新工科背景下基于超星學習通的《化工原理》教學實踐研究

劉 志， 魯福身

(汕頭大學 理學院化學系，廣東 汕頭 515063)

自2017年教育部“復旦共識”“天大行動”“北京指南”系列會議確定積極推進新工科建設(shè)以來，高等教育工程類課程改革已成為高校能否更好培養(yǎng)新型工科人才，助力國家產(chǎn)業(yè)變革、轉(zhuǎn)換、升級，服務國家創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展重大戰(zhàn)略的重中之重[1-3].汕頭大學于2017年3月就成為教育部新工科研究與實踐項目地方組的牽頭高校之一.近年來,學校始終發(fā)揮教育部、廣東省、李嘉誠基金會三方共建的辦學優(yōu)勢，利用信息技術(shù)與教學深度融合，積極探索和發(fā)展各類線上、線下教學模式，不斷使教師講授、學生被動接受的傳統(tǒng)教學模式與微課、翻轉(zhuǎn)課堂、手機APP學習平臺、大型開放式網(wǎng)絡課程平臺等新興信息技術(shù)支持的教學手段相融合，彌補學校教學師資力量不足，激發(fā)學生學習興趣，多學科交叉提高學生學習效率，進一步增強學生主動學習和探索能力.

本文結(jié)合汕頭大學新工科背景下課程建設(shè)的要求，以應用化學專業(yè)《化工原理》課程教學為例，以培養(yǎng)目標為導向，不斷完善基于超星學習通線上學習平臺的混合式教學模式，對《化工原理》課程進行教學改革實踐探索.通過創(chuàng)建項目制的實驗課題，探索新型教學模式，更好地為國家培養(yǎng)創(chuàng)新型化工類人才.

1 《化工原理》課程教學現(xiàn)狀

《化學工程技術(shù)與原理》(簡稱《化工原理》)是化工、制藥、生物、環(huán)境、能源等工科專業(yè)的一門必修基礎(chǔ)課，承擔著培養(yǎng)化工類專業(yè)工程科學與工程技術(shù)創(chuàng)新人才的雙重教育任務，具有十分重要地位和作用.不同于傳統(tǒng)四大化學專業(yè)課，該課程并不包含化學學科學習內(nèi)容，而是綜合運用高等數(shù)學、物理化學、計算機技術(shù)等基礎(chǔ)知識，分析和解決化工生產(chǎn)過程中各種物理操作中的基本問題，是學生今后走上化工工程技術(shù)領(lǐng)域崗位后廣泛應用的技術(shù)基礎(chǔ)課[4-5].目前，該課程實施過程中主要問題可歸納如下：(1)課程內(nèi)容多，各章節(jié)之間關(guān)聯(lián)度不高，延續(xù)性不強.內(nèi)容以“三傳”理論為基礎(chǔ)，多以解決工程實踐問題為研究目標，知識點繁、細、雜.課程由十余個紛雜眾多的基本物理單元操作有機組合而成，只有對各種不同的化工生產(chǎn)中的單元操作逐一進行研究，闡述各單元操作的基本原理、過程計算及典型設(shè)備才能揭示其共性的本質(zhì)、原理和規(guī)律.因此，該課程與工程實踐聯(lián)系極為廣泛，研究對象復雜，基本概念、基本定理和公式繁多，計算范圍涉及面廣，需用到眾多工程計算標準和單位，與學生學習過的常規(guī)數(shù)、理、化各相關(guān)課程計算過程有很大不同.(2)課時少任務重.根據(jù)后續(xù)專業(yè)學習具體內(nèi)容和方向以及未來考研的需求，汕頭大學應用化學專業(yè)的學生至少要學會《化工原理》中遵循流體動力學、熱量傳遞、質(zhì)量傳遞三個基本規(guī)律的單元操作，包含流體輸送及機械、沉降、過濾、傳熱、蒸餾、萃取等多個分支.但按照教學計劃上述內(nèi)容要求全部壓縮在64學時以內(nèi).學生課堂學習時間短、學習內(nèi)容多，課后自學、復習具有很大難度，教師也無法全面介紹知識點背后的理論體系.(3)授課對象工程知識薄弱.授課對象學習長期限于書本范圍內(nèi)，授課前無任何校內(nèi)實驗和校外實習實踐積累，缺乏所學知識點理論與實踐結(jié)合的鍛煉，結(jié)構(gòu)和工程計算體系認知匱乏.很多學生在大一、大二的《高等數(shù)學》《物理化學》學習存在掛科情況，操作單元計算和公式推導必須使用的微積分、動力學、熱力學基礎(chǔ)知識很多學生掌握不好，甚至遺忘.(4)被動學習.通過調(diào)研并結(jié)合多年教學實際發(fā)現(xiàn)，由于授課內(nèi)容多課時量少，授課教師疲于追趕教學進度，授課速度快，學生學習基本處于被動填壓的方式，幾乎無任何主動學習意識，造成學生被動，學習效果不好.

2 教學模式改革實踐

分別對線下課程和線上課程進行設(shè)計，如圖 1 所示.對課程內(nèi)容進行梳理，較為簡單易懂的內(nèi)容，如：流體靜力學方程、連續(xù)性方程、流體流動系統(tǒng)機械能衡算；離心泵的操作原理、基本構(gòu)造、性能和基本操作方法；傳導傳熱和計算；兩組分連續(xù)精餾的計算和應用等知識點采取線下教學，完成課后作業(yè)、隨堂測試等模式.對相對難理解和掌握的內(nèi)容，如：管路計算、離心泵的氣縛和氣蝕、過濾架橋現(xiàn)象、對流傳熱過程、閃蒸、精餾進料熱狀況等知識點采取線上主、線下輔的混合式教學.使用超星學習通APP在線上構(gòu)建多種功能模塊，包括：基本概念、重點難點、虛擬仿真、在線測試等，通過線上學習→測試→獎勵平時成績，線下答疑的方式激發(fā)學生自主克服學習困難、探究難點、解決問題的能力.最后引入具體工程生產(chǎn)實踐模型，結(jié)合所學知識點引導學生進一步深化對相關(guān)內(nèi)容的理解.

圖1 化工原理教學體系Fig.1 Teaching system of Chemical Engineering Principle

2.1 課程教學設(shè)計思路

為提高課堂學習效率，授課教師在課前備課后將線上預授課程提前錄制成小視頻，結(jié)合生產(chǎn)生活實踐操作突出本章節(jié)內(nèi)容的重點難點部分.例如：在第二章流體輸送機械離心泵，教師通過播放離心泵構(gòu)造拆解動畫，結(jié)合工程應用清晰地給學生展示了離心泵的正確安裝和使用步驟，通過動畫了解離心泵安裝和使用過程中的氣蝕和氣縛現(xiàn)象產(chǎn)生的過程，新穎的內(nèi)容展示方式吸引學生聽課注意力，抓住學習重點，課上能全神貫注聽教師講解.

2.2 課堂設(shè)計

超星學習通是一款多功能的線上教學、學習平臺，可在手機端、平板電腦端進行操作，方便學生隨時查看.在教學過程中教師利用超星學習通的課堂實施流程如圖2所示.在授課過程中，依托學習通平臺將信息技術(shù)手段融入教學設(shè)計，豐富線上授課、自學內(nèi)容，構(gòu)建集章節(jié)內(nèi)容、教學資源、作業(yè)和小測試、討論區(qū)等模塊，形成完整的教師教學、學生自學、師生互動、在線答疑課程結(jié)構(gòu).通過上傳PPT課件、視頻動畫模擬與實際生產(chǎn)實踐過程展示、音頻課件以及精品課程等學習內(nèi)容，為學生提供個性化、多樣化的學習資源.通過學生的出勤率、難點重點內(nèi)容學習情況、完成作業(yè)情況、參與討論情況、小測試等各方面來進行教學過程的綜合評價.具體評價方案如表1所示.

圖2 基于超星學習通的課堂實施流程Fig.2 Classroom scheme based on super star learning system

表1 學習通線上學習評價方案Table 1 Online teaching module and proportion of super star learning system

2.3 教學實施過程

課前線上：教師通過超星學習通布置課程預習任務.主要包括：(1)學生閱讀與課程相關(guān)的學習輔助資料，了解學習重點及難點；(2)思考并回答預設(shè)的相關(guān)問題等.通過查看學生簽到及回答問題反饋，教師掌握學生自主學習的落實情況及有效性.例如第四章對流傳熱機理，教師通過上傳自拍透明熱水壺燒水視頻，清晰地給學生展示了冷水是如何通過熱傳導和熱對流的方式加熱至沸騰狀.在這一過程中,學生可以非常直觀地觀察到冷水在逐漸加熱過程中因水層溫度差而產(chǎn)生內(nèi)部密度差引起熱對流的全過程.吸引學生眼球，通過生動、真實的生活實踐畫面，吸引學生聽課注意力，提高學習效率.根據(jù)學生預先學習的基本情況，教師要做好線下課堂教學的充分準備，有利于線下課堂教學的高效實施. 在這一過程中，教師需把重點放在幫助學生掌握和理解單元操作的原理、過程分析和實際工程應用案例上.注重德育教育，融入家國情懷，激發(fā)學生學習熱情，進一步夯實所學課程內(nèi)容的基礎(chǔ).

課中線下：除課堂對重點、難點內(nèi)容精講外，教師還可以結(jié)合課程所學理論與實踐相結(jié)合組織學生對學習分容進行分組討論、匯報，教師依據(jù)學生的匯報情況進行總結(jié)補充.學生通過提前線上在超星學習通對重點、難點內(nèi)容預習和自主學習，彌補了單一課堂學習內(nèi)容枯燥、學生被動填壓、照成認知淺薄的學習缺陷，充分調(diào)動和發(fā)揮了學生學習的主體性和自主性，督促學生學習，提升總體學習效果.通過對單元操作及其設(shè)備的設(shè)計、計算、操作、優(yōu)化及過程強化等問題的講解，加深學生綜合利用數(shù)學、物理等基礎(chǔ)知識分析和解決問題的能力.繼續(xù)挖掘課程德育元素，如：意志品格、耐挫能力、職業(yè)素養(yǎng)、厚植工程倫理等.

課后線上：課后學習任務的布置依舊借助超星學習通開展.要求學生以小組為單位合作完成作業(yè)，測試和主題討論等.超星學習通的利用不僅幫助教師檢驗教學效果，考察學生對所學知識的掌握情況，盡可能發(fā)揮教師的主導性和學生的主體性；也為教師與學生之間以及學生與學生之間的互動交流搭建了有效的平臺，拓寬了課堂交流的局限性.通過這些學習活動，學生在獲取知識的同時可充分領(lǐng)悟《化工原理》課程的科學思維和研究方法，在提高了學習工程問題的歸納、演繹、推理等能力的同時也掌握了解決工程問題的數(shù)學模型法、分解與綜合法、量綱分析法等科學研究方法.最后形成課程總體教學效果評價，為下屆學生學習提供依據(jù)和參考.相關(guān)數(shù)據(jù)、結(jié)果經(jīng)多屆學生學習累計后可作為《化工原理》教學數(shù)據(jù)統(tǒng)計、教案的修改和完善依據(jù).

3 教學實踐案例——以精餾進料熱狀況為例

下面以精餾進料熱狀況教學內(nèi)容為例來詳細描述超星學習通平臺的混合式教學模式.精餾是蒸餾這一章中最重要的一節(jié)，更是化工企業(yè)生產(chǎn)必不可少的基礎(chǔ)操作單元.精餾進料熱狀況對接實際生產(chǎn)操作，通過改變進料在進料板上、下各流股的熱狀況，直接影響精餾操作的效果和生產(chǎn)成本.進料熱狀況的多樣性和影響課本只以簡單抽象的線圖來說明，學生不易理解，2個課時課堂抽象講解完成預定教學目標的難度較大，因此將學習內(nèi)容提前在學習通發(fā)布給學生提前預習、自學，便于教師提高課堂授課效率.具體教學過程如表2所示.

表2 精餾進料熱狀況超星學習通混合式教學設(shè)計Table 2 Mixed teaching design of thermal condition of the distilled feed assisted with super learning system

4 結(jié) 語

基于超星學習通的《化工原理》教學研究經(jīng)過2年的實踐，取得了較好的教學效果，表現(xiàn)在：(1)學生的學習積極性得到顯著提高，從以前的“被動學習”逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)在的“主動探索式學習”，總體成績穩(wěn)步提高，例如：2018級某同學在2022年碩士研究生入學考試中《化工原理》考取了132分(滿分150分)，成功被浙江大學化工專業(yè)錄取. (2)增強了學生學習團隊協(xié)作能力，團隊內(nèi)互相學習，團隊間學習互相促進和督促，同時進一步提高了學生參與《化工原理》實驗課程的積極性.(3)有效地彌補了由于師資力量不足、專業(yè)教師數(shù)量有限、講授課程內(nèi)容多課時少使得一部分教學內(nèi)容無法全面講授的缺陷，為后續(xù)學校應用化學專業(yè)學生培養(yǎng)數(shù)量的穩(wěn)步增長打下良好基礎(chǔ).