計是工科化類專業(yè)非常重要的本科教學環(huán)節(jié)。

化工原理課程設計實踐環(huán)節(jié)與理論教學脫節(jié)現(xiàn)象嚴重，導致許多學生對要設計的單元操作計算、公式查閱、標準查閱一知半解、甚至完全脫離國標規(guī)范。為提高化工原理課程設計的教學質(zhì)量，我國化工原理課程一線教師進行了大量的探索和實踐，并已經(jīng)取得了有益的成果[4-7]。但由于歷史和現(xiàn)實原因，化工原理課程設計仍然普遍存在學生積極性不高、參與度差、設計效果差等問題[8-10]，導致該課程的目標達成度偏低。如何提高化工原理課程設計的教學效果，實現(xiàn)課程的目標達成度，是高校有關老師需要解決的熱點問題。

1 翻轉(zhuǎn)課堂的內(nèi)涵及其與化工原理課程設計的融合點

翻轉(zhuǎn)課堂又稱“顛倒課堂”，其宗旨是將學習的主動權交給學生。從2007年翻轉(zhuǎn)課堂的概念被正式提出以來，其發(fā)展勢頭如燎原之勢，迅速從美國發(fā)展到全世界，從基礎教育到高等教育領域，成為教學改革的熱點[11-13]。

翻轉(zhuǎn)課堂教學模式體現(xiàn)了教育的人性化[14]。翻轉(zhuǎn)課堂的教學原則是先學后教，教師主要對學生進行個性化輔導?；ぴ碚n程設計的特點是分散設計為主，集中授課為輔，并且注重交流合作，因此翻轉(zhuǎn)課堂模式在教育人性化上與化工原理課程設計是高度融合的。

翻轉(zhuǎn)課堂模式強調(diào)學生在課堂中交流討論、分享知識和思路，從而激發(fā)學習的積極主動性[15]。現(xiàn)階段化工原理課程設計的主要問題之一是學生參與的積極性不高，因此采用翻轉(zhuǎn)課堂模式能較好彌補化工原理課程設計的缺點。

再次，翻轉(zhuǎn)課堂突破了傳統(tǒng)課堂時間空間的限制，這較好克服了傳統(tǒng)化工原理課程設計課堂上教師輔導時間短、知識量大的矛盾。

基于此，筆者嘗試在化工原理課程設計實踐課程中采用翻轉(zhuǎn)課堂教學模式，摸索合適的教學方法和手段，以提高化工原理課程設計教學效果，促進教學改革，并引來他山美玉。

2 翻轉(zhuǎn)課堂模式在化工原理課程設計教學中的具體實施措施

筆者根據(jù)多年的教學經(jīng)驗和化工原理課程設計的課程目標，結(jié)合翻轉(zhuǎn)課堂的特點和優(yōu)勢，將化工原理課程設計教學過程分解為以下模塊。

2.1 線上教學

目前有關化工原理課程的慕課建設已經(jīng)比較普遍。為了充分利用這些資源，筆者直接引進國內(nèi)名校的有關化工單元操作設備設計和計算在線課程作為網(wǎng)絡教學資源進行線上學習。如在換熱器設計和精餾塔設計部分，筆者選擇了蘭州大學嚴世強教授在智慧樹上的開放課程《化學工程基礎》作為教學資源供學生學習。嚴教授授課嚴禁認真、邏輯性強，多媒體課件直觀形象，學生接受度高。同時，筆者還選擇了天津大學在中國大學MOOC上的《化工原理》作為教學資源。該開放課程適應性強，可充分滿足不同專業(yè)學生的需要。

此外，筆者自己還制作了有關塔設備、換熱設備的結(jié)構、工藝計算、設備計算的動畫視頻，并上傳至網(wǎng)絡云盤中，供學生在傳統(tǒng)課堂之前進行學習。學生可以根據(jù)自己學習能力自主制定學習計劃和進度，反復學習，加深理解，并重點標識難點和疑問。

2.2 課堂集中教學

翻轉(zhuǎn)課堂要求課中師生之間保持良好互動。筆者在學生完成線上視頻學習后，再根據(jù)化工原理課程設計的課程目標和知識點，將課程內(nèi)容分解，采用基于問題為中心的教學模式。每一部分內(nèi)容都圍繞一個問題展開教學，以學生討論為主，并提出解決方案[16]。如對于換熱系統(tǒng)的設計任務，筆者先將課程內(nèi)容分解為傳熱面積的估算、換熱管長及管數(shù)的計算、殼體內(nèi)徑的計算、組件的選擇、換熱器的核算和換熱器結(jié)構幾大部分。每一部分都設置一個中心問題，并分別安排獨立一個單元時間集中講解，學生在解決迷惑后，再進行分散討論，形成最終的解決方案，保障課程設計的質(zhì)量。對于學生在線上學習的個別問題，采用一對一的方式在課中解決。

在精餾塔設計課程中，筆者在將課程分解為工藝計算、結(jié)構計算、機械計算、流體力學性能核算、輔助部件選型等部分。對于每一部分，筆者也都安排獨立單元時間講解，并留出充分時間由學生思考討論，在形成自己的解決方案后再進入下一單元的學習。

2.3 線下設計

在完成視頻學習、集中講解的基礎上，筆者給每位學生安排了內(nèi)容不同的設計任務。如針對換熱器課程設計，筆者分別安排了不同原料溫度、不同冷卻溫度、不同流量、不同換熱器形式的設計任務，使每位學生均有獨立任務，避免相互抄襲。針對精餾塔的設計，筆者給每位學生布置了乙醇-水體系、正戊烷-正己烷體系的分離設計。同一體系要求產(chǎn)品純度不同、產(chǎn)量不同、精餾塔形式不同。在設計過程中，學生只能互相合作，難以生搬硬套。

在共性的設計問題上，要求學生分工協(xié)作，互相討論。如在精餾塔課程設計中，計算內(nèi)容涉及物料衡算、熱量衡算、相平衡關系與傳遞速率、主要設備結(jié)構設計與附屬設備選用等，計算量大，往往涉及非線性方程組求解及非平衡級的計算，手算較難完成，因此在設計過程中要求學生采用計算機、練習使用各種計算軟件編程完成設計計算。筆者鼓勵學生之間互相幫助，必要時組成幾個計算小組共同編程完成設計計算。在制圖過程中，為培養(yǎng)學生在今后實際工程設計中的計算機能力，筆者鼓勵學生采用 Aspen plus、PRO II、Auto CAD軟件繪制設備圖、工藝流程圖和模擬結(jié)果。在制圖階段，筆者安排幾位已掌握Auto CAD軟件的學生在課堂上為全體學生講解該軟件的使用方法和竅門。

2.4 課后評價和反思

化工原理課程設計是考查課程，目前常用的考核方法是平時表現(xiàn)+說明書+圖紙質(zhì)量+答辯。如何科學合理評價課程的學習效果，也是提高化工原理課程設計質(zhì)量的關鍵。

在化工原理課程設計采用翻轉(zhuǎn)課堂模式，有助于建立更為科學的線上與線下相結(jié)合的考核體系。利用線上平臺，可以客觀、高效反映學生線上學習的情況，為更合理評價學生的平時表現(xiàn)提供了科學依據(jù)。同時，線上平臺可以實現(xiàn)自我評價、生生互評、教師點評，構建多元的綜合評價體系，改革傳統(tǒng)的化工原理課程設計考核系統(tǒng)。

線下評價仍然是必要的考核手段。結(jié)合翻轉(zhuǎn)課堂和信息化輔助教學手段的應用，筆者增加了計算機應用能力考核。如在裝配圖和流程圖繪制中，筆者鼓勵學生采用Aspen plus、PRO II、Auto CAD軟件繪制。

課后反思，持續(xù)改進是翻轉(zhuǎn)課堂教學的特點。根據(jù)課程評價結(jié)果，學生可以反思是否已經(jīng)達到預期的學習效果，探索原因，提升學習能力。教師也可以根據(jù)課程總的考核結(jié)果，反思課程目標是否已經(jīng)達成，如果某一部分沒有達成，應該從哪些方面加以完善，從而有目的的加強教學，持續(xù)改進教學效果。

3 改革成效與展望

實踐初步證明，在化工原理課程設計中采用基于翻轉(zhuǎn)課堂的教學模式，并將線上與線下學習有機融合，能在較短時間內(nèi)有效強化和鞏固化工單元設備設計的理論基礎，增強學生的學習主動性，并能充分激發(fā)學生學習的主體性和積極性。近兩年，參與改革的班級學生設計說明書撰寫的規(guī)范性、設計方案的合理性、工藝計算的正確性方面比改革之前有所改善。筆者從工程知識、設計解決方案和使用現(xiàn)代工具等方面進行了課程目標達成度分析。在設計解決方案上，課程目標達成度提高了約8%；工程知識上，課程目標達成度提高了約6%。但由于實踐時間有限，此教學改革仍需要進一步完善。下一階段，筆者計劃開發(fā)一門化工單元設備基礎的在線開放課程，并進一步優(yōu)化線下課程知識模塊，重點解決學生學習過程中的疑難點，回歸學生在學習過程中的主體作用，力爭打造化工原理課程設計金課。