基于抽象工廠模式的化工原理課程動(dòng)態(tài)構(gòu)建的研究

孫雪妮，韶暉，張莉，屈蘊(yùn)茜

化工原理是大化類專業(yè)學(xué)生（包括化學(xué)工程和工藝、生物工程、環(huán)境工程、高分子材料等）的一門基礎(chǔ)核心課。課程以化工生產(chǎn)中的單元操作，如流體輸送、多元物系分離、傳熱等為主要內(nèi)容，綜合運(yùn)用數(shù)理化等多門學(xué)科的知識(shí)去分析化工單元操作中涉及到的“三傳”（動(dòng)量傳遞、熱量傳遞和質(zhì)量傳遞）原理，并通過工藝和過程計(jì)算去完成設(shè)備的設(shè)計(jì)、選型及優(yōu)化。[1]2017年，教育部在高等工程教育發(fā)展戰(zhàn)略研討會(huì)上提出了“新工科”這一概念，要求深化教學(xué)改革，創(chuàng)新教學(xué)方法，培養(yǎng)出高水平的新工科人才，使得我國的工程專業(yè)能率先進(jìn)入高等工程教育世界的“第一方陣”。[2]在此背景下，如何針對不同專業(yè)、不同層次的大化類學(xué)生，科學(xué)、合理、高效地制定教學(xué)計(jì)劃，進(jìn)行教學(xué)資源的有序整合，完成知識(shí)的精準(zhǔn)定位，從而加強(qiáng)學(xué)生的工程意識(shí)，增強(qiáng)其解決實(shí)際工程問題的能力，提高他們的綜合素質(zhì)，是化工原理課程改革的關(guān)鍵。雖然許多教師對化工原理課程的教學(xué)改革進(jìn)行了有意義的探討和研究，但現(xiàn)階段的化工原理課程仍多采用傳統(tǒng)方式進(jìn)行教學(xué)。[3]這種傳統(tǒng)教學(xué)模式不利于綜合性、應(yīng)用型人才的培養(yǎng)，也不利于化工原理課程的現(xiàn)代化教學(xué)發(fā)展。此外，針對不同學(xué)科及不同基礎(chǔ)的學(xué)生對象，不少教師往往采用同一個(gè)教學(xué)課件進(jìn)行授課，教學(xué)質(zhì)量并不理想。前蘇聯(lián)發(fā)明家阿奇舒勒在他的五大發(fā)現(xiàn)中指出：創(chuàng)新設(shè)計(jì)所依據(jù)的科學(xué)原理往往屬于其他領(lǐng)域。[4]故針對化工原理課程中傳統(tǒng)教學(xué)模式存在的不足，我們嘗試跨學(xué)科引入新的教育教學(xué)方法對化工原理教學(xué)模式進(jìn)行有效的補(bǔ)充。

本論文受傳統(tǒng)“碎片化”教學(xué)思路啟發(fā)，借鑒軟件工程中的設(shè)計(jì)開發(fā)方法，首先提出利用面向?qū)ο笾小邦悺钡母拍睿瑢⒒ぴ碚n程的知識(shí)點(diǎn)細(xì)分為“類”元素。在此基礎(chǔ)上，將抽象工廠模式的基本架構(gòu)思想引入到化工原理教學(xué)當(dāng)中，對各章節(jié)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行柔性構(gòu)建和動(dòng)態(tài)重組，并針對不同的教學(xué)對象搭建相應(yīng)的教學(xué)計(jì)劃及教學(xué)內(nèi)容。以此形成“面向?qū)W生”的全新“敏捷教學(xué)”模式。本研究為“新工科”導(dǎo)向下化工原理課程的教學(xué)改革提供了一種新的思路和理念。

一 課程教學(xué)內(nèi)容的“類”劃分

類（Class）是面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)（OOP，Object- Oriented Programming）中的概念，是對一些具有共同特征的對象的抽象集合體。我們利用“類”的概念，將化工原理課程內(nèi)容劃分為一系列合適的“類”元素。化工原理研究的內(nèi)容為“三傳”理論，在此基礎(chǔ)上可將課程分為三大章節(jié)：流體流動(dòng)、傳熱和質(zhì)量傳遞，之后將各章節(jié)再碎化為一個(gè)個(gè)小的知識(shí)點(diǎn)。對各章節(jié)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行“類”劃分和碎片化后，即可形成專屬化工原理的UML（Unified Modeling Language）類圖，用以表示知識(shí)點(diǎn)之間存在的各種關(guān)系。[5]此舉有助于化工原理內(nèi)容框架的動(dòng)態(tài)構(gòu)建，也有利于化工原理數(shù)據(jù)庫的開發(fā)。以化工原理中傳熱章節(jié)為例，以泛化（Generalization）和聚合（Aggregation）對主要知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行劃分并繪制UML類圖，如圖1所示。

圖1 化工原理傳熱章節(jié)的UML類圖

接著將知識(shí)點(diǎn)碎片化為更小的具有相對獨(dú)立性和完整性的知識(shí)點(diǎn)單元。針對每一個(gè)小知識(shí)點(diǎn)單元分別給出類名稱、類屬性和類方法。類名稱可用來查找和調(diào)用整個(gè)知識(shí)單元；類屬性用以描述類的特征，方便后臺(tái)人員管理具有相同屬性的對象；而針對不同的教學(xué)對象，我們可以動(dòng)態(tài)地刪減或增加類方法，達(dá)到知識(shí)點(diǎn)的敏捷構(gòu)建。以熱傳導(dǎo)章節(jié)為例，將知識(shí)點(diǎn)碎片化為熱傳導(dǎo)機(jī)理、傅里葉定律和熱傳導(dǎo)方程三個(gè)小單元，分別給出它們的類名稱、類屬性和類方法，見表1。之后我們便可以采用設(shè)計(jì)模式中的抽象工廠模式來對化工原理課程進(jìn)行動(dòng)態(tài)重組。

二 抽象工廠模式應(yīng)用

設(shè)計(jì)模式可分為創(chuàng)建型、結(jié)構(gòu)型和行為型三大類共23種模式。創(chuàng)建型模式包括工廠模式、抽象工廠模式、單例模式、構(gòu)建模式和原型模式，被廣泛應(yīng)用于模塊及項(xiàng)目的重構(gòu)。[6]針對不同專業(yè)不同層次的學(xué)生，不少教師不能及時(shí)的調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，從而使得授課效果不理想，會(huì)出現(xiàn)講授的知識(shí)和學(xué)生的專業(yè)不能交叉融合的現(xiàn)象。我們現(xiàn)在將設(shè)計(jì)模式從軟件開發(fā)領(lǐng)域引入到化工原理教學(xué)當(dāng)中，針對化工原理課程，我們以學(xué)生為關(guān)注對 象，在“類”的基礎(chǔ)上，采取抽象工廠模式對化工原理教學(xué)資源進(jìn)行動(dòng)態(tài)構(gòu)建、整合及優(yōu)化，從而形成“面向?qū)W生”的動(dòng)態(tài)教學(xué)模式。此外，這一模式還利于運(yùn)用現(xiàn)代化手段、融合人工智能算法來搭建專屬化工原理的大數(shù)據(jù)庫。

圖2 抽象工廠模式在化工原理中的類圖

在前一章節(jié)我們對知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行了“類”劃分和碎片化，以類屬性為基礎(chǔ)，知識(shí)點(diǎn)可分為“基本概念”“定律公式”和“綜合運(yùn)用”三大類。之后采用抽象工廠模式對知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行重構(gòu)，對應(yīng)的類圖描述如圖2所示。首先定義一個(gè)抽象工廠類Abstract Factory，底下包含了Factory 1、Factory 2和Factory 3三個(gè)具體的工廠，分別用來提供基本概念、定律公式和綜合運(yùn)用實(shí)例的所有知識(shí)點(diǎn)。而生產(chǎn)出來的產(chǎn)品則是客戶（學(xué)生）需要的產(chǎn)品（動(dòng)量傳遞、熱量傳遞和質(zhì)量傳遞的知識(shí)點(diǎn)）。在此基礎(chǔ)上，建立多個(gè)抽象工廠（多媒體課件數(shù)據(jù)庫、例題數(shù)據(jù)庫、動(dòng)畫flash數(shù)據(jù)庫等），教師可從各工廠中抽取知識(shí)點(diǎn)碎片進(jìn)行動(dòng)態(tài)重組，將構(gòu)建后的教學(xué)內(nèi)容（產(chǎn)品）呈現(xiàn)在學(xué)生面前。

三 化工原理課程動(dòng)態(tài)構(gòu)建實(shí)例

現(xiàn)分別針對本校華羅庚學(xué)院和石油化工學(xué)院的化學(xué)工程專業(yè)學(xué)生開設(shè)化工原理課程，以學(xué)生為主體，充分重視學(xué)生的不同知識(shí)基礎(chǔ)，采用上述思想和構(gòu)建理念對化工原理課程進(jìn)行一定的柔性構(gòu)建和動(dòng)態(tài)重組。

（1）在學(xué)期初課程開始之前，教師先根據(jù)類劃分原則，對各章節(jié)中的內(nèi)容進(jìn)行“碎片化”分類，并定義知識(shí)點(diǎn)的類名稱、類屬性和類方法。

（2）清楚學(xué)生的培養(yǎng)目標(biāo)及學(xué)生的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)。兩個(gè)學(xué)院所設(shè)立的化工專業(yè)均旨在培養(yǎng)具備化學(xué)工程理論知識(shí)、國際化視野、創(chuàng)新意識(shí)及工程意識(shí)，掌握設(shè)備設(shè)計(jì)、過程模擬優(yōu)化的工程技術(shù)人才。本校石油化工學(xué)院的本科生基礎(chǔ)較好，以大班教學(xué)模式為主；而華羅庚學(xué)院為本科生拔尖人才培養(yǎng)特區(qū)，學(xué)生基礎(chǔ)優(yōu)秀，以小班教學(xué)為主。

（3）建立多個(gè)抽象工廠，也就是數(shù)據(jù)庫，如多媒體PPT課件庫、Flash動(dòng)畫庫、例題庫、習(xí)題庫和考題庫等，每一個(gè)工廠下都有若干子工廠存放具有相同類屬性的知識(shí)點(diǎn)，如：基本概念、定律公式和綜合運(yùn)用實(shí)例。在教學(xué)過程當(dāng)中，教師可根據(jù)具體需要從數(shù)據(jù)庫中搜索類名稱，然后直接調(diào)用各模塊，再進(jìn)行一定的動(dòng)態(tài)排列組合，之后便可順利的開展教學(xué)，如圖3所示。例如：在數(shù)據(jù)庫中搜索關(guān)鍵詞“PPT”、“定律”和“熱傳導(dǎo)”后便可得到含有相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的PPT課件。同理還可以搜索得到含有相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的例題和習(xí)題。

圖3 抽象工廠模式下的化工原理教學(xué)內(nèi)容動(dòng)態(tài)組合示例圖

（4）框架搭建完成后，教師便可根據(jù)之前制定的教學(xué)計(jì)劃對選取的模塊中的類方法進(jìn)行修改，針對不同層次不同基礎(chǔ)的學(xué)生，采用合適的方法來闡述知識(shí)點(diǎn)，從而使得教學(xué)內(nèi)容更貼近學(xué)生的專業(yè)。如：針對兩個(gè)學(xué)院的學(xué)生講授熱傳導(dǎo)方程時(shí)，類方法中的平壁和圓筒壁和球壁都需要學(xué)生了解掌握。而針對華羅庚學(xué)院的學(xué)生，則可添加類方法中的球壁導(dǎo)熱方程或非穩(wěn)定態(tài)下導(dǎo)熱方程。由此可見，僅通過修改類方法，教師便可達(dá)到不同的教學(xué)目的。教師還可以添加新的類方法，從而豐富化工原理數(shù)據(jù)庫的資源。此舉不但有利于教師利用現(xiàn)代化手段來組織安排教學(xué)及考核內(nèi)容，而且隨著教學(xué)的開展，還能形成一個(gè)專屬于化工原理的知識(shí)數(shù)據(jù)庫。

四 總結(jié)

在化工原理教學(xué)中借鑒面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)的思想，對化工原理知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行“類”劃分。針對不同的教學(xué)對象，利用軟件設(shè)計(jì)模式中的抽象工廠模式，對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行柔性構(gòu)建及動(dòng)態(tài)組合，以此形成“敏捷教學(xué)”的全新模式。在因材施教、因人施教的基礎(chǔ)上，嘗試引入新 的教育教學(xué)方法對傳統(tǒng)教學(xué)方式進(jìn)行有效的補(bǔ)充。從教學(xué)方法、教學(xué)手段上進(jìn)行改革和創(chuàng)新，真正做到教學(xué)方法手段的現(xiàn)代化和多樣化，培養(yǎng)出滿足“新工科”要求的綜合型、應(yīng)用型人才。