基于翻轉課堂模式的化工熱力學教學方法

丁麗芹

[摘要]化工熱力學是化學工程與技術一級學科下屬各專業(yè)的專業(yè)教育核心課程。課題組倡導在化工熱力學翻轉課堂模式的教學設計中，應包括課前精心備課、課堂組織教學以及課后考核評估三個環(huán)節(jié)，“以學生為中心”。采用“設疑-解疑-答疑”的漸進式教學方法，強調(diào)基礎理論與工程實際的緊密結合，激發(fā)學生學習興趣，培養(yǎng)學生自主學習能力和創(chuàng)新能力，為高素質(zhì)工程技術人才的培養(yǎng)奠定基礎。

[關鍵詞]化工熱力學;翻轉課堂;教學方法;自主學習;考核方式

[中圖分類號]G642

[文獻標識碼]A

[文章編號]2095-3437（2020）04-0109-03

作為一種新穎的教學方式，翻轉課堂（Flipped Classroom）就是指將授課教師的“教”和學生們的“學”徹底翻轉、顛倒過來，將學習的主動決定權從教師轉移給學生，以“學生為中心”進行教學，又稱為顛倒課堂（Inverted Classroom）。上課前，學生通過看視頻、聽播客、閱讀書籍等進行自主學習;課堂上，教師以學生提出的問題為引導，重點為學生答疑解惑，而無須系統(tǒng)講解相關知識;下課后，學生則自主規(guī)劃復習學習內(nèi)容及其節(jié)奏。因此，翻轉課堂的教學方法實質(zhì)就是將知識的傳播和知識的內(nèi)化兩個教學過程進行顛倒，這種教學方法的應用能夠激發(fā)學生的學習興趣，極大地促進學生的主動學習。

化工熱力學是化學工程與技術一級學科下屬各專業(yè)（如化學工程與工藝專業(yè)、能源化學工程專業(yè)等）的專業(yè)教育核心課程，此課程基于數(shù)學、物理化學及工程基礎知識等，以熱力學基本定律為基礎，用熱力學函數(shù)（P、V、T、H、S等）分析某些化工過程達到平衡的條件、狀態(tài)和能量利用及其效率問題，制訂節(jié)能降耗措施，以提高過程能量利用率。對于化學工程與技術學科的學生而言，這是一門從基礎課過渡到專業(yè)課的橋梁課程，必須掌握其基本理論知識，才能具備分析和解決工程中有關化工熱力學問題的能力。然而，化工熱力學這門課的特點是理論性較強、概念抽象、公式繁多（多達106個公式），導致學生認為這是一門“焓焓”糊糊、“熵”透腦筋的課程而產(chǎn)生畏難情緒。此外，教師們在講授這門課時大多采用“填鴨式”的傳統(tǒng)授課方式，忽略了學生個性化學習、自主學習能力的培養(yǎng)。

2017年9月到2018年10月，筆者有幸到美國得克薩斯大學奧斯汀分校（The University of Texas at Austin，UT）以訪問學者的身份進修了1年。通過學習，收獲頗豐，在此結合化工熱力學課程教學現(xiàn)狀，闡述課程團隊教師需要精心重新構建化工熱力學的教學設計，包括課前精心備課、課堂組織教學以及課后考核評估三個環(huán)節(jié)，希望能對課堂教學注入一點活力，提供一定的參考。

一、課前精心備課

與傳統(tǒng)備課方式不同，要達到翻轉課堂的效果，教師在課前必須通過制作微視頻、制作“空白”型PPT、設置問題和疑點，督促學生查閱資料。

1.教學微視頻必須短小精悍。時長控制在學生能夠集中精力的范圍之內(nèi)（如小于10min），可以通過動畫、圖片、文字等表達應該掌握的相關知識點。此外，微視頻的內(nèi)容在基于理論教學內(nèi)容的基礎上，必須密切聯(lián)系實際生產(chǎn)或生活中的實例。比如，在講授狀態(tài)方程的應用時，結合能源利用現(xiàn)狀，設置問題：同樣一罐壓縮天然氣，夏天跑的里程為什么比冬天的短？提示學生可以分別應用理想氣體狀態(tài)方程、RK方程等計算一定體積的儲氣罐在一定壓力（如20MPa）和不同溫度（冬天15℃，夏天為45℃）下壓縮天然氣能行駛的里程數(shù)。理論聯(lián)系實際，讓學生明白所學知識可以應用，這樣可大大提高學生的學習興趣和主動性。

2.制作“空白”型PPT。傳統(tǒng)的PPT內(nèi)容翔實，問題及解決方法盡在其中，鼠標輕輕一點，公式映入眼簾，學生感覺眼花繚亂，沒有思考的時間和余地。而“空白”型PPT是一種設置了疑點的PPT。例如，UT的Ganesan教授在講授系統(tǒng)與環(huán)境相關知識時，學生課前拿到的PPT上僅有封閉系統(tǒng)的特點：“與環(huán)境之間沒有物質(zhì)傳遞，但有能量傳遞”，而孤立系統(tǒng)和開放系統(tǒng)的特點需要學生自己總結。此舉極大提高了學生的自主學習能力，正應了“Tell me，I will forget;Show me，I may remember;Involve me，I will understand”這句話。

3.設置問題和疑點，督促學生查閱資料。針對課程概念抽象、公式繁多的特點，備課并不能完全局限于現(xiàn)代多媒體教學方法，也可以適當采用傳統(tǒng)方法，教師在上課前給學生設置問題和疑點，促使學生查閱資料，主動思考，學習新知識。美國高校的本科生教學大多數(shù)是沒有固定教材的，教材只是授課教師的參考資料，教學內(nèi)容是由教師參考最新研究和一些經(jīng)典教材自己組織的，并不局限于某一本教材。因此，為了解決教師提前設置的問題和疑點，學生不得不通過網(wǎng)絡、圖書館等查閱資料解決，大大提高了其學習的主觀能動性。

可見，課前精心備課、設置疑點是實現(xiàn)翻轉課堂的關鍵步驟，可以說，教師是學生學習過程的設計者。

二、課堂組織教學

在課堂教學中，教師們可以通過翻轉課堂的模式組織教學，聽取學生在自學過程中遇到的各種問題，采用啟發(fā)式教學、案例式教學和課堂分組討論等形式解決，并針對學生提出的問題進行重點講解和章節(jié)總結，深化知識點的關聯(lián)性，加深學生對課程內(nèi)容的理解。另外，也可結合學生就業(yè)講授教學內(nèi)容，強化與學生的交流和互動，注重使學生深入理解所學知識，提高教學效果。

1.采用啟發(fā)式教學，營造輕松安全的氛圍。在課堂教學中，教師應將傳統(tǒng)系統(tǒng)講授知識的精力用于精心組織課堂教學，以解惑和討論為主，注重通過翻轉課堂強化與學生的交流。這就要求教師需要提前收集學生在課前自學中遇到的問題，針對這些問題進行重點講解，答疑解惑，使學生聽后有種豁然開朗的感覺，同時通過隨堂測試、課堂提問、師生互換、單元測試等教學方式和手段，督促學生主動認真學習，以達到提高教學效率和效果的目的。由于實行翻轉課堂的授課方式，學生都是有備而來，在解決學生提出的疑點和授課過程中，可更多采用美國倡導的“以學生為中心”（Student-Centered-ness，SC）的啟發(fā)式教學方法。啟發(fā)式不僅體現(xiàn)在提出問題、解決問題、師生討論方面，而且與教室的布局、生生討論有關。美國高校的教室布置非常隨意，椅子是可以活動的，方便學生之間進行小組討論;也有的教室類似國內(nèi)固定座椅的布局，學生坐著聽教師講課，但是授課教師講課時在教室里隨意走動，有利于學生集中精力聽課;每一間教室都有多媒體、各種投影儀等，教師通過投影儀邊寫邊講學生提出的各種疑點，有利于學生對疑點難點的消化和吸收。因此，面對國內(nèi)教室布局，教師可以不拘泥于講臺而是通過在教室隨意走動督促學生集中精力，引導學生思考，鼓勵學生提問，并把積極提問的頻次作為判斷學生學習能力的一個重要標準之一，使學生成為教學活動的參與者和領跑者。課堂氛圍不僅需要輕松活潑，而且需要一種安全的氛圍，即學生可以毫無負擔地提出任何問題，甚至可以質(zhì)疑教師的觀點，而不被斥責或在總成績中因此舉降低分數(shù)。

2.及時總結內(nèi)容，深化知識點的關聯(lián)性。及時總結內(nèi)容包括學生分組討論總結和教師總結兩部分。在講解相關疑點難點重點后，教師可以按照座位確定5～10人為一組，并用數(shù)字為每個小組編號，確定組長，通過集思廣益、各抒己見去總結本章節(jié)的內(nèi)容，采取激勵措施，使各組之間形成競爭的氛圍，并通過總結使學生理解各知識點之間的關系。當學生在進行小組學習和討論總結時，授課教師在教室走動給予幫助和指導，這樣不僅培養(yǎng)了學生現(xiàn)代社會所需的合作學習能力和團隊協(xié)作能力，而且也為教師自己后續(xù)的總結收集、補充、完善資料，達到了教學相長的目的。在各小組總結的基礎上，教師還要對本節(jié)（或本章）內(nèi)容進行總結，側重于對本節(jié)（或本章）內(nèi)容承上啟下的作用進行講解，使學生感受到教材中的相關內(nèi)容“放下了是一堆，提起來是一串”，始終有一條主線貫穿其中，深化各知識點之間的邏輯關系。例如，在講授立方型狀態(tài)方程的相關內(nèi)容時，形式多樣的狀態(tài)方程，均可寫作通式P=RT/V-b-Attr，結合方程中的參數(shù)，可總結如表1所示。

這樣通過與最簡單的理想氣體狀態(tài)方程比較，得出“方程結構越復雜，精度越高”的結論，并通過后續(xù)的上機實訓進行驗證，培養(yǎng)學生通過軟件計算解決實際工程問題的意識。

3.結合學生就業(yè)，講授教學內(nèi)容。面對抽象難懂、公式繁多的教材，提倡授課過程中穿插一些教師本人對本課程獨到的見解，如該課程在日后工作中的應用、就業(yè)方向以及職業(yè)生涯規(guī)劃等方面的內(nèi)容。有工程實踐經(jīng)驗的教師，可以該專業(yè)學生日后就業(yè)的煉油或化工廠等實際生產(chǎn)裝置為例，讓學生設身處地地思考：如果工作后領導需要進行裝置的標定，期間需要利用Aspen Plus等化工軟件進行計算，面對課堂上學習過的van der Waals、Redlich-Kwong、Soave-Redlich-Kwong、Peng-Robinson等狀態(tài)方程，如何選取一個合適的方程進行計算？任務的完成與否將會影響到本人的薪金待遇和職位晉升，如此現(xiàn)實的問題迫使學生不得不考慮如何解決，這樣教師就能引導學生思考并理解各個方程的適用范圍。此舉不僅傳授了知識，緩解了學生大腦壓力，而且使學生意識到課堂上所學知識和就業(yè)后的工作是息息相關的，勢必會影響他們的前途和命運，這樣會激發(fā)學生學習的興趣和欲望，教學效果也在不知不覺中得以改善。

總之，在課堂教學中，教師精心組織課堂教學，為學生解決疑點問題，教師的作用由講授知識轉變?yōu)橐龑W生學習，學生的學習由被動接受轉變?yōu)樽灾鲗W習，可以說，教師是學生學習過程的引導者和合作者。

三、課后考核評估

課后的首要環(huán)節(jié)是檢測學生們的學習效果和學習質(zhì)量，可以通過輔導答疑、在線開放課程平臺、期中期末考試等多渠道評定學習效果和質(zhì)量。

1.改善輔導答疑的內(nèi)容和形式。目前盡管課程設置了每周的輔導答疑時間，但每次前來問問題的學生寥寥無幾，若我們將單元測試、期中考試等與學生最終成績息息相關的教學環(huán)節(jié)穿插于此，結合網(wǎng)絡在線平臺的建設，線下線上有機結合，問題也就迎刃而解了。例如，UT的Maynard教授的助教在每周一次的答疑課上，不僅為學生講解作業(yè)中的疑點，而且不定期地設置小測驗，測驗成績計入總成績中，此舉督促了學生按時參加答疑活動。

2.考核方式多樣化。目前，化工熱力學課程的考核方式比較固定，一般期末考試成績占總成績70%～80%的比例，平時作業(yè)成績占總成績的20%～30%，且考試內(nèi)容大多數(shù)都是課堂上所講的，學生習慣考前復印記錄完整的筆記，考前臨陣磨槍，考試照樣可以順利通過。這種制度造成了學生不注重平時的學習過程，更談不上自主學習和創(chuàng)新性學習。因此，期末考試成績所占比例一定要較小，以便杜絕考前突擊的現(xiàn)象。美國大學教師對于考核模式有很大的自主權，同樣一門課程，不同的授課教師考核方式及各環(huán)節(jié)所占比例各異，但共同點都是側重于學習過程，而期末考試成績所占比例均僅為20%左右。比如UT的Maynard教授提供的一份化工熱力學教學大綱顯示，最終成績由家庭作業(yè)（9%）、隨堂測試（15%）、平時考試（每次占19%）和期末考試（19%）組成，完全顛覆了考核側重點觀念。該校的教學非常注重學習過程，學生們在學習的同時，及時消化吸收，避免了將疑點堆積至期末難以下咽的問題。

3.采用半開卷考試方式。目前對于化工熱力學課程期末考試，有的學校采用閉卷考試，有的則是開卷考試。閉卷考試的弊端是公式太多，在短時間內(nèi)記憶困難，可能會導致夾帶等作弊現(xiàn)象的發(fā)生;開卷考試的弊端是學生完全依賴教材和作業(yè)，考場上很多時間用來翻閱資料而不去認真審題思考，還會出現(xiàn)相互傳送資料的現(xiàn)象。UT的Ganesan教授和Maynard教授均采用了半開卷的考試方法，允許學生攜帶一張規(guī)定尺寸（如3英寸×5英寸）的“小抄”（cheat sheet），而教師則提供可能會用到的公式、方程及圖表等資料，這樣避免了學生死記硬背公式，減輕了考試負擔，促使學生將學習的重心放在理解和應用知識方面，體現(xiàn)了以學生為中心的教學理念和教書育人的教育宗旨。

總之，考核評估應包括平時作業(yè)、隨堂測驗、課堂提問、師生互動、生生互動、單元測驗以及實驗上機等，還應該結合大數(shù)據(jù)、相關軟件等，減少教師的工作量，盡可能客觀公正地評價學生的學習，讓教師成為學生學習過程的輔導者。

綜上所述，翻轉課堂的模型如圖1所示。

四、結語

誠然，我國的大學教育模式經(jīng)過多年的探索，擁有了自己的特色，能夠使學生系統(tǒng)掌握知識，但是，這種教育模式不利于培養(yǎng)學生的自學能力和創(chuàng)新能力。因此，我們可以取長補短，借鑒和學習美國高等學校的教育模式，改變教學觀念，認識到課程教學模式改革的必要性，學習和掌握多種多樣的教學手段、教學方法和考核方式等。我們可以從翻轉課堂的教學模式著手，貫徹“以學生為中心”的教學理念，以工程教育專業(yè)認證為契機，采用“設疑-解疑-答疑”的漸進式教學方法，使教師成為學生學習過程中的設計者、引導者、合作者和輔導者，促進教師積極主動提高自身的教學業(yè)務水平。希望通過上述改革和探索，持續(xù)改進，培養(yǎng)學生的自主學習和創(chuàng)新能力，為高素質(zhì)工程技術人才的培養(yǎng)奠定基礎。

[責任編輯：鐘嵐]