以學生為中心的化工原理實驗課程改革實踐

武莉婭 楊宗政 賈原媛 郝慶蘭

(天津科技大學化工與材料學院，天津 300457)

《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010—2020年)》指出，高等教育的“重點是面向全體學生、促進學生全面發(fā)展，著力提高學生服務(wù)國家服務(wù)人民的社會責任感、勇于探索的創(chuàng)新精神和善于解決問題的實踐能力”[1]?；ぴ韺嶒炞鳛榛ぴ硐盗姓n程中一門重要的實踐必修課程，是加深理論知識、培養(yǎng)學生實際動手能力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，具有典型的工程實踐性和創(chuàng)新性[2-4]。在化工原理實驗課程的教學中，充分發(fā)揮學生的主觀能動性，通過設(shè)計實驗思路、運用實驗手段、分析和解決問題的過程，培養(yǎng)學生的實驗技能，提高實踐創(chuàng)新和解決實際工程問題的能力。2020年10月，中共中央、國務(wù)院印發(fā)《深化新時代教育評價改革總體方案》，強調(diào)改革學校評價，推進落實立德樹人根本任務(wù)[5]。實驗課程的教學評價是學校評價的重要組成部分，對促進學生全面發(fā)展和教師專業(yè)發(fā)展以及提高學校教育質(zhì)量有著重要影響。做好化工原理實驗課程的評價，對促進學生能力培養(yǎng)及開展以學生為中心的實驗教學至關(guān)重要。優(yōu)化實驗考核方法，完善實驗教學評價指標，是推動實驗課堂革命的必然要求。

一、本科化工原理實驗教學現(xiàn)狀及存在問題

1.以“教”的范式為主，教學目標相對單一

原有的化工原理實驗課程以“教師講解+學生操作+結(jié)果分析”的驗證性實驗為主，學生單純地模擬和驗證實驗結(jié)果。傳授式教學沒有體現(xiàn)以學生為中心，實驗內(nèi)容簡單，教學目標單一，只起到幫助學生鞏固所學理論知識的作用。這種教學方式不能充分激發(fā)學生在實驗環(huán)節(jié)自主學習的興趣和獨立思考的思維習慣，不利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力、解決問題的能力及綜合素養(yǎng)，不能引導學生全面發(fā)展。

2.以結(jié)果性考核為主，過程考核比例偏低

原有的化工原理實驗課程采用的“預習報告+實驗操作+實驗報告”的實驗項目考核形式，目標明確且操作簡單，以結(jié)果性考核為主。在整個實驗過程中，學生學習主動性差，嚴重依賴老師、同伴和教材?？己朔绞阶⒅匦〗M考核，將學生知識、能力及素養(yǎng)方面的考核混為一談，明顯不能滿足對個體過程考核、多點能力考核和區(qū)分度考核的要求，不能全面有效評價學習效果。

二、化工原理實驗教學改革

本研究以化學工程與工藝專業(yè)的化工原理實驗教學為例，以教學目標為導向，通過突出能力培養(yǎng)、融入信息技術(shù)、強化過程考核三位一體的實驗教學改革，真正實現(xiàn)“以學生為中心”的實驗教學。改革后的化工原理實驗教學模型如圖1所示。課程目標1對應(yīng)知識目標，課程上標2和3對應(yīng)能力目標，課程目標4對應(yīng)素養(yǎng)目標。根據(jù)布魯姆教學分類法，對教學目標進行分層。以目標為導向，設(shè)計實驗過程，細化實驗考核要素，量化課程評價，反映目標達成情況，持續(xù)改進優(yōu)化實驗教學。實驗中開放式組織實驗教學，合理運用“雨課堂”軟件與虛擬仿真平臺，形成多課堂協(xié)同完成教學任務(wù)的實驗教學方法，培養(yǎng)與提高學生的科學實驗素質(zhì)和創(chuàng)新能力。通過引導學生在實驗前、實驗中、實驗后自覺參與學習，培養(yǎng)學生自主學習和主動學習的能力，幫助學生養(yǎng)成“會學-會用-創(chuàng)造-再學習”的終身學習習慣，促進學生實現(xiàn)知識、能力、素養(yǎng)的提升，培養(yǎng)學生解決復雜問題的綜合能力和高級思維模式。

圖1 以學生為中心的化工原理實驗教學模型

1.根據(jù)課程認領(lǐng)的工程認證畢業(yè)要求觀測點制定課程教學目標

首先應(yīng)該在教學目標上進行改革。分知識、能力和素養(yǎng)3個培養(yǎng)層次制定教學目標，合理細分應(yīng)用、分析、創(chuàng)建、協(xié)調(diào)等實驗教學素質(zhì)培養(yǎng)要素，便于考核學生能力的達成程度。通過學習本課程，學生能達到3個層次的教學目標。課程目標對應(yīng)不同支撐強度的畢業(yè)要求觀測點，以幫助學生達到畢業(yè)要求。

2.突出學生主體地位，有效支撐課程目標達成

實踐內(nèi)容決定學生在實驗中的參與度和學習效果，因此教師要精心設(shè)計化工原理實驗內(nèi)容，激發(fā)學生的學習主動性，讓學生感受到課程的重要性，獲得認同感。

(1)增加綜合性與應(yīng)用型項目，培養(yǎng)學生解決問題的能力

根據(jù)“一流課程”要求進行“分階段、分層次、模塊化”的化工原理實驗教學改革。執(zhí)行中遵循由淺入深、由簡單到綜合的順序，建立由基礎(chǔ)性實驗、開放性實驗、綜合性實驗、創(chuàng)新性實驗構(gòu)成的實驗教學體系。只有綜合性及創(chuàng)新性實驗才能真正調(diào)動學生積極思考[6]。優(yōu)化實驗教學，培養(yǎng)學生的團隊合作和工程創(chuàng)新能力，滿足社會和行業(yè)對各類人才的需求。改革后，增加了綜合性與應(yīng)用型項目，拓展了化工原理實驗的深度、難度和廣度，更加注重培養(yǎng)學生的工程實踐能力及創(chuàng)新科研能力。

如在大三上學期開展的吸收綜合實驗中，深度調(diào)研吸收單元操作在石油工業(yè)、化學工業(yè)和環(huán)境治理行業(yè)的重要作用，緊密結(jié)合新工科建設(shè)要求及天津科技大學化學工程與工藝專業(yè)工程認證的需求，挖掘設(shè)置不同層次的實驗內(nèi)容。從學生的成長需求和發(fā)展出發(fā)，采用從易到難、從簡到繁、多方位拓展的遞進式教學方法，構(gòu)建分層次分模塊教學實驗體系。具體安排見表1。

表1 吸收綜合實驗內(nèi)容安排

以具體實際工程中突發(fā)情況的課程設(shè)計激發(fā)學生興趣，增加學生的知識獲得感，通過分析問題和解決問題，提高學生的工程實踐能力，促進教學目標達成。在今后的實驗課教學開展中，要不斷將先進科研成果用于項目的后續(xù)開發(fā)和更新，持續(xù)改進，獲得更好的實驗效果。

(2)內(nèi)外課堂結(jié)合，多課堂協(xié)同組織開展實驗教學

移動互聯(lián)時代，教育領(lǐng)域信息技術(shù)的大量運用使教育教學環(huán)境變化巨大[7-8]。新時期出現(xiàn)新學情，學生的學習習慣、學習態(tài)度及學習方式出現(xiàn)新特點，趨于知識獲取碎片化、價值取向多元化及信息來源豐富化等發(fā)展方向。為了提高學生學習主動性和創(chuàng)造性，改進實驗教學手段與方法迫在眉睫[9]。以“一流課程”建設(shè)為突破口，推動教學走出課堂、超越知識、突破時空，這就需要強化課前、課中和課后部分的有機銜接與融合。通過打造信息技術(shù)與智能終端等組成的智慧型教育環(huán)境，整合實驗室、網(wǎng)絡(luò)、虛擬平臺等學習資源，建立全方位立體教育系統(tǒng)[10-11]，把學生的目光和心思真正吸引到課堂學習上來。

實驗操作前，“雨課堂”軟件推送實驗目標及預習要點，讓學生準備預習報告。預習后，學生在虛擬仿真平臺進行仿真實驗，模擬故障處理等特殊情況，通過虛擬仿真操作分析和解決具體問題。實驗課上，小組成員相互協(xié)作共同完成實驗項目，練習基本操作技能，通過具體操作分析和解決復雜工程問題。教師準備化工原理實驗“雨課堂”題庫，題目分“原理”“設(shè)備”和“操作”三大類，題型分選擇題和討論題兩種。每個綜合實驗項目均有15道選擇題。實驗結(jié)束后，教師先在題庫中抽取針對某個實驗項目的選擇題組成試卷，通過“雨課堂”微信小程序發(fā)放試卷，學生答題并提交。然后教師選擇與實驗相關(guān)的工程案例討論題，通過“雨課堂”微信小程序推送問題及相關(guān)資料。

改革后，課程難度加大，需要學生和老師一起探索思考才能完成實驗內(nèi)容。師生課堂互動頻繁，經(jīng)常進行激烈的思維碰撞，學生能批判性地提出問題。整個過程中，教師始終是以導師的身份參與其中，不再只是課堂的講授者，僅起到引導學生學習、組織研討的作用。學生作為學習主體，自主學習能力、組織講解及研討能力均有所加強，自身綜合素質(zhì)明顯提高。實驗教學中，教師需要提前認真?zhèn)湔n，加強知識儲備，擴展視野，挖掘授課知識的廣度和深度，深刻理解把握實驗內(nèi)容，正確指導學生解決具體問題。學生通過操作化工原理實驗裝置，鞏固所學的理論知識，通過課內(nèi)與課外多平臺學習，豐富完善知識體系。通過多課堂協(xié)同培養(yǎng)，體現(xiàn)課程的創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度。

(3)增加過程考核，建立積極有效的實驗考核體系

實驗內(nèi)容整合和教學模式改革需要相應(yīng)的考核體系做支撐。建立積極有效的實驗考核體系，要強化過程考核，注重激發(fā)學生實驗興趣，提倡科學嚴謹?shù)墓ぷ鲬B(tài)度，將動手能力、綜合分析能力及創(chuàng)新能力作為主要考核內(nèi)容。實驗改革的評價體系應(yīng)該能客觀評價學生的實驗過程和效果，需要根據(jù)實驗的內(nèi)容，在總成績構(gòu)成中給出相關(guān)的權(quán)重，具體指標如圖1所示。

課程考核辦法針對課程目標進行設(shè)計，考核內(nèi)容與課程目標的能力要求相對應(yīng)，課程考核分為預習報告(10%)、虛擬仿真實驗(10%)、雨課堂測試(10%)和實驗操作(10%)和實驗報告(60%)5部分進行。其中預習報告支撐課程目標1的達成，虛擬仿真實驗支撐課程目標2的達成，實驗知識測試和實驗報告支撐課程目標3的達成，實驗操作支撐課程目標4的達成?；ぴ韺嶒炚n程目標達成的期望值設(shè)定為0.7。

綜合學生的預習報告、實驗操作前教師批改及小組內(nèi)學生互評給出的預習報告成績。虛擬仿真平臺后臺記錄學生操作設(shè)備情況，實時記錄成績。實驗中，教師根據(jù)學生實驗情況，針對性提出問題，學生通過具體實驗操作解決問題，教師根據(jù)學生操作過程的準確性及合理性給出操作成績。通過“雨課堂”小程序發(fā)放選擇題試卷，軟件根據(jù)標準答案在后臺統(tǒng)計學生的答題情況。實驗后，學生將數(shù)據(jù)處理過程、圖、表及開放性問題整理成實驗報告，交給指導教師批閱。教師根據(jù)數(shù)據(jù)處理過程的準確性、完整性及開放性討論題答題思路的合理性，綜合給出實驗報告成績。開放性討論題考核內(nèi)容體現(xiàn)“開放性”，不局限于“唯一”和“標準”答案，注重考查學生獨立思考的能力，培養(yǎng)學生開放性思維。教師對每位同學進行認真考核，從互動的學習過程中了解學生，教學相長，形成良性循環(huán)，促進師生共同進步，提高課程教學質(zhì)量。

考核中應(yīng)用課堂內(nèi)與課堂外相結(jié)合的教學手段，強化過程考核，采用豐富和拓展形成性評價的方法，實現(xiàn)非技術(shù)能力達成度的定量評價和定性評價，跟蹤非技術(shù)能力的達成過程[12]。改革后的實驗考核體系，形成了全周期、全過程、全角度學生考核，強調(diào)考核的過程性和階段性，真正實現(xiàn)對學生知識傳授、能力鍛煉及價值塑造的全方位培養(yǎng)，實實在在落實立德樹人的根本任務(wù)。

(4)落實課程評價，持續(xù)改進，促進教學目標達成

以天津科技大學2020—2021學年第一學期化學工程與工藝專業(yè)180337和180338兩個班級50名學生的化工原理實驗成績?yōu)槔?，進行課程評價。分別對每位同學預習報告、虛擬仿真實驗、實驗操作、“雨課堂”實驗相關(guān)知識測試和實驗報告，按滿分百分制統(tǒng)計成績。根據(jù)每項過程考核權(quán)重，計算每個目標達成度，如圖2所示。實行改革后，兩個班級4個課程目標的達成度均高于設(shè)定值0.7。說明本課程能有效支撐畢業(yè)要求觀測點，進而達到畢業(yè)要求。

圖2 學習效果評價

通過課程評價，教師可直觀把握實驗教學效果，客觀分析學情變化，實現(xiàn)對實驗教學的持續(xù)改進。但目標達成度難以直觀反映每個實驗項目中每部分實驗過程對目標達成的貢獻程度，量化過程考核后可彌補這一不足，這樣有利于教師根據(jù)情況因材施教，督促指導，有針對性地指導學生提升學習效果。以吸收綜合實驗為例，預習報告、虛擬仿真實驗和實驗報告成績散點圖如圖3所示。預習報告中大部分同學完成很好，雖然有個別同學沒有認真完成預習報告，成績偏低，但幾乎所有同學虛擬仿真實驗成績都很高，說明虛擬仿真平臺的使用有效激發(fā)了學生興趣，學生在“闖關(guān)式”實驗與“刷分式”操作中，提高了對實驗裝置的熟悉程度，彌補了前期預習的不足。課程目標1的達成，說明學生能應(yīng)用理論知識安全開展實驗，通過預習結(jié)合虛擬仿真操作能夠完全實現(xiàn)“知識”層次目標。實操實驗中教師增加了工程拓展型和綜合設(shè)計型的內(nèi)容，增加了實驗的難度，在實驗報告中學生成績略有降低，趨于集中。課程目標2和課程目標3的達成，說明虛擬仿真實驗與實際操作結(jié)合才能真正將理論知識靈活應(yīng)用到分析問題和創(chuàng)造性解決問題的實踐中，達到“能力”層次的目標。課程目標4的達成并且學生成績集中，說明協(xié)調(diào)性較好，達到“素養(yǎng)”層次培養(yǎng)目標。

圖3 吸收綜合實驗散點圖

三、結(jié)語

立德樹人是教育教學的根本任務(wù)。具體到化工原理實驗，就要培養(yǎng)學生的化工相關(guān)素養(yǎng)，這是課程育人的價值所在?！肮こ探逃龑I(yè)認證”和“一流課程”建設(shè)，都要求在向?qū)W生傳達知識的同時，以學生為中心，精心設(shè)計實驗，培養(yǎng)學生解決問題的能力。教改實踐中，分層次細化教學目標，豐富教學內(nèi)容；分階段開展教學，引導學生自主學習探索；拓展課堂內(nèi)與課堂外的實驗教學，擴充課堂容量和提高課堂效率；融入非技術(shù)能力的培養(yǎng)，強化過程考核及多點能力考核；量化教學評價，持續(xù)改進促進目標達成。通過閉環(huán)設(shè)計實現(xiàn)系列化的教學改革，助力培養(yǎng)德才兼?zhèn)涞墓こ碳夹g(shù)人才。