新工科背景下化工設(shè)計(jì)信息化教學(xué)改革與實(shí)踐*

趙云鵬，林 喆

(中國礦業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

近年來，為了滿足國家重大戰(zhàn)略和“四個(gè)面向”對高素質(zhì)人才的需求，教育部積極推進(jìn)新工科建設(shè)，先后形成了“復(fù)旦共識”、“天大行動(dòng)”和“北京指南”[1]。新工科注重學(xué)科的交叉性、實(shí)用性和綜合性，培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力、家國情懷、工程實(shí)踐能力和國際競爭力的卓越工程技術(shù)復(fù)合型人才，如何通過教學(xué)改革適應(yīng)新工科人才培養(yǎng)需求，已成為高校教學(xué)研究與改革的重點(diǎn)[2]。新工科內(nèi)涵轉(zhuǎn)化和培養(yǎng)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)過程中，必然要求與之相適應(yīng)的教學(xué)模式進(jìn)行重大改革創(chuàng)新。目前，信息技術(shù)已滲透經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會生活的各個(gè)方面，個(gè)性化學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)已成為信息時(shí)代教育發(fā)展的重要特征。信息技術(shù)和高等教育課程資源共享平臺的飛速發(fā)展，不斷推動(dòng)教學(xué)模式向更加科學(xué)、靈活、高效、信息化和智能化方向發(fā)展?！吨袊逃F(xiàn)代化2035》和《加快推進(jìn)教育現(xiàn)代化實(shí)施方案(2018-2022年)》都強(qiáng)調(diào)了基于信息化教學(xué)模式的重要性和對新工科人才培養(yǎng)的促進(jìn)作用[3-4]。

信息技術(shù)結(jié)合大數(shù)據(jù)分析在教學(xué)中的廣泛應(yīng)用是未來教育的發(fā)展趨勢，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中不再被動(dòng)地接受外部信息和感知世界，老師也不僅僅通過課堂和作業(yè)掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。李玲等[5]利用多元信息化教學(xué)模式，將慕課和線上答題引入到無機(jī)化學(xué)的教學(xué)課程中，并結(jié)合動(dòng)態(tài)慕課和靜態(tài)的微信公眾號上難點(diǎn)解析，發(fā)現(xiàn)信息化的教學(xué)方式不僅激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也提高了教師的教學(xué)能力，增進(jìn)了師生交流，獲得了令人滿意的教學(xué)效果。當(dāng)代大學(xué)生已經(jīng)習(xí)慣于手機(jī)移動(dòng)閱讀和獲取信息，單純的PPT課堂教學(xué)不足以吸引學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也較難幫助學(xué)生養(yǎng)成自主學(xué)習(xí)的習(xí)慣和充分利用碎片化時(shí)間學(xué)習(xí)。信息化教學(xué)強(qiáng)化了學(xué)與教的關(guān)聯(lián)程度，增加了教學(xué)互動(dòng)性和學(xué)習(xí)主動(dòng)性，打破了傳統(tǒng)課堂教學(xué)的時(shí)空限制。尤其是在新冠肺炎疫情爆發(fā)以來，基于信息化的線上線下混合式教學(xué)實(shí)現(xiàn)了“停課不停教、停課不停學(xué)”，保障了正常教學(xué)計(jì)劃和教學(xué)培養(yǎng)目標(biāo)的達(dá)成。

化工設(shè)計(jì)作為化工類專業(yè)本科生的核心課程之一，是一門綜合性較強(qiáng)的交叉性課程，強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生工程能力、創(chuàng)新思維和靈活運(yùn)用化工化學(xué)及相關(guān)學(xué)科知識來解決復(fù)雜工程問題的能力，是化工專業(yè)大學(xué)生通向合格工程師的重要橋梁[6]。信息化教學(xué)能力是教師適應(yīng)信息時(shí)代教育變革的必然要求，是教師職業(yè)發(fā)展和專業(yè)化發(fā)展的必然要求。傳統(tǒng)“以教師為中心”的教學(xué)模式注重知識傳授，對學(xué)生創(chuàng)新思維和能力培養(yǎng)不足，已難以適應(yīng)新工科對人才素質(zhì)和能力的新要求。利用信息化技術(shù)對化工設(shè)計(jì)課程教學(xué)進(jìn)行改革與探索，將基于信息化技術(shù)的教學(xué)模式融入教學(xué)過程各個(gè)環(huán)節(jié)，對培養(yǎng)符合新工科要求的化工類人才至關(guān)重要。近年來，為適應(yīng)新工科建設(shè)和疫情常態(tài)化防控需要，中國礦業(yè)大學(xué)化工學(xué)院將化工設(shè)計(jì)課程作為培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力的重點(diǎn)課程進(jìn)行建設(shè)，大力資助基于信息化的化工設(shè)計(jì)教學(xué)改革和教學(xué)資源建設(shè)。

1 化工設(shè)計(jì)教學(xué)常見問題分析

1.1 課程內(nèi)容枯燥，教師教學(xué)方式單一

化工設(shè)計(jì)課程是通過系統(tǒng)學(xué)習(xí)化工廠設(shè)計(jì)各個(gè)階段流程和規(guī)范，使學(xué)生具備通過現(xiàn)代設(shè)計(jì)工具進(jìn)行工藝流程模擬，確定最佳工藝路線，進(jìn)行設(shè)備設(shè)計(jì)和選型、車間和管道布置的化工廠設(shè)計(jì)能力，教學(xué)內(nèi)容中設(shè)計(jì)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)較多，學(xué)習(xí)過程比較枯燥[7]。知識傳授和知識內(nèi)化是傳統(tǒng)教學(xué)過程的兩個(gè)重要組成部分。化工設(shè)計(jì)教學(xué)過程中，教師往往采用板書或PPT演示的授課方式，僅僅“以教師為中心”完成了知識的單向傳授，師生之間和生生之間缺乏溝通和討論，學(xué)生是否完成知識內(nèi)化很難評價(jià)。由于設(shè)計(jì)規(guī)范、通則等內(nèi)容枯燥和抽象，學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性、積極性和創(chuàng)造性不高，學(xué)習(xí)效率低，不能有效培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力和工程應(yīng)用能力。另外，在工程教育認(rèn)證背景下，化工設(shè)計(jì)課程的學(xué)時(shí)大幅度減少，如何利用有限的課堂教學(xué)切實(shí)培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)能力和工程意識值得深入研究。

1.2 學(xué)生之間缺乏團(tuán)隊(duì)協(xié)作學(xué)習(xí)意識

團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神是工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)和新工科人才培養(yǎng)目標(biāo)的重要方面，化工廠設(shè)計(jì)也需要各個(gè)專業(yè)之間密切配合才能完成。傳統(tǒng)教學(xué)模式以個(gè)體學(xué)習(xí)為主，同學(xué)之間缺乏有效的溝通和協(xié)作，缺少團(tuán)隊(duì)工作的實(shí)際培養(yǎng)和訓(xùn)練，導(dǎo)致團(tuán)隊(duì)意識薄弱，溝通交流和語言表達(dá)能力不足，工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識不強(qiáng)，不能很好達(dá)到工程教育認(rèn)證畢業(yè)要求中對工程與設(shè)計(jì)能力的要求。此外，單個(gè)學(xué)生被動(dòng)接受“填鴨式”教學(xué)導(dǎo)致缺乏自主學(xué)習(xí)能力，依賴性較強(qiáng)。

在前幾年的教學(xué)中，化工設(shè)計(jì)課程嘗試基于團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目設(shè)計(jì)的教學(xué)改革，一定程度上提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，但多數(shù)學(xué)生還存在依懶團(tuán)隊(duì)其他成員，積極主動(dòng)性較差等問題，不能體現(xiàn)工程教育認(rèn)證培養(yǎng)過程全覆蓋的要求。如何從“以教師為中心”的“教”轉(zhuǎn)向“以學(xué)生為中心”的“學(xué)”是化工設(shè)計(jì)教學(xué)面臨的突出問題。

1.3 教師信息化教學(xué)意識薄弱和教學(xué)資源不足

由于我校開設(shè)化工設(shè)計(jì)課程較晚，與其他化工主干課程相比師資力量相對薄弱，教學(xué)過程主要采用“投影儀+PPT”方式。教師對翻轉(zhuǎn)課堂、雨課堂、慕課(MOOC)、微課、虛擬仿真教學(xué)等基于“互聯(lián)網(wǎng)+教育”的信息化教學(xué)模式接受程度還不高，主動(dòng)采用信息化教學(xué)以及進(jìn)行信息化資源獲取與建設(shè)的意識還不強(qiáng)。近年來，學(xué)校在信息化軟硬件教學(xué)資源上已經(jīng)加大投入，但化工設(shè)計(jì)教學(xué)過程中對信息資源的加工和教學(xué)設(shè)計(jì)，本校課程資源庫建設(shè)方面還存在較大差距?；ぴO(shè)計(jì)教學(xué)團(tuán)隊(duì)亟待通過信息化資源整合、建設(shè)和合理利用，針對本?；I(yè)學(xué)生特點(diǎn)和化工設(shè)計(jì)課程培養(yǎng)目標(biāo)開展信息化教學(xué)和資源建設(shè)。

2 化工設(shè)計(jì)信息化教學(xué)模式的構(gòu)建和實(shí)踐

新工科背景下的工程教育是基于產(chǎn)出為導(dǎo)向，以學(xué)生為中心的教育。因此，基于信息化的教學(xué)模式必須是以學(xué)生為中心，以培養(yǎng)學(xué)生能力為重點(diǎn)。將枯燥的設(shè)計(jì)規(guī)范和通則轉(zhuǎn)化為生動(dòng)形象多樣的信息化教學(xué)資源，以多種形式的學(xué)習(xí)活動(dòng)為載體，教師做好教學(xué)設(shè)計(jì)，充分利用線上線下和翻轉(zhuǎn)課堂等教學(xué)過程將結(jié)果性評價(jià)轉(zhuǎn)化為發(fā)展性評價(jià)[8]。近幾年的教學(xué)過程中，化工設(shè)計(jì)教學(xué)團(tuán)隊(duì)利用“愛課程”中國大學(xué)MOOC課程資源共享平臺、錄制微課程、UMU互動(dòng)學(xué)習(xí)平臺和雨課堂+騰訊會議等信息化教學(xué)資源和平臺，初步構(gòu)建了基于信息化的化工設(shè)計(jì)線上線下混合式教學(xué)和翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式。另外，結(jié)合專業(yè)建設(shè)的煤制甲醇全流程實(shí)物仿真實(shí)訓(xùn)平臺，學(xué)生通過仿真實(shí)訓(xùn)平臺進(jìn)行開停車和事故處理操作以及VR環(huán)境體驗(yàn)學(xué)習(xí)，更加形象化化工設(shè)計(jì)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)要求，切實(shí)發(fā)揮實(shí)踐教學(xué)在工程設(shè)計(jì)和創(chuàng)新能力培養(yǎng)中的作用。

2.1 基于信息化的課前自主學(xué)習(xí)教學(xué)模式構(gòu)建與實(shí)踐

課前自主學(xué)習(xí)是培養(yǎng)學(xué)生建立“以問題為導(dǎo)向”學(xué)習(xí)方法和獨(dú)立形成知識體系的重要方法?；谛畔⒒恼n程教學(xué)為課前自主學(xué)習(xí)的教學(xué)模式提供了極大便利。在近幾年的教學(xué)過程中，化工設(shè)計(jì)教學(xué)團(tuán)隊(duì)根據(jù)化工設(shè)計(jì)教學(xué)目標(biāo)和要求，反復(fù)學(xué)習(xí)和篩選化工設(shè)計(jì)線上資源，如西北大學(xué)陳立宇老師在中國大學(xué)MOOC上的化工設(shè)計(jì)微視頻，同時(shí)也根據(jù)選用的教材內(nèi)容制作了微課件和微視頻，通過推送方式布置課前學(xué)習(xí)任務(wù)和學(xué)習(xí)重點(diǎn)。

課前自主學(xué)習(xí)提供了碎片化的信息化學(xué)習(xí)資源，大大提高了學(xué)習(xí)效率。學(xué)生可以根據(jù)碎片化的課余時(shí)間進(jìn)行課前學(xué)習(xí)，通過反復(fù)觀看視頻和微課，進(jìn)行獨(dú)立思考和同學(xué)之間的討論發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)難點(diǎn)，強(qiáng)化對知識點(diǎn)的理解，把自主學(xué)習(xí)遇到的難點(diǎn)和問題與教師通過網(wǎng)絡(luò)平臺進(jìn)行交流互動(dòng)，顯著提高了學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和創(chuàng)造性。

2.2 基于信息化的課中研討式和翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式構(gòu)建與實(shí)踐

教師根據(jù)學(xué)生課前自主學(xué)習(xí)反饋和課程教學(xué)目標(biāo)凝練出化工設(shè)計(jì)各章節(jié)重點(diǎn)和難點(diǎn)問題作為課堂的教學(xué)導(dǎo)入，進(jìn)行研討式和翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)。利用雨課堂或UMU互動(dòng)教學(xué)平臺加強(qiáng)課堂教學(xué)的互動(dòng)環(huán)節(jié)參與度，從傳統(tǒng)教學(xué)的“以教師為中心”的“填鴨式教學(xué)”轉(zhuǎn)變?yōu)槿w學(xué)生參與的“以學(xué)生為中心”的研討式學(xué)習(xí)。通過課堂討論和教師啟發(fā)式講解，結(jié)合大量化工設(shè)計(jì)案例，對知識點(diǎn)進(jìn)行歸納和梳理，逐一解決學(xué)生課前自主學(xué)習(xí)遇到的共性問題和課程教學(xué)重點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生掌握原本枯燥的化工設(shè)計(jì)的規(guī)范和方法，促進(jìn)了化工設(shè)計(jì)基本知識的內(nèi)化，同時(shí)提高了獨(dú)立思考和表達(dá)能力。

這種基于信息化的研討式和翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式使學(xué)生能夠自我設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)內(nèi)容和學(xué)習(xí)進(jìn)度，自我評估學(xué)習(xí)效果，實(shí)現(xiàn)“要我學(xué)”到“我要學(xué)”的學(xué)習(xí)模式轉(zhuǎn)變，真正實(shí)現(xiàn)了“以學(xué)生為中心”的自主學(xué)習(xí)，提高了課程目標(biāo)和專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)的達(dá)成度。與傳統(tǒng)教學(xué)相比，研討式和翻轉(zhuǎn)課堂課后學(xué)生提出問題的廣度和深度也有很大提升。此外，為了讓學(xué)生了解真實(shí)化工項(xiàng)目的設(shè)計(jì)過程，近年來專業(yè)邀請工程公司技術(shù)骨干線上或線下參與化工設(shè)計(jì)部分學(xué)時(shí)的教學(xué)活動(dòng)，拓展了學(xué)生的視野。

2.3 基于信息化的課后團(tuán)隊(duì)協(xié)作式教學(xué)模式構(gòu)建與實(shí)踐

化工廠的設(shè)計(jì)是一個(gè)綜合性的系統(tǒng)工程，在設(shè)計(jì)工作中需要大量專業(yè)內(nèi)人員和不同專業(yè)之間的相互配合，因此課程目標(biāo)強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。將學(xué)生分組開展團(tuán)隊(duì)協(xié)作式教學(xué)一方面可以進(jìn)行課前自主學(xué)習(xí)小組討論，課堂小組間研討和競賽來增加學(xué)習(xí)過程的趣味性和積極性。另一方面團(tuán)隊(duì)協(xié)作學(xué)習(xí)可以有組織的對自制力較差的同學(xué)進(jìn)行干預(yù)，以先進(jìn)帶動(dòng)后進(jìn)，為教師及時(shí)了解學(xué)習(xí)困難同學(xué)情況提供便利，從而開展針對性的教學(xué)，提高課程目標(biāo)的達(dá)成度。

我校化工設(shè)計(jì)課程安排大三下學(xué)期，與全國大學(xué)生化工設(shè)計(jì)競賽時(shí)間契合度高。借助競賽項(xiàng)目的小組協(xié)作式實(shí)踐過程可以對化工設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，從而使化工設(shè)計(jì)基礎(chǔ)學(xué)習(xí)和應(yīng)用具備具體實(shí)踐載體和驅(qū)動(dòng)力，知識點(diǎn)之間的銜接更緊密，實(shí)現(xiàn)教學(xué)過程的“學(xué)中用、用中學(xué)、學(xué)用結(jié)合”，也提高了學(xué)生參與學(xué)科競賽的覆蓋度。通過基于信息化的課后團(tuán)隊(duì)協(xié)作式教學(xué)提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性、系統(tǒng)性和創(chuàng)造性，更好地將理論知識轉(zhuǎn)化為解決化工復(fù)雜工程問題的能力，實(shí)現(xiàn)了學(xué)生化工設(shè)計(jì)知識、工程實(shí)踐能力和工程師素質(zhì)的協(xié)調(diào)發(fā)展，為我校連續(xù)兩次順利通過化學(xué)工程與工藝專業(yè)工程教育認(rèn)證提供了保障。

3 結(jié) 語

在新工科和工程教育認(rèn)證持續(xù)改進(jìn)背景下，基于信息化的化工設(shè)計(jì)教學(xué)改革和實(shí)踐堅(jiān)持以學(xué)生為中心，采用課前線上自學(xué)，課中線下翻轉(zhuǎn)課堂和研討式教學(xué)，課后團(tuán)隊(duì)協(xié)作式學(xué)習(xí)結(jié)合，顯著提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和師生以及生生之間的互動(dòng)性，促進(jìn)了學(xué)生工程設(shè)計(jì)能力、創(chuàng)新思維和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神等培養(yǎng)目標(biāo)的達(dá)成。