現(xiàn)代教育模式在化工原理教學中的應(yīng)用

艾常春

【摘要】隨著高等教育教學理論的研究與發(fā)展，一些具有創(chuàng)新性的教學模式順應(yīng)了教學內(nèi)容信息化和教學對象個性化的趨勢，在國內(nèi)外高等教育教學中不斷涌現(xiàn)，并得到迅速發(fā)展。本文根據(jù)化工原理實際教學經(jīng)驗，探討了翻轉(zhuǎn)課堂、“模塊式”教學、“CDIO”工程教育等現(xiàn)代教育模式在化工原理理論、實驗及工程教育過程中的實際應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】化工原理教學 翻轉(zhuǎn)課堂 “模塊式”教學 “CDIO”工程教育

【中圖分類號】G64 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2015）03-0237-02

《化工原理》課程是化工及其相關(guān)專業(yè)學生必修的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，它以化工生產(chǎn)中的物理加工過程為背景，研究化工單元操作的基本傳遞理論及其相應(yīng)的設(shè)備，在基礎(chǔ)課與專業(yè)課之間起著承先啟后的作用，是自然科學領(lǐng)域基礎(chǔ)課向工程科學專業(yè)課過渡的入門課程。教育部“卓越工程師”培養(yǎng)計劃要求滿足國家重大產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的人才需求，適度超前培養(yǎng)人才，培養(yǎng)包括現(xiàn)場工程師、設(shè)計開發(fā)工程師和研究型工程師三個層次的工程師后備人才。因此作為化工專業(yè)學生的專業(yè)基礎(chǔ)課程必須做到寬口徑培養(yǎng)，強調(diào)工程觀點、定量運算、實驗技能及設(shè)計能力的培養(yǎng)，強調(diào)理論與實際的結(jié)合，以提高分析問題、解決問題的能力，為培養(yǎng)“卓越工程師”打下良好基礎(chǔ)。

隨著現(xiàn)代科技的迅速發(fā)展，實際的化工生產(chǎn)過程在不斷發(fā)生變化，化工原理課程內(nèi)容也必須與時俱進進行相應(yīng)的刪減和擴充，在授課時數(shù)有限的情況下，必須運用現(xiàn)代教育模式進行教學改革。在教育學領(lǐng)域，現(xiàn)代教育模式隨著時代的變化也從傳統(tǒng)的黑板粉筆模式正向更加科學高效、信息化、而且更加富有創(chuàng)造性方向發(fā)展。近些年，國內(nèi)外出現(xiàn)了很多具有創(chuàng)新性的教學模式，如“翻轉(zhuǎn)課堂”教學、“慕課”平臺、“模塊式”教學理論、“CDIO工程教育模式”等，這些新的教育模式順應(yīng)了教學內(nèi)容信息化和教學對象個性化的趨勢，國內(nèi)外知名大學正在大力推進這些新的教育模式改革。

化工原理課程基本理論知識內(nèi)容較多，工程實踐性強，包括了理論教學、實驗教學和課程設(shè)計三個教學環(huán)節(jié)，在理論教學環(huán)節(jié)重點實現(xiàn)基礎(chǔ)理論知識的理解、掌握和第一層次的知識應(yīng)用，在實驗教學環(huán)節(jié)中實現(xiàn)第二層次的知識應(yīng)用，在課程設(shè)計環(huán)節(jié)實現(xiàn)第三層次的知識應(yīng)用，三個教學環(huán)節(jié)環(huán)環(huán)相扣，層層遞進，充分體現(xiàn)了本課程教學的基礎(chǔ)性、應(yīng)用性和先進性特點。隨著現(xiàn)代教育模式也在不斷革新，因此在新的形勢下，為提高教學效率強化教學效果，我們探討了一些現(xiàn)代教育模式在化工原理三個教學環(huán)節(jié)中的應(yīng)用，以期為本門課程的教學改革拋磚引玉。

一、“翻轉(zhuǎn)課堂”思想在理論教學環(huán)節(jié)中的應(yīng)用

“翻轉(zhuǎn)課堂”是從英語“FlippedClass Model”翻譯過來的術(shù)語，一般被稱為“反轉(zhuǎn)課堂式教學模式”。 學生利用互聯(lián)網(wǎng)和計算機技術(shù)在課堂外完成基本知識的學習，教師在課堂上解疑答惑并引導知識的實際應(yīng)用，將傳統(tǒng)的課堂教學與課外學習“反轉(zhuǎn)”過來進行教學。“慕課（MOOC）”的出現(xiàn)，真正實現(xiàn)了“翻轉(zhuǎn)課堂”。慕課是一個公共的教學平臺，將優(yōu)秀的課堂教學資源放在互聯(lián)網(wǎng)平臺上，大量的學生根據(jù)自身的需要在這個平臺上完成基本知識的學習，教師可以將在線視頻作為教學的線上環(huán)節(jié)，要求學生在課堂外先“聽課”，課堂內(nèi)則側(cè)重深入的分享、探討和解決問題。哈佛大學、麻省理工學院、加州大學伯克利分校等世界名校已經(jīng)在互聯(lián)網(wǎng)上提供高質(zhì)量的在線課程，國內(nèi)清華大學、北京大學、復(fù)旦大學和上海交通大學等中國內(nèi)地知名高校也紛紛加入了“慕課”平臺。

化工原理理論教學中我們重點講解“流體流動”，“流體輸送機械”，“非均相物系的分離”，“傳熱”，“蒸發(fā)”，“吸收”，“蒸餾”，“干燥”等化工單元操作的基本原理和相關(guān)的設(shè)備，并根據(jù)不同的單元操作過程的傳遞原理建立簡化的物理或數(shù)學經(jīng)驗值模型，在實際應(yīng)用中根據(jù)已知條件求解其中的某些過程變量。因此本門課程涉及的基本概念和假設(shè)、物理變量和數(shù)學公式多而繁雜，使剛開始接觸化工專業(yè)課的學生對該課程的學習感到無所適從。但在信息化時代的今天，靠死記硬背的知識隨處可取，只要人們利用各種資源便可在短時間內(nèi)熟練地找到所需要的知識，因此對于復(fù)雜公式的推導和半經(jīng)驗化的數(shù)學公式在教學環(huán)節(jié)上重在理解和應(yīng)用，評價環(huán)節(jié)中可以當作信息資源交給學生處理，這樣有利于學生在有限的學時數(shù)內(nèi)更好地掌握知識的精髓，對于知識的應(yīng)用也會更得心應(yīng)手。抽象的物理模型或數(shù)學推導過程具有通適性特點，可以應(yīng)用“翻轉(zhuǎn)課堂”思想，利用博客、網(wǎng)頁等形式放在互聯(lián)網(wǎng)平臺上，學生課堂外自主學習或組織集中觀看，設(shè)置情景互動檢驗學習效果。借助這個輔助教學平臺，還可以將相關(guān)的教學錄像、設(shè)備圖片、動畫、單元知識網(wǎng)絡(luò)、模擬軟件等優(yōu)秀教學資源進行整合，例如幾個單元操作之間的內(nèi)在聯(lián)系，知識點之間的相互銜接關(guān)系可以運用單元知識網(wǎng)絡(luò)形象地展示出來，方便學生及時進行預(yù)習和復(fù)習。在課堂教學過程中，可以根據(jù)需要隨時提取平臺上的教學資源，重點知識要實現(xiàn)課堂內(nèi)外的相互流通，提高教學效率的同時強化教學效果。

國內(nèi)外“慕課”平臺的開發(fā)與應(yīng)用使“翻轉(zhuǎn)課堂”思想成為現(xiàn)實，使有限容量的課堂成為開放式學習平臺，但目前開放的“慕課”平臺基本上是基于那些自學能力強或?qū)W有余力的學生或社會人士進行自我學習而開發(fā)的，所以我們不能完全照搬。我們的開發(fā)只能是輔助教學平臺，是課堂教學內(nèi)容的強化和衍生，因此在知識點的組織和安排上要與課堂內(nèi)容緊密結(jié)合。

二、“模塊式”教學在實驗教學環(huán)節(jié)中的應(yīng)用

實驗教學要實現(xiàn)第二層次的知識應(yīng)用，即在實際的單元操作設(shè)備中，通過改變操作變量，驗證基本傳遞原理的規(guī)律。目前實驗教學中我們選擇了“流體流動阻力的測定”、“離心泵的性能測試”、“傳熱系數(shù)的測定”、“吸收系數(shù)的測定”、“精餾塔板效率的測定”以及“干燥速率曲線的測定”等內(nèi)容，學生通過實驗前預(yù)習、仿真實驗、現(xiàn)場實驗和實驗報告來完成整個環(huán)節(jié)，主要培養(yǎng)學生解決單個化工單元操作的技能，鞏固課堂知識。

“模塊式”教學思想最早體現(xiàn)在專業(yè)課程體系設(shè)置，根據(jù)不同的專業(yè)方向，設(shè)置不同的“模塊式”課程體系。在我們的仿真實驗中，我們將每一個化工單元操作制作成一個單獨的“模塊”，這個模塊一方面可以鏈接本門課程課堂輔助教學平臺，同時也鏈接到與該單元操作相關(guān)的其他課程的輔助教學平臺，如化工設(shè)備、分離工程等，方便學生及時查閱信息并解決實驗中的疑問；另一方面這個模塊內(nèi)部從實驗原理、實驗操作設(shè)備介紹、實驗操作過程到實驗數(shù)據(jù)的模擬和處理也自成體系。

“模塊式”教學思想在實驗教學環(huán)節(jié)中還可以從抽象的虛擬計算機操作應(yīng)用到實物操作中。例如“流體流動阻力的測定”實驗中，將應(yīng)用到的閥門、管件和相關(guān)工具組成一個模塊組，讓學生在實驗中根據(jù)實驗原理先進行管路組裝，再進行測定實驗，這樣可以加深學生對實驗原理的理解以及對實驗管路、測定管路的認識，為實現(xiàn)課堂知識的第二層次應(yīng)用向第三層次應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

三、“CDIO”工程教育模式在課程設(shè)計教學環(huán)節(jié)中的應(yīng)用

“CDIO”工程教育模式是近年來國際工程教育改革的最新成果，經(jīng)麻省理工學院和瑞典皇家工學院等大學經(jīng)過多年探索研究創(chuàng)立，“CDIO”代表構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計（Design）、實現(xiàn)（Implement）和運作（Operate），它以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運行的生命周期為載體，讓學生以主動的、實踐的、課程之間有機聯(lián)系的方式學習工程知識。CDIO培養(yǎng)大綱將工程畢業(yè)生的能力分為工程基礎(chǔ)知識、個人能力、人際團隊能力和工程系統(tǒng)能力四個層面，大綱要求以綜合的培養(yǎng)方式使學生在這四個層面達到預(yù)定目標。這與教育部“卓越工程師”培養(yǎng)目標和層次是一致的。目前國內(nèi)外已有幾十所知名大學實施了“CDIO”工程教育模式，國內(nèi)工科院校也正在進行相關(guān)的教育模式改革，這種培養(yǎng)和教育模式下的學生已經(jīng)在實際工作中得到了充分的肯定。

將“CDIO”工程教育模式思想應(yīng)用于本門課程的課程設(shè)計環(huán)節(jié)，就是要讓學生以能“實現(xiàn)”和“運作”為目的，完成“構(gòu)思”和“設(shè)計”兩個環(huán)節(jié)。在化工原理課程設(shè)計教學環(huán)節(jié)上，我們安排了“蒸發(fā)器的工藝計算”、“煤油換熱器的工藝設(shè)計計算”、“吸收塔工藝設(shè)計計算”及“雙組份精餾塔的工藝設(shè)計計算”等內(nèi)容模塊，每個模塊內(nèi)不同的題目都從工廠技術(shù)改造和技術(shù)服務(wù)的項目中抽提出來，來源于生產(chǎn)實際，因此具有很強的現(xiàn)實性，能在一定條件下“實現(xiàn)”和“運作”。當然，作為專業(yè)基礎(chǔ)課涉及到的知識還不全面，在設(shè)計題目時要有側(cè)重點，在運用單元操作基本原理的同時，也要為其他課程知識的應(yīng)用打開一扇門，例如在“雙組分精餾塔的工藝設(shè)計計算”這個題目中，化工原理課程涉及到的知識點有理論塔板數(shù)和塔板效率的計算、冷凝器的熱負荷計算等，對于分離工程課程中涉及到的學生根據(jù)自身興趣進行選擇和分組，采用分散和集中相結(jié)合的方式進行教學，先集中講解任務(wù)，設(shè)計方法和繪圖方法，再由學生根據(jù)自己的題目進行工藝設(shè)計計算和設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計，并繪制工藝流程圖和設(shè)備條件圖。要實現(xiàn)這種教育模式的培養(yǎng)目標，必須認真制定符合這個標準的檢驗和評價標準，以評測為導向來實現(xiàn)培養(yǎng)學生第三層次應(yīng)用能力的目標。因此在評價環(huán)節(jié)必須以方案的現(xiàn)實性為依據(jù)，邀請相關(guān)工廠的工程師對學生的設(shè)計方案進行評價，并解答學生的疑問，

現(xiàn)代教育模式在化工原理教學的三個環(huán)節(jié)中有的已經(jīng)在大量應(yīng)用，有的還在進一步嘗試，在教學改革中不能完全照搬經(jīng)驗，在實際教學過程中要與時俱進吸收先進的教育模式和教育理念，對教學過程不斷進行改革和創(chuàng)新，才能培養(yǎng)出順應(yīng)時代潮流發(fā)展的新時代人才，實現(xiàn)國家的“卓越工程師”培養(yǎng)計劃，為國家重大產(chǎn)業(yè)升級和結(jié)構(gòu)調(diào)整輸送有用人才。

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