“顛覆認知”策略在《化工原理》教學中的應用

丁美麗 陳慕華 顧曉利 張雄飛 馮 藝 朱玉香 王 潔 姚建峰

(南京林業大學 化學工程學院，江蘇 南京 210037)

《化工原理》是化學工程類及相近專業的一門專業基礎課程，在公共基礎課和專業課之間起到了非常重要的橋梁作用[1]。課程主要運用自然科學的原理考察、解釋和處理工程實際問題，從理論上闡明化工生產中流體流動、傳熱、蒸餾等各個單元操作過程的基本原理，典型設備的結構、工藝尺寸計算和選型，探索強化過程的途徑，通過課程學習、實驗操作和課程設計，培養學生處理工程技術中一般問題的綜合能力，為其以后的專業課學習奠定良好的基礎。

本文基于對化工原理課堂教學現狀的分析，探索“顛覆認知”策略在化工原理教學中的應用，旨在激發并充分發揮學生的主觀能動性，引導學生理解該課程的概念、原理及典型化工設備的設計與選型，最終實現課堂教學整體效果與質量的提升以及學生實踐意識、工程意識和創新意識的培養。

1 化工原理課堂教學現狀分析

化工原理課程主要基于物理、化學、數學等自然科學基本原理，如質量守恒、能量守恒、平衡關系等，研究各化工單元操作的基本原理、典型設備的構造及工藝尺寸的計算或造型，并能用以分析和解決工程技術中的一般問題。該課程涉及到很多學生在公共基礎課程中未接觸過的基本概念、知識點以及工程計算公式，學生在課程學習過程中普遍認為該課程內容龐雜，符號和計算公式記憶難度大[2,3]，很快就喪失了對該課程的學習興趣。傳統化工原理課堂教學多以講授法為主，教師通過敘述、描繪、解釋和推論等方式對學生進行較為直接的課程知識灌輸，這使得學生很難在整節課堂中都保持高度的注意力，長此以往還會造成學生對教師的依賴心理，從而在很大程度上抑制了其學習的獨立性和自主性。不僅如此，由于化工原理課程每一章的知識關聯性很強，學生在課程學習初期如果無法進入狀態很容易對后面章節的學習產生畏懼心理，更無法做到對知識點的融會貫通和舉一反三，進而嚴重影響學生各方面的能力培養。

2 “顛覆認知”激發學生學習動力，提高教學質量

美國著名教育心理學家奧蘇伯爾將學校情境中的學業成就動機分為認知內驅力、自我提高內驅力和附屬內驅力[4]。對于正值青年期的大學生而言，他們的學業成就動機主要為認知內驅力和自我提高內驅力。他們希望通過學習來理解事物、掌握知識、解決問題或是由自身學業成績而獲得相應的地位和威望。因此，打破傳統課堂教學模式，通過合適的教學策略來激發學生的認知內驅力，調動學生的學習積極性，引導學生主動參與知識的建構，提升教學質量的同時加強師生之間的互動[5]，是目前化工原理課程教學亟需解決的一個重要問題，同時也是化工原理課程教學改革值得深入探索的問題。

有鑒于此，結合化工原理課程的特點，我們在考慮學生的認知發展水平和已有的知識經驗基礎上，利用“顛覆認知”策略從以下三個方面對該課程進行教學改革，讓學生在學習過程中對自身原有認知出現顛覆，對課程內容產生濃厚興趣，從而主動打破原有認知架構，并在教師的引導下積極主動地重新構建新的思維方式和知識網絡，真正做到將“要我學”轉變為“我要學”。

2.1 顛覆認知策略用于概念教學

化工原理課程涉及很多基本概念學習，而好的基本概念學習效果又為原理學習奠定了良好的基礎。為改善概念教學的整體效果，教師可以在課堂教學的導課環節利用顛覆認知策略巧妙地吸引學生的注意力，引導學生對現象背后的原因或本質進行刨根問底式的追問和思考，然后自然過渡到概念教學，讓學生更容易接受和理解很多基本概念。

以傳熱的三種基本方式為例，教師在課堂導入階段提出問題：“我們用手觸摸冰塊都會覺得冰很冷，那么如果我們用冰塊搭建房子是否會感覺很涼快？”多數學生會根據生活經驗回答：“是的。”這時教師再提問：“如果用冰塊建的房子令人感覺涼快，那為什么生活在北極的因紐特人還會住在冰屋內呢？”學生面對與自身以往認知完全不同的現象時會產生極強的好奇心。由此，教師告訴學生：“其實因紐特人用冰建造的冰屋內部是很暖和的，今天就讓我們從傳熱的三種基本方式一起來揭示冰屋保暖的奧秘。”此時，學生對本節課程的學習內容產生了濃厚的興趣，同時也希望通過學習相關知識了解傳熱的三種基本方式分別是什么以及這些傳熱的基本方式在冰屋保暖中又分別起到了什么樣的作用。在整個概念教學過程中，學生學習的主觀能動性被調動，會主動參與到概念的理解和分析中，并與教師給出的結論相比較，不斷進行自我反思，課堂參與度大幅度提高，對于基本概念的理解也更加高效。

2.2 顛覆認知策略用于原理教學

原理教學往往需要建立在概念教學的基礎之上，比起概念教學也更為復雜。因此，學生強烈的學習動機是原理教學得以有效進行的重要前提。化工原理是一門實踐性很強的課程，倘若教師在原理教學中能夠聯系生活實例，利用顛覆認知策略使學生對自身無法解釋的現象產生迫切的求知心理，就可以快速讓同學進入最佳的學習狀態，以達到較好的教學效果。以流體流動中的伯努利原理為例，教師在課堂中可以與學生一起完成小實驗，嘗試用幾口氣將一個氣球吹大。實驗成功后，教師提問：“如果將氣球換成一個又長又大的塑料袋，我們還可以吹幾口氣就將塑料袋吹大嗎？”即使不經過實驗，多數學生憑借自身經驗也會得出無法實現該目標的結果。這時教師可以親自演示實驗過程或直接利用相關網絡視頻資源告訴學生，這個目標其實是可以實現的，使學生產生認知沖突并對難于解釋的現象背后的本質或因果規律產生強烈的興趣。此時教師直接給出簡單解釋：“離袋口遠一點吹塑料袋，會使得塑料袋口處因流體流動產生低壓，大氣壓就會將氣體壓入到塑料袋中，因此我們只需幾口氣就可以將一個又長又大的塑料袋吹大，這其實利用到的就是我們今天要學習到的伯努利原理。”在學生對伯努利原理有初步印象后，再逐步引導學生學習和理解伯努利方程，最后通過伯努利方程再總結出相應規律即伯努利原理：等高流動時，流速大，壓力就小。

通過創設豐富的情境使學生對已有生活經驗的認知產生顛覆，可以讓學生迅速對眼前的事物產生高度的興趣，也更愿意主動了解相關原理[6]。教師在此基礎上加以適當引導，讓學生發現問題并利用所學知識分析問題，最后幫助學生深入理解相關原理并總結相應的基本規律。如此開展原理教學，有利于學生在牢固掌握相關原理的同時獲得課程原理的學習方法。

2.3 顛覆認知策略用于化工設備教學

根據工程教育專業認證理念，化工原理課程近年來在教學大綱、教學條件、考核機制等多個方面都進行了全面改進，以期培養學生的工程素養以及創新、應用與分析能力[7]。其中，對于化工原理課程中的化工設備，需要學生在學完課程以后能夠針對單元操作過程的特性，確定單元操作主體設備的類型和操作條件，并進行單元操作設備的設計優化。為了加強學生對于化工設備相關內容的理解，在化工設備教學過程中，教師可以適當設置問題障礙情境，使學生形成認知沖突，教師由此引導學生主動獲取知識并解決問題，最后教師對該化工設備的相關原理與設計優化進行歸納總結。

如講授流體輸送機械中的離心泵時，對于離心泵基本方程，在了解葉片不同的彎曲形式形成不同大小的流動角對于離心泵理論壓頭大小的影響規律—當使用后彎葉片時流動角小于90度則理論壓頭值較小，而當使用前彎葉片時流動角大于90度則理論壓頭值較大的基礎上，教師提問“根據此規律，我們應該在設計或使用離心泵時選擇何種葉輪？”因為前面剛學習流動角對于離心泵理論壓頭大小的影響規律，大部分學生都會選擇具有前彎葉片的葉輪。此時教師可以直接給出結論“事實上在工業生產中離心泵多用后彎葉片”。學生在面對與其分析結果不同時會產生求知懸念，基于此，教師從理論壓頭、靜壓頭和流動角的關系曲線圖引導學生分析三者之間的關系，與學生共同總結在流動角不斷變化過程中離心泵理論壓頭與靜壓頭的變化規律，最終由學生自主分析解決問題，并得到結論：雖然使用前彎葉片流動角大于90度時理論壓頭值較大，但其中動壓頭比例也較大，為了避免因過大動壓頭造成能量轉換時產生較大的能量損失，應該使用后彎葉片。

如此，根據所學內容創設問題情境，用問題有效啟發學生思考，在學生因實際結果感覺內心受到巨大沖擊以后，引導他們主動參與教學過程，深入探究相關規律，從而準確理解典型單元操作設備的合理結構和設計計算等。

3 結語

不憤不啟，不悱不發，學生在認識顛覆時產生的強大好奇心可以促使學生主動參與學習。因此，教師在充分考慮學生認知水平的基礎上，利用顛覆認知策略適當設置認知沖突可以顯著提高學生的求知欲望和對化工原理課程知識點的關注度，促使學生不斷發現問題；此外，在教師的引導下，學生可以自主構建新的知識網絡，提高其對課程知識的理解力，有效提升課程教學效果同時培養學生綜合工程能力，為國家培養高素質應用型人才。