新工科背景下以“互聯(lián)網(wǎng)+”推動(dòng)化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與建設(shè)的探索

徐邁,劉慶旺,王鳳武,胡云虎,魏亦軍,梁銑

(淮南師范學(xué)院 化學(xué)與材料工程學(xué)院,安徽 淮南232038)

化工原理實(shí)驗(yàn)課程是將化工專業(yè)理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)技能相結(jié)合來培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力的一門實(shí)踐課程.這門課程以解決實(shí)際生產(chǎn)過程中的問題為培養(yǎng)目標(biāo),是化工原理這門化工重要基礎(chǔ)理論課向?qū)嶋H應(yīng)用的延伸,是搭建在化工原理與工程實(shí)踐之間的重要橋梁.對(duì)化工技術(shù)人才的科學(xué)思維、科學(xué)探究能力、動(dòng)手操作能力及實(shí)際應(yīng)用能力的培養(yǎng)極其重要.

近幾年,隨著科學(xué)技術(shù)飛躍式發(fā)展,全世界都在經(jīng)歷新一輪的科技和產(chǎn)業(yè)深層次的變革[1].這些深層次的變革對(duì)高校人才培養(yǎng)也提出了新的要求.因此,為了應(yīng)對(duì)這次變革,國(guó)家適時(shí)提出“新工科”這個(gè)新的建設(shè)理念作為高校教育改革的新目標(biāo),該目標(biāo)以新科技、新技術(shù)和新產(chǎn)業(yè)為背景,科技創(chuàng)新為核心.在新工科背景下更加注重不同學(xué)科之間的交叉融合,強(qiáng)調(diào)理論知識(shí)和實(shí)踐技能相結(jié)合,傳統(tǒng)工科專業(yè)則可以結(jié)合新科技進(jìn)行改革創(chuàng)新,從而進(jìn)行新工科建設(shè)[2,3].同時(shí),隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”的技術(shù)不斷進(jìn)步,也為新工科建設(shè)和教學(xué)手段的革新提供了新的平臺(tái).

然而,隨著新工科建設(shè)的不斷推進(jìn),我們發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念和手段都已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代化的化工廠對(duì)人才培養(yǎng)的要求.因此,作為化工專業(yè)核心課程的化工原理實(shí)驗(yàn)如何利用“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)創(chuàng)新教學(xué)手段,將化工原理實(shí)驗(yàn)同不同課程知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行充分交叉融合;如何提升工科學(xué)生動(dòng)手能力和科學(xué)素養(yǎng),使學(xué)生畢業(yè)后能夠快速適應(yīng)新工科背景下競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的工作環(huán)境,是擺在我們面前迫切要解決的問題.

本文以淮南師范學(xué)院化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)為研究對(duì)象,通過系統(tǒng)剖析化工原理實(shí)驗(yàn)課程在教學(xué)過程中存在的問題和挑戰(zhàn),在新工科背景下,以課程內(nèi)涵建設(shè)為目標(biāo),通過“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)創(chuàng)新教學(xué)手段,積極從多個(gè)維度進(jìn)行探索,對(duì)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式進(jìn)行創(chuàng)新和改革,構(gòu)建系統(tǒng)的化工原理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)新體系.

1 化工原理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)現(xiàn)狀及存在問題

(1)目前現(xiàn)有的化工原理實(shí)驗(yàn)裝置功能單一,無法開設(shè)綜合性實(shí)驗(yàn),控制系統(tǒng)主要基于電氣技術(shù),智能化和信息化不足,而現(xiàn)在正在經(jīng)歷以物聯(lián)網(wǎng)、5G、大數(shù)據(jù)、人工智能為代表的第四次工業(yè)革命,化工生產(chǎn)方式也發(fā)生了翻天覆地的變化,對(duì)高?；と瞬诺呐囵B(yǎng)也提出了新的要求.現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)裝置無法和現(xiàn)代化工生產(chǎn)相接軌,使學(xué)生學(xué)到的知識(shí)脫離了實(shí)際,對(duì)學(xué)生實(shí)際操作能力的培養(yǎng)變?yōu)榭照刐4].

(2)工程創(chuàng)新理念和工程能力的培養(yǎng)不足,實(shí)驗(yàn)過程中涉及化工安全內(nèi)容較少,不利于學(xué)生化工安全意識(shí)的培養(yǎng).實(shí)驗(yàn)教法單一,化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)多數(shù)采用“滿堂灌”的教學(xué)模式[5],學(xué)生自己主動(dòng)學(xué)習(xí)意識(shí)不強(qiáng),教學(xué)效果不好.

(3)課前預(yù)習(xí)缺乏監(jiān)管,預(yù)習(xí)效果不好,造成學(xué)生在聽老師的講解后,在還沒有完全領(lǐng)會(huì)和思考的情況下就開始實(shí)際操作,實(shí)驗(yàn)效果不佳.實(shí)驗(yàn)考核和成績(jī)?cè)u(píng)定不合理,未能貫徹以工程為核心的課程導(dǎo)向.“課程思政”在教學(xué)環(huán)節(jié)中體現(xiàn)不足[5].

鑒于以上問題,在新工科建設(shè)大背景下,通過“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)推動(dòng)化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系創(chuàng)新與改革已是大勢(shì)所趨.

2 化工原理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)改革措施

2.1 更新設(shè)備,引入“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)搭建線上與線下實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

現(xiàn)有的化工原理實(shí)驗(yàn)裝置智能化和信息化不足,實(shí)驗(yàn)裝置教學(xué)功能單一無法開設(shè)綜合性的實(shí)驗(yàn),同時(shí)與現(xiàn)代化工生產(chǎn)實(shí)際脫節(jié),無法滿足現(xiàn)代化工廠對(duì)學(xué)生能力的要求.新型現(xiàn)代化的化工原理實(shí)驗(yàn)裝置主要包括PLC+觸摸一體機(jī)+智能學(xué)習(xí)系統(tǒng)構(gòu)建的模塊化裝置.實(shí)驗(yàn)過程中的數(shù)據(jù)監(jiān)控與分析則通過智能控制系統(tǒng),該控制系統(tǒng)采用全觸摸與集成化,使用穩(wěn)定且方便.模塊化中的不同模塊之間可以相互組合,可以充分鍛煉學(xué)生多方面的能力.例如:化工工藝原理知識(shí)應(yīng)用能力、化工工藝流程分析與理解能力、化工實(shí)踐操作和解決化工工程問題的能力等.實(shí)驗(yàn)裝置也可實(shí)現(xiàn)多個(gè)教學(xué)知識(shí)點(diǎn)的教學(xué),可以開設(shè)綜合性實(shí)驗(yàn).因此,我校先后投入300多萬元對(duì)舊的化工原理實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行更新,添置新型智能化、模塊化的化工原理實(shí)驗(yàn)裝置,打造21世紀(jì)新型創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)室(圖1).同時(shí)引入“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù),運(yùn)用“互聯(lián)網(wǎng)+”理念打造化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)智能學(xué)習(xí)系統(tǒng),通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將實(shí)驗(yàn)裝置以及學(xué)習(xí)資源接入到網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上(圖1).

將管理者、教師、學(xué)生連接到網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上,實(shí)現(xiàn)“教、學(xué)、練、考”一體化.構(gòu)建“線上線下”混合式教學(xué)新模式.學(xué)生們?cè)谧鰧?shí)驗(yàn)之前,通過網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)可以進(jìn)行視頻學(xué)習(xí),理論練習(xí),在3D模擬環(huán)境下認(rèn)知設(shè)備,可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的模擬練習(xí).作為老師,可以進(jìn)行學(xué)生信息管理,課程管理,題庫管理,測(cè)試考試.可獲得學(xué)生理論考試、模擬操作和實(shí)驗(yàn)操作的成績(jī),通過線上考評(píng)系統(tǒng)查看學(xué)生預(yù)習(xí)情況.同時(shí)還可以解決教師簡(jiǎn)單的從預(yù)習(xí)報(bào)告(學(xué)生抄寫實(shí)驗(yàn)講義形成)評(píng)定平時(shí)成績(jī)而造成分?jǐn)?shù)差距不大、評(píng)分不合理的現(xiàn)象.“線上線下”混合式教學(xué)新模式使得學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣被充分調(diào)動(dòng)起來,學(xué)生獨(dú)立思考和自主學(xué)習(xí)的能力也可以得到大幅度的提升.

2.2 構(gòu)建新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系,促進(jìn)學(xué)生工程和創(chuàng)新能力培養(yǎng)

作為未來現(xiàn)代化工廠主力軍,傳統(tǒng)的化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系已不能滿足培養(yǎng)高素質(zhì)人才的需求.針對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系存在的缺陷,結(jié)合OBE教育理念(成果導(dǎo)向教育,outcomes-based education),加強(qiáng)學(xué)生工程理念和能力的培養(yǎng),注重學(xué)科與課程之間的交叉融合,突出學(xué)生主體地位,結(jié)合“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)構(gòu)建分層次的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系.首先,我校創(chuàng)新型化工原理實(shí)驗(yàn)室對(duì)原有的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行了整合,在此基礎(chǔ)上增設(shè)了綜合性(綜合流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)、三管傳熱綜合實(shí)驗(yàn)、吸收與解析綜合實(shí)驗(yàn))、設(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目(超臨界提取),培養(yǎng)學(xué)生分析和解決復(fù)雜工程問題的能力,同時(shí)對(duì)舊的實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱重新進(jìn)行了修訂,將線上線下混合式教學(xué)模式融入教學(xué)體系,同時(shí)將化工安全知識(shí)滲透到實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系中,在化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程適當(dāng)增加化工方面的安全知識(shí)介紹,通過智能學(xué)習(xí)系統(tǒng)中的仿真實(shí)驗(yàn)體系,采用3D 動(dòng)畫的形式讓學(xué)生進(jìn)一步了解化工廠基本安全規(guī)范和技術(shù)要求,培養(yǎng)學(xué)生的安全生產(chǎn)意識(shí)和遇到安全事故處理問題的能力.形成了“網(wǎng)上知識(shí)點(diǎn)預(yù)習(xí)-3D視頻講解及仿真練習(xí)-現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)操作-數(shù)據(jù)分析處理及報(bào)告撰寫”四位一體、“線上-線下”相互補(bǔ)充的新型化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系.改進(jìn)考核方式,采用多維度的評(píng)價(jià)體系.新的評(píng)價(jià)體系由課前預(yù)習(xí)與測(cè)試、實(shí)驗(yàn)操作與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫、課后思考與期末考試五個(gè)方面組成.其中期末考試環(huán)節(jié)設(shè)置參照全國(guó)大學(xué)生化工原理實(shí)驗(yàn)大賽模式:理論+實(shí)踐.同時(shí)還可以借此機(jī)會(huì)選拔一些學(xué)生參加后期的實(shí)驗(yàn)大賽集訓(xùn),為全國(guó)大學(xué)生化工原理實(shí)驗(yàn)大賽儲(chǔ)備人才,通過學(xué)科競(jìng)賽又進(jìn)一步提高學(xué)生學(xué)習(xí)熱情[6].學(xué)科競(jìng)賽可以作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)補(bǔ)充和延伸,通過學(xué)科競(jìng)賽可以將化工書本知識(shí)和實(shí)驗(yàn)技能、化工軟件、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等不同知識(shí)點(diǎn)有機(jī)結(jié)合起來,可以很好地促進(jìn)不同知識(shí)點(diǎn)交叉融合,進(jìn)一步提高工科學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)的能力.

我校通過化工原理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)改革,已經(jīng)取得了一些教學(xué)成果,近幾年學(xué)生在大學(xué)生化工原理實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽、大學(xué)生化工設(shè)計(jì)大賽中及挑戰(zhàn)杯中多次獲獎(jiǎng)(圖2),新工科背景下化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革初見成效.為了進(jìn)一步評(píng)估化工原理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)改革成效,通過對(duì)我?；瘜W(xué)工程與工藝、高分子材料與工程專業(yè)、材料化學(xué)三個(gè)非師范專業(yè)進(jìn)行了化工原理實(shí)驗(yàn)改革前和改革后滿意度抽樣問卷調(diào)查.調(diào)查結(jié)果顯示,改革前學(xué)生對(duì)該實(shí)驗(yàn)的滿意度僅有75.8%,主要問題集中在實(shí)驗(yàn)儀器智能化程度低、課前預(yù)習(xí)效果差、上課滿堂灌教學(xué)效果不好、綜合性實(shí)驗(yàn)少,實(shí)驗(yàn)教學(xué)與實(shí)際生產(chǎn)有差距、學(xué)生工程化能力培養(yǎng)不足等.改革后學(xué)生的滿意度提高到96.5%,其中,學(xué)生認(rèn)為最大的改變是通過引進(jìn)智能化的實(shí)驗(yàn)裝備及構(gòu)建智能學(xué)習(xí)系統(tǒng),學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和效率得到了很大提高.線上課程資源還需要進(jìn)一步豐富,這也是下一步我們要努力改進(jìn)的方向.

圖2 獲獎(jiǎng)證書

2.3 教學(xué)過程引入課程思政,培養(yǎng)學(xué)生的合作精神和社會(huì)責(zé)任感

實(shí)驗(yàn)課程是理工科人才培養(yǎng)過程中的重要環(huán)節(jié),早在2016 年全國(guó)高校思想政治工作會(huì)議上,習(xí)近平總書記就明確指出加強(qiáng)高校思想政治工作建設(shè),要充分利用好大學(xué)生課堂教學(xué)這個(gè)主渠道[7].堅(jiān)持立德樹人,把課程思政貫穿到整個(gè)教學(xué)過程中,使所有課程都與思想政治理論課同向而行.將知識(shí)點(diǎn)傳授、工程能力培養(yǎng)和個(gè)人價(jià)值觀塑造三者有機(jī)的融為一體形成協(xié)同效應(yīng).因此,化工原理作為重要的專業(yè)基礎(chǔ)課和核心課程,教學(xué)過程引入課程思政十分必要.通過把課程思政恰當(dāng)?shù)厝谌牖ぴ韺?shí)驗(yàn)教學(xué)中,對(duì)培養(yǎng)學(xué)生社會(huì)主義核心價(jià)值觀、增加中華民族文化自信、培養(yǎng)愛國(guó)情懷以及新時(shí)代工匠精神都具有非凡的意義[8].在實(shí)驗(yàn)講授過程中,可以通過恰當(dāng)?shù)拇┎逡恍┦吕?將人文教育、愛國(guó)情懷、社會(huì)主義核心價(jià)值觀等思政元素與實(shí)驗(yàn)知識(shí)有機(jī)結(jié)合起來.例如:在講授綜合流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)候可以引入古代建造的蜚聲世界的水利工程都江堰.篩板精餾實(shí)驗(yàn)可以介紹一下中國(guó)古代悠久的釀酒歷史和技術(shù)、諾貝爾獎(jiǎng)獲得者屠呦呦提取青蒿素過程中涉及的精餾實(shí)驗(yàn).三管傳熱實(shí)驗(yàn)可以引入化學(xué)工程專家顧毓珍撰寫的《湍流傳熱導(dǎo)論》及《化學(xué)工業(yè)過程及設(shè)備》等等.同時(shí)我們還可以利用“ 互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)將課程思政引入線上教學(xué)當(dāng)中,最終達(dá)到立德樹人的目的.

3 結(jié)束語

在新工科背景下,我校化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)通過引進(jìn)現(xiàn)代化的儀器設(shè)備,運(yùn)用“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)推動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與創(chuàng)新,搭建線上與線下實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、強(qiáng)化學(xué)生工程和創(chuàng)新能力培養(yǎng)、采用多維度的評(píng)價(jià)體系,引入課程思政等多種手段系統(tǒng)性的構(gòu)建化工原理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)新體系,大大提升了該實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)效果和質(zhì)量.