化工原理課程設(shè)計(jì)線上教學(xué)方法探索*

祝 杰，李惠茗，李紅梅

(1 成都大學(xué)高等研究院，四川 成都 610106；2 成都大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，四川 成都 610106)

化工原理課程設(shè)計(jì)是化工類或近化工工程專業(yè)本科生的一門必修課程，是培養(yǎng)與提高學(xué)生運(yùn)用專業(yè)知識(shí)提升工程技能的有益實(shí)踐。本課程是基于化工原理“三傳”理論，以單元操作為分析對(duì)象，進(jìn)行化工工藝設(shè)計(jì)的實(shí)踐環(huán)節(jié)[1]。學(xué)生需要針對(duì)設(shè)計(jì)任務(wù)，通過(guò)查閱資料(包括：法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)、書(shū)籍、文獻(xiàn)等)，擇優(yōu)選定較為理想的工藝流程，并進(jìn)行過(guò)程和設(shè)備的工藝計(jì)算，提出保證過(guò)程正常、安全運(yùn)行所需要的監(jiān)測(cè)和計(jì)量參數(shù)，最終用精煉的語(yǔ)言、簡(jiǎn)潔的文字、清晰的圖表、規(guī)范的格式來(lái)表達(dá)自己的設(shè)計(jì)思想和計(jì)算結(jié)果[2]。通過(guò)課程設(shè)計(jì)，學(xué)生可以加深對(duì)化工單元操作的理解和認(rèn)識(shí)，掌握典型單元操作的理論計(jì)算，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)解決工程實(shí)際問(wèn)題的應(yīng)用能力，為后續(xù)參加化工設(shè)計(jì)大賽、畢業(yè)設(shè)計(jì)、科研和工程實(shí)踐打下良好基礎(chǔ)[3]。目前，全球新冠肺炎疫情仍處于高位，國(guó)內(nèi)眾多高校均開(kāi)展了課程設(shè)計(jì)的線上教學(xué)實(shí)踐，加強(qiáng)化工原理課程設(shè)計(jì)線上教學(xué)方法探討，提高課程教學(xué)質(zhì)量，對(duì)培養(yǎng)新形勢(shì)下化工類專業(yè)應(yīng)用型人才具有重要意義。

1 線上教學(xué)的一般問(wèn)題

充分運(yùn)用互聯(lián)網(wǎng)資源的豐富性與便捷性，開(kāi)展網(wǎng)絡(luò)教學(xué)已成為近年來(lái)教改熱點(diǎn)，如通過(guò)百度網(wǎng)盤、超星學(xué)習(xí)通等共享學(xué)習(xí)資料，借助騰訊課堂、雨課堂等平臺(tái)開(kāi)展直播授課[4]，利用優(yōu)質(zhì)慕課資源，隨時(shí)隨地學(xué)習(xí)提升。然而，通過(guò)校際交流與文獻(xiàn)調(diào)研，發(fā)現(xiàn)目前課程設(shè)計(jì)的線上教學(xué)尚存有一些問(wèn)題：

(1)多元化的公共網(wǎng)絡(luò)資源在一定程度上能拓寬學(xué)生的專業(yè)認(rèn)知，提升學(xué)習(xí)興趣，但教學(xué)過(guò)程仍然以“填鴨式”為主[3]，學(xué)生多數(shù)通過(guò)聽(tīng)從老師對(duì)典型計(jì)算過(guò)程的講解，不假思索按部就班地完成工藝計(jì)算，模仿工藝圖紙拼湊設(shè)計(jì)圖稿，學(xué)生并未深入理解設(shè)計(jì)過(guò)程，很難達(dá)到訓(xùn)練學(xué)生靈活工程思維和創(chuàng)新工程意識(shí)的教學(xué)目的。

(2)工科專業(yè)涉及知識(shí)點(diǎn)多，涉及面廣，綜合性強(qiáng)，學(xué)科多樣化的知識(shí)結(jié)構(gòu)與有限的課時(shí)安排存在矛盾，教師備課重點(diǎn)雜而不精，學(xué)生往往在聽(tīng)完概述內(nèi)容后容易產(chǎn)生“時(shí)間緊、任務(wù)重”的課程印象，降低了學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性，滋生的擔(dān)憂或應(yīng)付心理難以讓學(xué)生認(rèn)真完成課程設(shè)計(jì)訓(xùn)練。

(3)設(shè)計(jì)任務(wù)及考評(píng)方式單一[5]，學(xué)生參與度不高，且容易在設(shè)計(jì)過(guò)程中相互“借鑒”，如參考同屆或往屆設(shè)計(jì)作業(yè)，使得本該沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)答案的設(shè)計(jì)結(jié)果趨于一致，教師難以掌握學(xué)生真實(shí)學(xué)習(xí)情況，并給出客觀公正的成績(jī)。

(4)網(wǎng)絡(luò)課堂缺少師生互動(dòng)，教師無(wú)法及時(shí)捕獲學(xué)生疑惑點(diǎn)，問(wèn)題反饋滯后并形成惡性循環(huán)，教學(xué)效果不佳。(5)缺乏課程思政教育，由于受緊張的學(xué)時(shí)限制，教師耗費(fèi)大量時(shí)間向?qū)W生傳授課程設(shè)計(jì)方法，但往往忽視了職業(yè)道德、從業(yè)規(guī)范及工程倫理等問(wèn)題，未能很好地發(fā)揮社會(huì)主義核心價(jià)值觀的引領(lǐng)作用。

2 改革措施

學(xué)習(xí)是一個(gè)積極主動(dòng)的建構(gòu)過(guò)程，個(gè)性化學(xué)習(xí)與自我教育是提升學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性的關(guān)鍵。針對(duì)上述問(wèn)題，課程創(chuàng)設(shè)時(shí)，擬采用以問(wèn)題為導(dǎo)向的教學(xué)模式(PBL， Problem-based Learning)，并融入全員育人、全程育人、全方位育人的“三全育人”理念[6]，將學(xué)生學(xué)習(xí)方法由傳統(tǒng)的接受式教育轉(zhuǎn)變?yōu)樽灾魈剿魇綄W(xué)習(xí)，在教師傳達(dá)的經(jīng)驗(yàn)和理論基礎(chǔ)上，通過(guò)師生互動(dòng)、生生互動(dòng)，主動(dòng)構(gòu)建屬于學(xué)生自己的新經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)構(gòu)架。因此，教師創(chuàng)造適宜的學(xué)習(xí)情境尤為重要，在線上教學(xué)活動(dòng)中通過(guò)高效的“任務(wù)和問(wèn)題驅(qū)動(dòng)式”教學(xué)，并融入思政元素，可望同時(shí)提升課程的實(shí)效性與思政育人效果?；趫D1所示的設(shè)計(jì)思路，通過(guò)汲取其它高校教師在該課程線上教學(xué)過(guò)程中的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合我校實(shí)際情況，對(duì)本課程進(jìn)行了以下創(chuàng)新實(shí)踐：

圖1 課程創(chuàng)設(shè)思路Fig.1 Ideas ofcourse design

2.1 采用引導(dǎo)式的教學(xué)方式

首先，教師在備課時(shí)提前了解學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)掌握情況，精心準(zhǔn)備工程素材，例如可通過(guò)演示工程設(shè)計(jì)案例、化工設(shè)計(jì)大賽作品、生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)圖片、視頻、動(dòng)畫等，加深學(xué)生對(duì)工程問(wèn)題的理解和認(rèn)識(shí)，使課堂教學(xué)生動(dòng)形象，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。接下來(lái)，圍繞授課各專業(yè)工程背景，依托創(chuàng)設(shè)與工程實(shí)際聯(lián)系緊密的設(shè)計(jì)情境，盡可能采用學(xué)生認(rèn)知實(shí)習(xí)中已接觸的化工單元操作為實(shí)例，并根據(jù)大部分學(xué)生實(shí)際掌握的理論知識(shí)水平和工程能力對(duì)設(shè)計(jì)情境進(jìn)行簡(jiǎn)化。最后，以理論為基礎(chǔ)，以任務(wù)為目標(biāo)，仿照設(shè)計(jì)院的工作模式，設(shè)立“項(xiàng)目組”，引導(dǎo)組內(nèi)學(xué)生明確個(gè)人職責(zé)，以團(tuán)隊(duì)力量完成設(shè)計(jì)任務(wù)。這種PBL教學(xué)方法：以學(xué)生為主體，以設(shè)計(jì)任務(wù)為導(dǎo)向，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)參與到教學(xué)活動(dòng)中，由學(xué)生得出自己的結(jié)論，可大幅度提升學(xué)生的參與感和學(xué)習(xí)興趣[7]。同時(shí)組織學(xué)生在課堂中進(jìn)行討論，形成良好的師生互動(dòng)氛圍。雖然分組訓(xùn)練表面上減少了學(xué)生個(gè)人承擔(dān)的任務(wù)量，但團(tuán)隊(duì)協(xié)作可以增強(qiáng)學(xué)生對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程的整體認(rèn)知，在交流互動(dòng)中，學(xué)生的工程實(shí)踐、溝通協(xié)調(diào)、綜合運(yùn)用等各方面能力均可得到有效鍛煉。

2.2 靈活運(yùn)用線上教學(xué)的高效性

線上教學(xué)時(shí)，資料分享、素材切換與設(shè)計(jì)技能演示更便捷，可以讓抽象內(nèi)容具體化，尤其是專業(yè)軟件實(shí)操方面，如Auto CAD制圖、Excel實(shí)現(xiàn)非線性方程求解、算表編制、公式編輯器使用等，學(xué)生可以通過(guò)重復(fù)觀看課程回看或視頻教程等方式，熟練掌握軟件使用技巧，大幅壓縮授課時(shí)間，節(jié)省出更多的課時(shí)用于學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)踐。在授課內(nèi)容安排方面，結(jié)合案例分析重點(diǎn)闡述設(shè)計(jì)邏輯和規(guī)范，梳理各步驟涉及的知識(shí)構(gòu)架及其相互聯(lián)系，淡化計(jì)算過(guò)程的推演和詳解，弱化對(duì)慣用設(shè)計(jì)方法的主觀認(rèn)識(shí)，鼓勵(lì)學(xué)生自主思考與創(chuàng)新。在課堂互動(dòng)方面，教師可以從留言板或分組討論群中了解學(xué)生疑惑，對(duì)問(wèn)題實(shí)行分類別討論。教師備課時(shí)要充分考慮學(xué)生現(xiàn)有的知識(shí)儲(chǔ)備和潛在的授課難點(diǎn)，提前為學(xué)生制定預(yù)習(xí)方案，分享相關(guān)教程資料，并設(shè)立加分項(xiàng)以鼓勵(lì)“師-生”、“生-生”互動(dòng)。

2.3 添加隨機(jī)元素提升差異性

設(shè)計(jì)任務(wù)選題時(shí)，可針對(duì)同一種單元操作指定不同的工藝參數(shù)用于分組練習(xí)，在合理的參數(shù)范圍內(nèi)通過(guò)隨機(jī)組合，理論上將產(chǎn)生完全不同的設(shè)計(jì)結(jié)果，可以有效降低設(shè)計(jì)作品的相似度。這種選題方法另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于主要設(shè)計(jì)步驟大體一致，潛在問(wèn)題集中且可控，課堂互動(dòng)及答疑解惑更易進(jìn)行。在分組方面，由于學(xué)生的層次參差不齊，常見(jiàn)的自由組合形式容易出現(xiàn)強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合、散兵游勇的分組情況，部分學(xué)生得不到有效訓(xùn)練，或者出現(xiàn)一人肩負(fù)全組重任的不當(dāng)現(xiàn)象。為了提升學(xué)生參與度，遏制部分同學(xué)“渾水摸魚(yú)”的想法，采用隨機(jī)分組的方式產(chǎn)生若干個(gè)“項(xiàng)目組”，在一定程度上體現(xiàn)出分組公平性，激發(fā)全員參與課程設(shè)計(jì)的積極性。

2.4 多元化的成績(jī)?cè)u(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

為了避免“大鍋飯”式的學(xué)生成績(jī)?cè)u(píng)定，在課程考查方面，加大教學(xué)過(guò)程中的考核。平時(shí)成績(jī)占比50%，課程設(shè)計(jì)作品成績(jī)占比50%。其中，平時(shí)成績(jī)積分類別包括：個(gè)人考勤(30%)、師生互動(dòng)(20%)、組內(nèi)互動(dòng)(30%)及樂(lè)于助人(20%)。個(gè)人考勤中還包含組員全勤的基礎(chǔ)成績(jī)部分，達(dá)到學(xué)生相互監(jiān)督的目的，提高出勤率。值得注意的是，設(shè)定樂(lè)于助人項(xiàng)主要是為了增進(jìn)組與組之間的交流互助，可以通過(guò)軟件安裝指導(dǎo)、經(jīng)驗(yàn)分享等形式體現(xiàn)。課程設(shè)計(jì)成績(jī)以分組完成的最終設(shè)計(jì)作品成績(jī)?yōu)閰⒖?，個(gè)人成績(jī)則是在此基礎(chǔ)上根據(jù)實(shí)際表現(xiàn)體現(xiàn)差異。具體可借鑒設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)人員角色劃分方法：項(xiàng)目組由一名推選組長(zhǎng)(類似項(xiàng)目經(jīng)理)及各組員組成，組長(zhǎng)需要根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)要求及組員特長(zhǎng)進(jìn)行任務(wù)分解和分工，掌握總體進(jìn)度，并負(fù)責(zé)任務(wù)協(xié)調(diào)，設(shè)計(jì)文件嚴(yán)格按照“編校審”的質(zhì)量管理模式進(jìn)行編制。因此，學(xué)生的設(shè)計(jì)作業(yè)成績(jī)與其承擔(dān)的角色及角色任務(wù)的完成情況直接相關(guān)，這種績(jī)效考核方法對(duì)認(rèn)真完成設(shè)計(jì)任務(wù)的學(xué)生而言無(wú)疑更公平，同時(shí)也加強(qiáng)了組員責(zé)任心與集體榮譽(yù)感。最終設(shè)計(jì)文件評(píng)分細(xì)則中加大創(chuàng)新元素占比，鼓勵(lì)采用新方法(如Aspen Plus計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)驗(yàn)證)、新標(biāo)準(zhǔn)、新技術(shù)等[3]，另外圍繞安全、環(huán)保、可持續(xù)的設(shè)計(jì)理念、文獻(xiàn)資料規(guī)范引用以及文檔質(zhì)量等方面進(jìn)行分值評(píng)定，嚴(yán)格懲治抄襲、剽竊等行為。通過(guò)建立多元化、多角度、多點(diǎn)位的評(píng)分體系，以期得到該課程客觀有效的成績(jī)?cè)u(píng)定。

2.5 增強(qiáng)課程思政教育

充分發(fā)揮課程育人的作用，貫徹落實(shí)高校新工科建設(shè)立德樹(shù)人的根本任務(wù)[8]，在教學(xué)過(guò)程中巧妙融入課程思政元素，增強(qiáng)民族復(fù)興的偉大理想和社會(huì)責(zé)任感，為學(xué)生解讀政策法規(guī)，宣揚(yáng)職業(yè)道德，開(kāi)展愛(ài)崗敬業(yè)教育，強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)安全與責(zé)任。結(jié)合實(shí)際案例明確設(shè)計(jì)活動(dòng)中的個(gè)人表現(xiàn)與在社會(huì)發(fā)展的內(nèi)在聯(lián)系，引導(dǎo)學(xué)生樹(shù)立正確的世界觀、人生觀、價(jià)值觀，培養(yǎng)學(xué)生的工程認(rèn)知和良好的設(shè)計(jì)習(xí)慣[6]。例如，可以通過(guò)分析由于設(shè)計(jì)失誤而引發(fā)的化工安全事故案例，提高學(xué)生對(duì)工藝設(shè)計(jì)重要性的認(rèn)知，強(qiáng)化安全意識(shí)和社會(huì)責(zé)任感。亦可通過(guò)優(yōu)秀的設(shè)計(jì)案例，剖析經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)價(jià)值的辯證統(tǒng)一，啟發(fā)學(xué)生對(duì)職業(yè)道德及工程倫理的思考，激發(fā)學(xué)生提高自我價(jià)值的方法和熱情。

3 教學(xué)初效

經(jīng)過(guò)兩年來(lái)的實(shí)踐探索，我?；ぴ碚n程設(shè)計(jì)線上教學(xué)收效明顯，學(xué)生基本掌握查閱文獻(xiàn)手冊(cè)、搜集數(shù)據(jù)、選用公式的能力，能夠綜合分析設(shè)計(jì)任務(wù)要求，確定化工工藝流程，準(zhǔn)確而迅速地進(jìn)行過(guò)程計(jì)算及主要設(shè)備的工藝設(shè)計(jì)計(jì)算、校核，學(xué)會(huì)運(yùn)用專業(yè)制圖軟件繪制工藝流程圖及主體設(shè)備設(shè)計(jì)條件圖，編制格式規(guī)范的設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)，師生間保持良好的互動(dòng)，學(xué)生集體凝聚力增強(qiáng)。經(jīng)超星學(xué)習(xí)通統(tǒng)計(jì)分析，參課學(xué)生累計(jì)160余人，并按6～8人/組的人員配置完成典型的換熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)，共計(jì)收到20余份設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)(含設(shè)計(jì)圖冊(cè))，未發(fā)現(xiàn)明顯重復(fù)之處，課程正常教學(xué)班級(jí)的考核成績(jī)呈正態(tài)分布。考核覆蓋了化工原理課程的部分理論知識(shí)點(diǎn)，具體涉及：傳動(dòng)和傳熱兩個(gè)傳遞基礎(chǔ)理論以及相關(guān)理論計(jì)算?；竞w了工程設(shè)計(jì)理論規(guī)范、工藝設(shè)計(jì)計(jì)算、設(shè)備選型、工程制圖、編制設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)等內(nèi)容，與本門課程教學(xué)大綱保持一致。從考核結(jié)果分析，本門課程的教學(xué)過(guò)程總體上達(dá)成培養(yǎng)學(xué)生掌握理論知識(shí)應(yīng)用能力的教學(xué)效果，提高了學(xué)生發(fā)現(xiàn)并解決工程問(wèn)題的能力，同時(shí)也鍛煉了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)溝通、協(xié)作能力。

4 教學(xué)反思

化工原理課程設(shè)計(jì)與工程實(shí)踐結(jié)合緊密，教學(xué)過(guò)程中要注重多引用化工實(shí)例進(jìn)行演示分析，加深學(xué)生對(duì)實(shí)際應(yīng)用理論知識(shí)過(guò)程的認(rèn)識(shí)?？紤]到本課程知識(shí)點(diǎn)頗多，授課過(guò)程中宜適量增加隨堂練習(xí)，讓學(xué)生通過(guò)多動(dòng)手的方式去提升相應(yīng)技能。目前，我校線上教學(xué)體系完善，教學(xué)平臺(tái)及相關(guān)資料建設(shè)均已完成。今后的教學(xué)過(guò)程中，應(yīng)注重線上線下互動(dòng)，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和課堂參與度。在師資方面，本課程對(duì)授課教師的實(shí)踐能力要求較高，需要大量的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)作支撐。當(dāng)下，大部分青年教師來(lái)自高校應(yīng)屆畢業(yè)生，缺乏工業(yè)生產(chǎn)和工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)工藝流程、設(shè)備結(jié)構(gòu)、廠區(qū)及車間布置的認(rèn)知還停留在書(shū)本層面上，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)不足，對(duì)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、法規(guī)不了解。因此，青年教師仍需要經(jīng)驗(yàn)豐富老教師的指導(dǎo)，有必要開(kāi)展多種形式的教學(xué)研討和教學(xué)經(jīng)驗(yàn)分享，打造高效課堂，也鼓勵(lì)新進(jìn)教師帶領(lǐng)學(xué)生深入企業(yè)開(kāi)展認(rèn)知實(shí)習(xí)，促成校企合作，提升教師工程實(shí)踐能力。另外，也可通過(guò)邀請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)院資深工程師采用線上講堂的方式，為學(xué)校師生傳授設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，不斷提升教師隊(duì)伍的教學(xué)水平。

5 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)我校以應(yīng)用型為主導(dǎo)培養(yǎng)模式的近化工類工程專業(yè)本科生，開(kāi)展線上教學(xué)方法優(yōu)化創(chuàng)新，采用PBL教學(xué)模式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的灌輸式教學(xué)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，靈活運(yùn)用線上教學(xué)的高效性，加強(qiáng)了教學(xué)互動(dòng)，在既定的時(shí)間內(nèi)合理、有序地完成教學(xué)任務(wù)，通過(guò)向教學(xué)安排中添加隨機(jī)元素，提升設(shè)計(jì)任務(wù)的差異性，并結(jié)合多元化的成績(jī)?cè)u(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，提高了學(xué)生參與度、責(zé)任心與集體榮譽(yù)感，在教學(xué)活動(dòng)中穿插思政教育，引導(dǎo)并樹(shù)立學(xué)生正確三觀，通過(guò)優(yōu)化整合，提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。線上教學(xué)改革兩年以來(lái)，學(xué)生的課程設(shè)計(jì)情況反饋良好，形成了應(yīng)用型大學(xué)特色鮮明的教學(xué)模式?？紤]到本課程理論與經(jīng)驗(yàn)性較強(qiáng)，目前國(guó)內(nèi)化工原理課程設(shè)計(jì)線上教學(xué)還需要在長(zhǎng)期的教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，改進(jìn)教學(xué)方法，創(chuàng)新教學(xué)模式。今后將加強(qiáng)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師能力水平建設(shè)，以學(xué)生為中心，以培養(yǎng)目標(biāo)為導(dǎo)向，從工程設(shè)計(jì)案例分析、教學(xué)手段、考評(píng)量化機(jī)制等方面作持續(xù)優(yōu)化改進(jìn)，以培養(yǎng)兼具創(chuàng)新與應(yīng)用能力的高素質(zhì)應(yīng)用型人才。