互聯(lián)網(wǎng)+新形態(tài)下“化工原理”創(chuàng)新教學模式的構筑與實踐

程倩，李淑君，張繼國，任世學，李勍

東北林業(yè)大學材料科學與工程學院，哈爾濱 150040

互聯(lián)網(wǎng)，一個不受時間和空間限制的宏大規(guī)模平臺，聲勢之浩大、魔力之超強，正在改變著我們的教育模式。2020年，新冠疫情促成了互聯(lián)網(wǎng)教育時代的快速發(fā)展，由此引發(fā)教學改革的浪潮。工程教育專業(yè)認證強調(diào)“以學生為中心，成果導向和持續(xù)改進”的教育理念，代表工程教育改革的方向，同時也為工程教育評價提供合理的參照標準[1,2]?；ぴ碜鳛榛瘜W工程與工藝、高分子材料與工程及材料和化學等專業(yè)工程認證的核心基礎課程，在互聯(lián)網(wǎng)+新形態(tài)下對該課程進行持續(xù)改進提出了更高的要求，因此利用互聯(lián)網(wǎng)技術對教學模式創(chuàng)新勢在必行[3,4]。

本文結(jié)合成果導向(OBE)的教育理念，本著立德樹人的根本任務，追隨工程認證背景下持續(xù)改進的要求，在互聯(lián)網(wǎng)+新形態(tài)下對化工原理課程的教學模式進行創(chuàng)新，生活案例與基礎知識相結(jié)合，工程案例與抽象設備相聯(lián)系，學科前沿與工程觀念相融合，思政元素與環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展相契合，充分展現(xiàn)以興趣導向為知識目標、以工程觀念和創(chuàng)新思維為能力目標、以家國情懷和工匠精神為素養(yǎng)目標的培養(yǎng)理念。

1 化工原理課程概括及教學痛點

化工原理是化工、高分子和材料等專業(yè)的核心基礎課程，該課程具有工程實踐性強、模型抽象難理解、設備流程復雜和公式繁瑣等特點。且計算過程與生產(chǎn)實際緊密結(jié)合，工程過程涉及參數(shù)不唯一，且參數(shù)由多因素確定，或是根據(jù)經(jīng)驗公式確定，計算過程常常涉及參數(shù)的預估、校核、試差等，進而導致計算過程繁瑣復雜。對于未接觸過實踐的學生來說，學習難度大，工程概念問題又相對枯燥，由此引發(fā)以下幾個教學痛點：1) 課程理論抽象，學生學習興趣不高，課堂氣氛不活躍；2) 單一授課模式使學生缺乏主觀能動性、缺乏主動思考和歸納的能力；3) 缺乏創(chuàng)新思維意識，無法實現(xiàn)工程認證要求的分析和解決復雜工程問題的能力培養(yǎng)目標；4) 缺乏家國情懷、經(jīng)濟環(huán)保與可持續(xù)發(fā)展的工程理念。這些已成為新時代工程教育背景下，高素質(zhì)應用型人才培養(yǎng)的瓶頸。

2 工程認證導向下化工原理持續(xù)改進的要求

依據(jù)工程教育委員會專業(yè)認證的要求，教學團隊對已通過認證專業(yè)和未通過認證專業(yè)的教學大綱進行了重新修訂，新修訂的教學大綱充分體現(xiàn)了各專業(yè)的特色和要求，分別從知識、能力和素養(yǎng)三個目標入手(見表1，以化學工程與工藝專業(yè)為例)。其中知識目標為：了解化工單元操作的發(fā)展歷程，掌握主要化工單元過程的原理和基礎理論，掌握化工典型設備的構造、性能、作用原理及計算，為進行工藝設計打下扎實的基礎；能力目標為：能運用化工原理基礎知識和原理分析和解決化工單元過程在實際操作中出現(xiàn)的問題，培養(yǎng)學生解決復雜工程問題的能力，使學生具備一定的工程設計和工程實驗能力，并尋求合理的解決復雜工程問題的方案；素質(zhì)目標為：利用化學原理從源頭上減少和消除工業(yè)生產(chǎn)對環(huán)境的污染，在解決實際問題時，充分考慮化工過程對社會可持續(xù)發(fā)展的影響。

表1 課程目標及支撐畢業(yè)要求

3 “五位一體”教學模式構筑與實踐

3.1 結(jié)合專業(yè)特色，整合資源，實現(xiàn)生活案例與基礎知識相結(jié)合

化工原理作為一門核心基礎課程，在工程教育認證中至關重要，是培養(yǎng)應用型人才的關鍵。首先，根據(jù)林業(yè)高校的特色——木資源的提取與轉(zhuǎn)化，全面分析各個專業(yè)的工程使用特點，結(jié)合課程學時數(shù)及培養(yǎng)大綱的要求，在“互聯(lián)網(wǎng)+工程教育認證”新形態(tài)下找準指標點與課程的結(jié)合點，在內(nèi)容上體現(xiàn)專業(yè)特色——特色產(chǎn)品所涉及的生產(chǎn)流程及應用，突出創(chuàng)新能力和復雜工程分析及解決問題能力的培養(yǎng)。其次，教學內(nèi)容整合，以高分子材料與工程專業(yè)為例，該專業(yè)已通過工程認證，目前處于持續(xù)改進階段。如緒論中講化工過程與單元操作，以聚乙烯生產(chǎn)流程為例，既體現(xiàn)了高分子材料的生產(chǎn)流程又講解了化工過程與單元操作的概念與關系。流體流動中引入爬桿效應、無管虹吸及湍流減阻等內(nèi)容，結(jié)合高分子材料的流體特性，以案例分析的形式展示流體流動的理論知識，既體現(xiàn)專業(yè)特色，又引入學科前沿。最后，通過互聯(lián)網(wǎng)+工程教育認證收集并建立完善的與專業(yè)相吻合的案例分析庫，以培養(yǎng)和提升學生理論與實踐相結(jié)合、分析和解決復雜工程問題的能力，培養(yǎng)學生的工程觀念、創(chuàng)新和工廠運營理念。

3.2 利用信息技術實現(xiàn)線下線上混合教學

充分利用互聯(lián)網(wǎng)+大數(shù)據(jù)平臺的優(yōu)勢，以實現(xiàn)大學生自主學習能力的培養(yǎng)和工程觀念的強化訓練。教學團隊對教學方法進行創(chuàng)新，實現(xiàn)線上、線下融合式教學(圖1)。課前教師通過線上下發(fā)任務，學生接受任務進行線上學習；課中教師進行重點知識講解，同時還會針對課前下發(fā)的任務點在授課過程中采取基于問題的學習(PBL)、基于案例教學法(CBL)、以團隊為基礎的學習(TBL)、啟發(fā)誘導與課程思政等混合式教學模式；進而通過問題啟發(fā)、案例分析、團隊協(xié)作和課程思政形式開展討論活動；課后教師下發(fā)作業(yè)，學生接受任務提交作業(yè)，通過線上作業(yè)和線下作業(yè)的結(jié)合，展現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)+大數(shù)據(jù)平臺的反饋機制，通過大數(shù)據(jù)分析該創(chuàng)新教學模式的優(yōu)勢與存在的不足，發(fā)揮優(yōu)勢改進不足，并不斷完善新的教學模式。此外，該課程教師團隊采取理論與實踐相結(jié)合，抽象與具體相結(jié)合，知識目標、能力目標與素質(zhì)拓展相結(jié)合，同時結(jié)合線上擴展閱讀和討論模式打破時間、空間和地域的限制，并以QQ群答疑等輔助手段，全面打造應用型人才培養(yǎng)目標的多模態(tài)創(chuàng)新教學模式。以自己獨有的教學風格和理念，營造學生喜歡的學習氛圍，潛移默化地培養(yǎng)學生的愛國精神、民族意識以及不斷創(chuàng)新勇于探索的工匠精神。

圖1 創(chuàng)新教學模式流程圖

3.3 雙碳目標下項目式驅(qū)動教學實現(xiàn)科教融合

雙碳目標下，踐行綠色發(fā)展觀、推動環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的理念，離不開理論與實踐的結(jié)合，而作為化學與化工鏈接的橋梁，化工原理無疑在此起著關鍵性的作用[5]。因此在課程講授過程中以項目驅(qū)動的方式引入科學研究，讓學生透過理論知識分析實踐應用，做到理論與實踐相結(jié)合、知識與學科前沿相結(jié)合，提高課程的高階性和挑戰(zhàn)度[6]。如在講蒸發(fā)時可以引入目前的科研前沿“海水淡化-熱電-灌溉”一體化的蒸發(fā)系統(tǒng)作為項目驅(qū)動，激勵引發(fā)學生利用所學理論知識分析和解決復雜工程問題。講傳熱時，引入木質(zhì)素基氣凝膠的隔熱保溫性能，強化學生查閱文獻和知識應用的能力，讓學生感受到知識就是力量的作用，進而喜歡該專業(yè)和該課程。在精餾一章時，通過互聯(lián)網(wǎng)+環(huán)境在網(wǎng)絡在線課程下發(fā)項目任務——查閱并研讀木質(zhì)素精煉文獻，提煉蒸餾在其過程中的應用，提出多次流動還原催化分餾的概念，讓學生進行分組討論，并以討論報告的形式提交作業(yè)，通過該項目驅(qū)動式教學不僅考查了知識點的靈活應用，同時也培養(yǎng)了學生的工匠精神及綠色環(huán)保的發(fā)展觀。在課程講授中引入科研實例，充分體現(xiàn)林業(yè)高?；ぴ碚n程的專業(yè)特色，實現(xiàn)課程理論知識與專業(yè)前沿科研發(fā)展相互聯(lián)動。

3.4 工程認證持續(xù)改進背景下思政引領與素質(zhì)塑造相融合

作為工科的基礎核心課程，化工原理是從基礎理論向工程實踐過渡的橋梁，其具有較強的應用實踐性，因此培養(yǎng)學生的工程觀念和解決工程實際問題的能力是本門課的首要任務。如何實現(xiàn)其“高階性”和“兩性一度”？培養(yǎng)具有良好價值觀和工程觀的工匠精神是課程思政的關鍵。本團隊對思政采取的措施如下：首先，課程思政的要素挖掘，深入分析每一單元操作的特點，借助互聯(lián)網(wǎng)收集與單元操作基礎原理或基礎原理形成的過程相關的思政元素；其次，對這些思政元素進行整合(表2)，找出與之對應的工程實踐案例，思政元素與案例分析相結(jié)合，培養(yǎng)學生的家國情懷、創(chuàng)新意識和踐行綠色發(fā)展觀的工程觀念，樹立正確的價值觀；最后，結(jié)合思政元素，精心設計教學過程，提升教學質(zhì)量。

表2 課程思政案例

3.5 利用網(wǎng)絡課程實現(xiàn)教、學與考核相融合

優(yōu)質(zhì)課程離不開優(yōu)質(zhì)的教學資源和良好的教學模式，基于此，首先構筑完善的線上管理平臺，對線上資源進行模塊化劃分，每一章節(jié)重點突出教學目標、重點、難點、教學課件、教學視頻、擴展閱讀、案例分析、思政元素討論區(qū)，積極推進教學基礎理論與實踐的結(jié)合、復雜流程與抽象設備和動畫與視頻的結(jié)合、案例分析與思政元素的結(jié)合；其次，收集并逐漸完善貼合的案例分析和思政元素，在專業(yè)知識和工程能力的課程目標基礎上融入思政教育，通過知識和思政的融合弘揚中國科技與文化。如流體流動與中國古詩詞、大禹治水等。這些思政元素融入在線課程，可以讓學生有充分的時間進行思考并加以應用；最后，建立完善的試題庫與討論專欄，擴展試題庫的類型，充分體現(xiàn)工程教育認證的目標要求。

在考核方面，學生的最終成績由平時成績30% + 階段成績20% + 期末成績50%，其中平時成績由課前雨課堂推送的課前測評(5%)、課后在超星課程網(wǎng)站下發(fā)線下作業(yè)(20%)和超星課程網(wǎng)站討論(5%)組成。線下作業(yè)題型有選擇題、計算題、思維導圖知識點總結(jié)，討論以工程案例、科研前沿和名人理論與故事進行分組討論，主要展現(xiàn)學生知識點的應用和價值觀的塑造。階段考試和期末考試以閉卷形式考核，試卷的類型由原來的選擇題、填空題、計算題變?yōu)榉治鲱}、計算題加綜合討論題等形式，逐漸加大工程分析和復雜問題的解決能力的考核。

4 結(jié)語

化工原理是一門抽象、復雜且工程實踐應用性非常強的基礎理論課程，本文結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)+新形態(tài)下的信息技術手段提出了“五位一體”的創(chuàng)新教學模式，通過生活案例分析、線上線下結(jié)合、引入科研動態(tài)、課程思政引領、網(wǎng)絡課程輔助及考核方式多樣化等多手段、多模式的相互融合，使課堂形式多樣化，課程內(nèi)容豐滿化，進而提高課程的高階性和挑戰(zhàn)度，體現(xiàn)時代發(fā)展需求，契合工程教育認證背景下的持續(xù)改進的要求，使課堂活起來，學生思維動起來。教師由原來知識的傳授者逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閷W生學習的引導者。該創(chuàng)新教學模式的實施，對于學生工程意識的樹立、能力目標的培養(yǎng)及素質(zhì)目標的塑造起到了良好的導向作用。此外，該教學模式充分利用了信息化技術，使學生在接受課程目標的同時，在科研和工程應用層面也起到了良好的輔助作用。