問題導向式教學在化工分離工程課程中的應用

張麗雷，張靜曉

(洛陽師范學院，河南 洛陽 471934)

新工科建設和轉型是主動應對新一輪科技革命與產業變革的必然要求[1]。高等學校新工科建設的主要目的是培養學生的個人能力、團隊能力和大局意識，這就必然需要對傳統的教育教學方式進行改革。問題導向式教學是建構主義學習理論在以學生為中心的教學過程中的一種重要實現方式，目前，在國內外的本科教育中，被眾多學校的多個專業領域所采用[2-5]。化工分離工程是化學工程與工藝相關專業的核心課程，主要針對化工生產中經常遇到的多組分非理想性物系的分離問題，討論各種分離方法和單元操作的原理和特征，達到將原料或產品濃縮純化的目的，具有理論性和實用性強的特點。為適應化工專業新工科建設要求，本論文以化工分離工程課程為例，構建問題導向式教學模式，用以激發學生的學習興趣，培養學生分析問題、解決問題、和創新思維的能力，提高團隊意識和大局意識，并探討此教學模式中存在的優缺點。

1 教學過程的實現方式

典型的問題導向式教學過程是讓學生參與扮演專業人員，教師提出一個問題，組織學生進行討論并解決問題。在教師的引導下學生參與解決問題的過程，從而使學生學習到新的知識和技能，并培養和提高相關能力[6]。化工分離工程的課程涉及吸收、精餾和萃取等多種單元操作，學生需要理解其基本原理、特點、和應用方式，要求具有扎實的數學和其他化學工程課程的基礎知識。根據問題導向式教學的指導思想和化工分離工程課程的特點，將整個教學過程分為三個階段。

第一階段為課堂教學階段。根據教學目的，將教學內容轉變為問題形式，引導學生如何提出問題，又如何用新的知識去解決問題。這一階段主要針對還沒有接觸過問題導向式教學模式的學生，使其快速適應問題導向式教學的方式和方法，明晰學習的目的，理解所學知識的原理和應用場景。

第二階段為研究報告階段。教師提出一個實際應用場景中的問題，要求學生以團隊形式，綜合本課程學習過的知識，對各個方案進行對比分析，論證問題的解決方案，并提交研究報告。這一階段的關鍵是學生需要在教師的引導下，對所學的各種單元操作用于解決同一問題的可行性進行論證，提出各個操作方式的優缺點，最終選出最優解決方案。

第三階段為工程設計階段。本階段結合全國大學生化工設計競賽，要求學生結合其他基礎課程和化工專業課程的知識，以團隊形式完成比賽的規定內容。鼓勵學生采用新工藝和新手段完成一個工程設計，解決設計過程中遇到的各種困難和問題。

三個階段的學習層層遞進，一方面解決了沒有接觸過問題導向式教學模式的學生的適應性問題，另一方面，可全面培養學生分析問題和解決問題的能力，以便能夠更好地將解決問題的方式方法應用于其他工作場景中。

2 教學效果的評價

采用成績分析和問卷調查的方法對教學的效果進行評價，主要考察與傳統講授型教學效果的對比，以及學生對這種教學模式優缺點的反饋。

首先將60名學生隨機分為兩組，并使兩組學生的學習成績沒有明顯性差異。第一組使用傳統教學方法，第二組使用問題導向式教學方法。對兩組學生的期末成績進行樣本分析，采用獨立樣本t檢驗學生的成績。結果發現，第二組學生的平均成績為78.6分，高于第一組學生的70.3分，具有顯著性差異。另外，采用Pearson參數對學生參與教學過程的活躍程度進行打分，將打分和期末成績進行了相關性分析，結果表明它們之間具有正相關性，相關性參數為0.21，顯著性為0.104，說明問題導向式教學的參與程度會明顯影響學生的學習成績。

眾多研究表明，問題導向式教學可有效地提高學習成績[7-9]。這是由于經過問題導向式學習的學生能夠更好地運用知識，促進其深度學習和解決問題的能力，從而提高參與解決問題的積極性。在教學過程中發現，這些學生也更具有學習的興趣和動力。

通過調查問卷的方法研究了學生對問題導向式教學模式的看法，并確定是否有助于提高其他學習能力。結果表明學生普遍能夠接受問題導向式教學方式，并表明通過這種教學方式學到了更多的知識和技能，并建議其他課程也采用相似的方法。主要的優點包括以下幾個方面：(1)問題導向式教學模式改變了傳統的填鴨式教學，使學生更容易理解知識的應用方式。(2)問題導向式教學模式使學習內容更有趣，學生喜歡絞盡腦汁解決問題的挑戰，并非常欣喜所獲得的知識。(3)為了能夠更好地參與課程，學生會主動地在課前做充分的預習。(4)通過與小組其他成員的對話、商討和爭論，有助于更好地理解知識點。(5)此學習方式提升了學習的動機，學生為了解決問題，會積極地填補自己知識中的空白，而不僅僅是為了考試。

3 討論

世界工程教育的發展表明工科人才培養與工業未來的發展趨勢會保持高度一致[10]。現今是傳統工業化與信息化相互交織形成新工業的轉換期，這也為新工科建設和工程人才的培養提出了新的要求，包括培養學生的個人能力、團隊能力和大局意識。

根據建構主義學習理論，學習是學生根據先前的知識和經驗來建構自己的新知識和信息[7]。問題導向式教學方法鼓勵學生根據所遇到的問題進行自我指導和知識建構。因此，問題導向式教學可看作是建構主義學習理論的一種實現方式。這種教學方式的核心是提高學生解決問題的能力，從而培養知識的學習和應用能力，分析問題和解決問題的能力，工程設計與創新能力；經過團隊合作，學生在小組討論中會積極努力捍衛自己的觀點，并與不同的人交流，提高自信心，從而培養團隊能力。經過綜合性的工程設計訓練，培養大局意識，包括跨學科思維能力，系統思考能力和領導力等多個方面。

然而，結合相關教學經驗發現，問題導向式教學模式在使用過程中還存在以下幾個問題。

(1) 大部分學生不能很快地融入這種教學模式。這是由于大部分學生接受的還是傳統的課堂教學模式，這就需要在教學的初始階段，對參與的學生進行更多積極的引導，從而接受這種教學方法。

(2) 問題導向式教學使學生增加了更多的學習負擔。為了積極參與到課堂和綜合訓練中來，學生需要花更多的準備時間。為了應對這個問題，需要教師更加細致和具有針對性地進行問題的設計和引導，從而更高效地完成培養目標。

(3) 問題導向式教學需要多個課程的密切配合。學生解決一個綜合性問題時，往往需要多學科知識，若其他課程沒有采用相關方法進行教學，或者未重視相關知識應用場景的講授，會使學生在解決這些問題時更加困難。這就需要對教學的理念進行更新，重視知識的應用場景，推廣應用問題導向式的教學模式。

4 結語

我國教育部積極推進的新工科建設與世界工程教育的趨勢契合，也為傳統化工專業的轉型和人才培養提出了新的要求。問題導向式教學方法為教學模式的改革提供了借鑒，為全面培養工程類人才的個人能力，團隊意識和大局意識提供了思路。化工分離工程課程是一門理論性與應用性并重的課程，采用問題導向式教學模式提高了學生的成績，同時提升了工程能力與創新意識，以及合作意識，對新工科課程教學的改革具有一定的借鑒意義。