化工專業(yè)課研究性教學的探索與實踐

劉偉 劉麗英 劉清雅

摘 要：針對新時期化工類專業(yè)創(chuàng)新人才培養(yǎng)對研究性教學構建與實施的需求，結合核心課程“化工原理”的教學目標、教學模式、教學活動和考評體系，進行了研究性教學的探索與實踐，提出了“課前主動獲取知識，課堂以問題為中心傳授知識，課后研究性探究學習”的復合模式。實踐結果表明，這種復合模式對逐步培養(yǎng)和提高學生創(chuàng)新思維與創(chuàng)新能力是行之有效的。

關鍵詞：研究性教學;創(chuàng)新思維;創(chuàng)新能力;化工原理

培養(yǎng)創(chuàng)新人才是我國高等教育重要任務之一，本科人才的培養(yǎng)尤為重要，如何提升本科生自主學習能力、創(chuàng)新能力及適應未來社會發(fā)展能力，很多研究學者和教育專家開展了大量的研究工作。目前我國高等學校對于本科生的教學形態(tài)多為知識灌輸型，學生以教材或課件為中心，以課堂為主，接受教師傳授的書本知識，形成了“接受式學習”的思維定式，學生主動思考和探究問題意識薄弱，嚴重缺乏知識應用和創(chuàng)造性應用的能力和素質。近年來，我國高等學校開始推廣研究性課程和教學，大家一致認為對培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力是有利的，但對于不同類型課程和不同層次的本科學生，在具體實踐過程中，其教學活動的內容、模式、方法等還有待進一步探討與研究。從2017年開始，北京化工大學化工學院每學期都設置化工原理研究性教學，探索適用于化工專業(yè)培養(yǎng)目標的課程教學模式、教學內容、教學活動及考評體系等，獲得了良好的教學效果。

一、研究性教學的教學目標

近年來，很多教育工作者指出研究性教學可以解決創(chuàng)新人才培養(yǎng)，并有大量的探索與實踐[1-3]?；ぴ碜鳛榛ぜ跋嘟鼘I(yè)的核心課程，在化工人才培養(yǎng)方案中極為重要，其教學知識目標通常包括：使學生掌握解決復雜化工問題所需的基本原理和計算方法，培養(yǎng)學生應用所學知識對化工過程進行分析、計算的能力，以及綜合考慮技術及經濟等因素，對主要單元設備的選型和設計能力;培養(yǎng)學生對化工過程進行分析，確定其制約因素，提出強化過程的途徑和措施。但上述知識目標并不能有效地培養(yǎng)出化工創(chuàng)新人才，為此我們又提出高階（能力）目標，包括：培養(yǎng)學生對已學知識達到融會貫通的能力;培養(yǎng)學生根據問題獨立獲取相關知識并整合的能力;培養(yǎng)學生獨立識別問題并能提出解決問題的方案的能力，以提高學生創(chuàng)新思維意識、能力和素質，為學生今后學習、工作和發(fā)展提供終身服務。

二、適應研究性教學的教學模式構建

化工原理課程具有很強的工程性，培養(yǎng)學生分析問題和解決問題的能力，始終是該課程的重點和教學改革的目標。課程堅持以學生為中心的成果導向式教育（OBE）教學理念，把激發(fā)學生的學習熱情，培養(yǎng)學思結合、知行合一作為課堂教學的理想境界。本著教學內容為王的準則，在以“三基”為主的基礎上，融入與時俱進的現(xiàn)代化教學內容，采用靈活的教學方式、有效的教學方法，并堅持教學改革與創(chuàng)新效果要靠學生實踐檢驗的理念，為學生知識、能力和素質全面發(fā)展打造具有鮮明特色的高階性課程。

1.堅持培養(yǎng)學生良好的學習習慣，提高學生學思結合的能力

作為傳統(tǒng)的專業(yè)基礎課，為了實現(xiàn)知識目標和能力目標，需要對傳統(tǒng)的教學模式進行改革。我們提出課前主動獲取知識模式，在“北京化工大學在線教育平臺”上設置課程導讀，引導學生了解課程及學好課程。在線平臺還為學生提供課前思考題，便于學生帶著問題去看書。這一模式的設計目的在于使學生了解教材的結構、原理和規(guī)律，培養(yǎng)學生對化工問題的興趣和對知識的求知欲，逐漸養(yǎng)成良好的自覺學習習慣，在看書過程中主動獲取或發(fā)現(xiàn)問題，然后帶著問題進入課堂。

2.堅持培養(yǎng)學生分析問題和解決問題的能力，提高學生對知識融會貫通的能力

盡管有人認為培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識和精神，要摒棄知識傳授式教學，但傳授式教學方式并非就是“填鴨式”教學。從課程內容的性質和學生素質考慮，研究性教學單純從研究課題出發(fā)，不考慮學生在高中形成的思維惰性，沒有牢固地掌握課程基本概念、基本原理和應用技術等，在研究性探究階段學生會遇到很多困難，達不到相應的效果，學生會畏懼和厭倦。我們這里所說的知識傳授，不是以知識為中心，而是以問題為中心，與概念和原理相關的知識點完全是為分析問題和解決問題服務的，即課堂上以教師為主導、以學生為主體、以問題為中心的知識傳授模式。圍繞教學的知識目標，采取問題導入、案例教學、學生參與式研討、階段測試、知識總結的授課方式開展，使學生深刻掌握課程內容，學會分析問題和解決問題的技術和方法，達到極大提高教師教學效率和學生學習效果的目的。

3.堅持以學生為主體的學習實踐活動，提高學生知行合一的能力

縱使學生對課程概念和原理掌握得很熟練，但面對復雜的化工問題，如果不親自實踐，對學到的知識和技能就會掌握不牢或不深，時間長了就忘，更談不上未來工作和研究時利用所學知識和技術解決實際問題。為此我們在課后采用研究性探究式學習模式，設立若干與課堂內容密切相關的研究載體，學生分組完成。盡管國內外對研究性課程有多種不同角度的定義和爭論[4-5]，但有一個觀點是一致的，即研究性課程是在教師指導下學生獨立思考、探索的實踐活動。所以，我們在課后通過研究性探究模式，在教師的指導下，圍繞課程重點內容，通過系列化典型工程實際的研究性課題或載體的實施，鍛煉學生獨立思考、提煉問題、制定方案以及解決問題的能力。最后，依據學生對研究性教學的反饋意見和學生作品質量，不斷完善教學模式、研究內容、組織方式、考評系統(tǒng)等，以推動復合研究性教學模式的持續(xù)發(fā)展。

三、研究性教學三階段復合模式的實踐

研究性教學采用三階段復合教學模式，依次為主動獲取知識階段、以問題為中心傳授知識階段以及研究性探究式學習階段。

1.主動獲取知識階段

通過教師制作的課程導讀視頻、教材、參考書等資料，學生了解課程總體結構、知識目

標;通過在線教育平臺上每章的學習思考題，學生帶著問題和目標，通過看書去主動獲取知識。在這個階段學生的學習效果是否達到，可以通過學生是否能解決在第二階段課堂傳授知識所涉及的問題來檢查。學生常常為自己能獨立分析問題而自豪，其成就感會大大提高其學習興趣，并隨后逐漸改善自我學習方法，養(yǎng)成讀書、思考問題、獲取相關知識的學習習慣。這里需要教師對思考題與傳授知識內容精心設計，既要考慮知識和問題的發(fā)展進程，又要掌握學生學習知識的達標程度。

2.以問題為中心傳授知識階段

學生帶著問題進入課堂，在教師的引導下，鋪墊所需的基本概念和原理，針對具體的工程案例展開分析。學生參與解決實際問題，并總結和歸納這一問題的規(guī)律性結論。例如關于離心泵安裝高度是否有限制？這是流體流動過程非常實際的問題，以此工程問題為中心，回顧離心泵的工作原理和汽蝕現(xiàn)象，介紹離心泵性能之抗汽蝕性能參數——必需汽蝕余量，并讓學生利用已學的機械能守恒規(guī)律推導出含有必需汽蝕余量參數的允許安裝高度計算式，學生到這里就能水到渠成地判斷出實際安裝高度若超過允許安裝高度，離心泵就會發(fā)生汽蝕現(xiàn)象，因此離心泵安裝高度是有限制的。另外，從汽蝕余量概念也能判斷離心泵是否發(fā)生汽蝕，同時發(fā)現(xiàn)離心泵是否發(fā)生汽蝕不僅與安裝高度有關，也與操作溫度、吸入管路流動阻力等因素有關，在此基礎上讓學生判斷吸入管路中閥門的作用，以及理解離心泵輸送熱力脫氧的水容易產生汽蝕問題，自然就信手拈來了。課堂中間加入測試手段以考查學生對概念和工程問題的掌握程度以及最后的總結，都有助于提高學生對這一節(jié)所傳授知識的應用能力。這一階段的教學需要教師從工程實際出發(fā)，提煉大量的工程案例融入教學。案例教學是工程性強的課程的“潤滑劑”，有助于學生樹立工程觀點和提高技術創(chuàng)新意識。學生在此階段也可以相互交流工程案例或生活案例，訓練自身發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力。因此，以問題為中心的知識傳授階段并非傳統(tǒng)意義上的知識傳授，而是一個培養(yǎng)學生學思結合能力的階段，是一個促進學生開放思維的階段，也是一個奠定善于思考問題基礎的階段。

3.研究性探究式學習階段

研究性教學具有提高學生創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的作用，其重要環(huán)節(jié)必須包括學生的體驗過程。在體驗和實踐過程中，學生對掌握的知識有更深刻的認識，對具體的復雜化工問題能獨立分析、確立方案、解決問題。為此，教師擬定若干個研究性課題，這些課題具有如下特點。（1）以課程講授的重點內容為基礎，挖掘潛在的研究性課題;（2）課題具有研究價值或實際應用價值;（3）課題必須是與工程實際密切相關的真實問題;（4）具有一定的挑戰(zhàn)性，學生在掌握課堂知識后，需經進一步努力才能夠完成;（5）各研究性課題對學生的能力訓練方面不重復。

以典型的化工單元操作為例，我們設立了五個研究性課題。（1）流體輸送過程中減少流動阻力措施的文獻綜述：主要鍛煉學生查閱文獻獲取知識、歸納整理和邏輯寫作能力;（2）校

園中水回用過程中雙泵并聯(lián)調節(jié)流量節(jié)能方案的研究：訓練學生面對復雜化工問題，確立研究目標，制定相應實驗方案，對實驗數據歸納并分析，做出科學性結論;（3）多種類型換熱器傳熱性能的比較研究：讓學生根據傳熱設備結構特點，預判相應傳熱特性，并通過實驗加以印證，鍛煉學生印證已有結論的科學思維和動手實驗能力，對已學知識實現(xiàn)知行合一，加深對知識的理解;（4）由吸收過程中采用吸收液多段循環(huán)技術而延伸到循環(huán)技術在其他化工過程的應用隨想：使學生掌握處理化工復雜問題的方法論，培養(yǎng)學生對知識融會貫通，在未來學習和研究中能達到事半功倍的目的，形成終身學習系統(tǒng);（5）乙醇—水混合液精餾分離過程中操作參數的優(yōu)化：化工單元操作的操作問題是化工原理課程學習目標之一，但實際化工過程不局限于課本內容中單一參數的優(yōu)化設計，所以學過線性代數和ASPEN等流程模擬軟件后，實現(xiàn)多操作參數優(yōu)化設計，同時也是綜合應用所學知識的一次有價值的實踐，經過對參數優(yōu)化結果分析，學生能充分體會化工設計與操作的經濟觀點。

學生完成上述課題是在課堂授課之后分小組進行的。在課題實施過程中，學生針對教師提出的宏觀課題自擬論文題目，內容開放，發(fā)揮學生的個性。當然整個過程中教師也會給學生具體的引導和建議，促進學生思維拓展和實踐活動的開展，保證課題能按時完成，并力爭學生論文達到較高的質量。例如在流動過程中減阻措施文獻綜述課題中，有的學生從產生阻力的根本原因是流體具有黏性出發(fā)，集中論述了各種減阻劑的開發(fā)與減阻性能對比的研究，也有的學生從流體產生阻力受到材料表面的影響出發(fā)，論述管道表面各種處理技術的應用研究。學生的作品在我校在線教學平臺展示，然后用PPT集中展示所做的工作，各組之間相互交流，互相借鑒和啟發(fā)，共同進步。課題實施過程極大地提高了學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力，培養(yǎng)了創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力，也提高了科研素質。這是一個知行合一的階段，是學生對所需知識深層次認識的階段，是檢驗學生利用科學方法和手段解決問題能力的階段，是研究性教學實現(xiàn)課程高階性必不可少的環(huán)節(jié)。

四、與研究性教學模式相匹配的全方位考評體系

學生在新教學模式下是否能積極參加研究性教學活動？學習效果如何？因此，建立相應的課程綜合考評體系變得非常重要，可以講考評制度就是實現(xiàn)新模式下教學方式轉變的“指揮棒”和“風向標”。建立考核評價體系不僅要考慮對知識的量化程度，還要重視學生研究性創(chuàng)新實踐過程與成長過程，以及創(chuàng)新潛力的挖掘，即考評理念為綜合全面地考核學生的學習效果和學習過程，考評方法需要實現(xiàn)共性與個性的結合，形成全方位的考評體系。經過幾年的實踐，我們將學生的總評成績定為：期末卷面成績占60%，平時測試與研究性課題實施過程考核的成績占40%。過程考核在考評體系中發(fā)揮重要作用，形式包括各組互評、個人評價和小組評價;內容包括研究性課題研究內容的完整性與難度、實驗或設計方案的可行性、數據處理或計算過程的正確性、結論的科學水平、論文的寫作水平以及課題演講表達水平等，教師由過去注重期末分數向考核學生學習實踐過程傾斜。該考評體系極大地激發(fā)了學生對新模式下學習的熱情與投入，由此可持續(xù)進行的研究性教學最終可實現(xiàn)化工原理研究性課程的教學目標。

五、研究性教學的成效

目前，我們的研究性教學已實施4年，通過對2016—2018級這3屆學生進行的問卷調查，并根據學生的學習成績、問卷反饋的意見、學生的研究性作品和后續(xù)跟蹤調查，我們總結出以下三點成效。

1.三階段復合研究性教學模式提高了分析問題和解決問題的能力和素質

創(chuàng)新教學模式培養(yǎng)了學生自主學習的習慣，實現(xiàn)了以學生為主體的知識傳授理念，學生體驗了主動分析問題和解決問題的過程。新模式提升了教與學的效率，學生達到了掌握知識、提高能力和素質的目標。從三屆學生關于研究性教學效果問卷中可以看出，學生對研究性教學提高學習能力和素質認可度最高，達100 %。在最早一批采用研究性教學的學生中，部分學生獲得了國家留學基金委資助赴海外碩博連讀，研究課題橫跨多個學科。

2.多元化的教學模式相融合，逐步培養(yǎng)了學生創(chuàng)新思維意識與創(chuàng)新能力

通過主動獲取知識模式、以問題為中心的知識傳授模式和研究性探究學習模式相融合，以及對幾屆學生的實踐，證明多種模式下的教學過程可大大激發(fā)學生學習的興趣和積極性，學習惰性大有改觀。經過主動獲取知識過程的訓練，學生們再經問題為中心的知識傳授階段，尤其注重方法論的實踐應用，即使面對多、廣、深的教學內容，也能做到觸類旁通，基本掌握每部分的精髓。進入研究性探究階段，學生通過幾個課題的實踐，提煉出自己要解決的問題，確立做什么為目標，查閱有價值的資料，確定實驗方案，獨立動手做實驗，總結出有科學意義的結論，少數學生有學術論文發(fā)表，他們看到自己的成就被認可，更堅定今后對專業(yè)和研究工作的熱愛。每一種模式或階段的實施，教師和學生都深刻體會到學思結合與知行合一是十分必要的，只有多種模式融合，學生才會逐步提高學習知識的能力以及解決問題的能力和素質，才會在創(chuàng)新思維意識和創(chuàng)新能力和素質方面有明顯的飛躍。例如2019年一名學生在保研面試時，談研究性教學對他學習的助力，受到評委老師的贊譽，他很興奮地反饋給我們，這也更加證明了研究性教學的意義，堅定了我們長期開展下去的信念。

3.研究性探究模式的實施，深化了教學內容，構筑了高階性課程

研究性探究教學實施過程中，對教師的挑戰(zhàn)及影響主要有兩個方面：一方面是需要教師依靠多年的教學經驗和科研素養(yǎng)，確定合適的研究性課題，實施后更加深了教師對教學內容把握;另一方面是需要教師對科研、工程實際和前沿知識有深入的研究，同時也促進了教師對科研產生新的想法。學生在此階段成為真正意義上的學習主體，例如學生在“離心泵流量節(jié)能調節(jié)”研究課題中，采用批判性思維方法，通過實驗設計并證明流體流量波動大時，同頻同型號雙泵并聯(lián)操作流量調節(jié)節(jié)能方案，推翻了大泵與小泵并聯(lián)方案，撰寫了《離心泵流量調節(jié)節(jié)能比較研究》的論文，并將其充實到新版《化工原理實驗》教材中，作為今后化工原理實驗課的創(chuàng)新實驗內容?？蒲写龠M教學，教學反哺科研，推動了化工原理課程向高階性課程發(fā)展。

以培養(yǎng)創(chuàng)新人才為目標的研究性教學在我?；ぴ碚n程中已經實施了四年，經歷了教學目標調整、教學模式探究、教學內容完善和教學活動實施等過程。研究性教學實施效果說明這種復合教學模式適合化工專業(yè)培養(yǎng)方案中工程性強的課程，其教學效果顯著，有推廣價值。

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[項目資助：北京化工大學教改項目“化工原理研究性教學示范課建設”（H-BUCT20170010），教育部第二批新工科研究與實踐項目“新經濟形勢下傳統(tǒng)化工專業(yè)多學科交叉復合改造的途徑探索與實踐”（E-HGZY20202001）]

[責任編輯：余大品]