翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式在化工原理課程設(shè)計(jì)中的實(shí)踐*

鄭大鋒，楊東杰，鐘 理

(華南理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，廣東 廣州 510640)

化工原理課程設(shè)計(jì)是化類(lèi)專(zhuān)業(yè)本科學(xué)生在完成了化工原理課程學(xué)習(xí)后的一門(mén)強(qiáng)化實(shí)踐課程，主要內(nèi)容是對(duì)化工生產(chǎn)過(guò)程的單元操作進(jìn)行實(shí)踐性設(shè)計(jì)[1-2]。通過(guò)該實(shí)踐課程，不僅可以提高學(xué)生工程計(jì)算能力、解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力和創(chuàng)新能力，而且還可建立學(xué)生的經(jīng)濟(jì)意識(shí)，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)精神[3]。因此，化工原理課程設(shè)計(jì)是工科化類(lèi)專(zhuān)業(yè)非常重要的本科教學(xué)環(huán)節(jié)。

化工原理課程設(shè)計(jì)實(shí)踐環(huán)節(jié)與理論教學(xué)脫節(jié)現(xiàn)象嚴(yán)重，導(dǎo)致許多學(xué)生對(duì)要設(shè)計(jì)的單元操作計(jì)算、公式查閱、標(biāo)準(zhǔn)查閱一知半解、甚至完全脫離國(guó)標(biāo)規(guī)范。為提高化工原理課程設(shè)計(jì)的教學(xué)質(zhì)量，我國(guó)化工原理課程一線教師進(jìn)行了大量的探索和實(shí)踐，并已經(jīng)取得了有益的成果[4-7]。但由于歷史和現(xiàn)實(shí)原因，化工原理課程設(shè)計(jì)仍然普遍存在學(xué)生積極性不高、參與度差、設(shè)計(jì)效果差等問(wèn)題[8-10]，導(dǎo)致該課程的目標(biāo)達(dá)成度偏低。如何提高化工原理課程設(shè)計(jì)的教學(xué)效果，實(shí)現(xiàn)課程的目標(biāo)達(dá)成度，是高校有關(guān)老師需要解決的熱點(diǎn)問(wèn)題。

1 翻轉(zhuǎn)課堂的內(nèi)涵及其與化工原理課程設(shè)計(jì)的融合點(diǎn)

翻轉(zhuǎn)課堂又稱(chēng)“顛倒課堂”，其宗旨是將學(xué)習(xí)的主動(dòng)權(quán)交給學(xué)生。從2007年翻轉(zhuǎn)課堂的概念被正式提出以來(lái)，其發(fā)展勢(shì)頭如燎原之勢(shì)，迅速?gòu)拿绹?guó)發(fā)展到全世界，從基礎(chǔ)教育到高等教育領(lǐng)域，成為教學(xué)改革的熱點(diǎn)[11-13]。

翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式體現(xiàn)了教育的人性化[14]。翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)原則是先學(xué)后教，教師主要對(duì)學(xué)生進(jìn)行個(gè)性化輔導(dǎo)。化工原理課程設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是分散設(shè)計(jì)為主，集中授課為輔，并且注重交流合作，因此翻轉(zhuǎn)課堂模式在教育人性化上與化工原理課程設(shè)計(jì)是高度融合的。

翻轉(zhuǎn)課堂模式強(qiáng)調(diào)學(xué)生在課堂中交流討論、分享知識(shí)和思路，從而激發(fā)學(xué)習(xí)的積極主動(dòng)性[15]。現(xiàn)階段化工原理課程設(shè)計(jì)的主要問(wèn)題之一是學(xué)生參與的積極性不高，因此采用翻轉(zhuǎn)課堂模式能較好彌補(bǔ)化工原理課程設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)。

再次，翻轉(zhuǎn)課堂突破了傳統(tǒng)課堂時(shí)間空間的限制，這較好克服了傳統(tǒng)化工原理課程設(shè)計(jì)課堂上教師輔導(dǎo)時(shí)間短、知識(shí)量大的矛盾。

基于此，筆者嘗試在化工原理課程設(shè)計(jì)實(shí)踐課程中采用翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式，摸索合適的教學(xué)方法和手段，以提高化工原理課程設(shè)計(jì)教學(xué)效果，促進(jìn)教學(xué)改革，并引來(lái)他山美玉。

2 翻轉(zhuǎn)課堂模式在化工原理課程設(shè)計(jì)教學(xué)中的具體實(shí)施措施

筆者根據(jù)多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和化工原理課程設(shè)計(jì)的課程目標(biāo)，結(jié)合翻轉(zhuǎn)課堂的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，將化工原理課程設(shè)計(jì)教學(xué)過(guò)程分解為以下模塊。

2.1 線上教學(xué)

目前有關(guān)化工原理課程的慕課建設(shè)已經(jīng)比較普遍。為了充分利用這些資源，筆者直接引進(jìn)國(guó)內(nèi)名校的有關(guān)化工單元操作設(shè)備設(shè)計(jì)和計(jì)算在線課程作為網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源進(jìn)行線上學(xué)習(xí)。如在換熱器設(shè)計(jì)和精餾塔設(shè)計(jì)部分，筆者選擇了蘭州大學(xué)嚴(yán)世強(qiáng)教授在智慧樹(shù)上的開(kāi)放課程《化學(xué)工程基礎(chǔ)》作為教學(xué)資源供學(xué)生學(xué)習(xí)。嚴(yán)教授授課嚴(yán)禁認(rèn)真、邏輯性強(qiáng)，多媒體課件直觀形象，學(xué)生接受度高。同時(shí)，筆者還選擇了天津大學(xué)在中國(guó)大學(xué)MOOC上的《化工原理》作為教學(xué)資源。該開(kāi)放課程適應(yīng)性強(qiáng)，可充分滿足不同專(zhuān)業(yè)學(xué)生的需要。

此外，筆者自己還制作了有關(guān)塔設(shè)備、換熱設(shè)備的結(jié)構(gòu)、工藝計(jì)算、設(shè)備計(jì)算的動(dòng)畫(huà)視頻，并上傳至網(wǎng)絡(luò)云盤(pán)中，供學(xué)生在傳統(tǒng)課堂之前進(jìn)行學(xué)習(xí)。學(xué)生可以根據(jù)自己學(xué)習(xí)能力自主制定學(xué)習(xí)計(jì)劃和進(jìn)度，反復(fù)學(xué)習(xí)，加深理解，并重點(diǎn)標(biāo)識(shí)難點(diǎn)和疑問(wèn)。

2.2 課堂集中教學(xué)

翻轉(zhuǎn)課堂要求課中師生之間保持良好互動(dòng)。筆者在學(xué)生完成線上視頻學(xué)習(xí)后，再根據(jù)化工原理課程設(shè)計(jì)的課程目標(biāo)和知識(shí)點(diǎn)，將課程內(nèi)容分解，采用基于問(wèn)題為中心的教學(xué)模式。每一部分內(nèi)容都圍繞一個(gè)問(wèn)題展開(kāi)教學(xué)，以學(xué)生討論為主，并提出解決方案[16]。如對(duì)于換熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)，筆者先將課程內(nèi)容分解為傳熱面積的估算、換熱管長(zhǎng)及管數(shù)的計(jì)算、殼體內(nèi)徑的計(jì)算、組件的選擇、換熱器的核算和換熱器結(jié)構(gòu)幾大部分。每一部分都設(shè)置一個(gè)中心問(wèn)題，并分別安排獨(dú)立一個(gè)單元時(shí)間集中講解，學(xué)生在解決迷惑后，再進(jìn)行分散討論，形成最終的解決方案，保障課程設(shè)計(jì)的質(zhì)量。對(duì)于學(xué)生在線上學(xué)習(xí)的個(gè)別問(wèn)題，采用一對(duì)一的方式在課中解決。

在精餾塔設(shè)計(jì)課程中，筆者在將課程分解為工藝計(jì)算、結(jié)構(gòu)計(jì)算、機(jī)械計(jì)算、流體力學(xué)性能核算、輔助部件選型等部分。對(duì)于每一部分，筆者也都安排獨(dú)立單元時(shí)間講解，并留出充分時(shí)間由學(xué)生思考討論，在形成自己的解決方案后再進(jìn)入下一單元的學(xué)習(xí)。

2.3 線下設(shè)計(jì)

在完成視頻學(xué)習(xí)、集中講解的基礎(chǔ)上，筆者給每位學(xué)生安排了內(nèi)容不同的設(shè)計(jì)任務(wù)。如針對(duì)換熱器課程設(shè)計(jì)，筆者分別安排了不同原料溫度、不同冷卻溫度、不同流量、不同換熱器形式的設(shè)計(jì)任務(wù)，使每位學(xué)生均有獨(dú)立任務(wù)，避免相互抄襲。針對(duì)精餾塔的設(shè)計(jì)，筆者給每位學(xué)生布置了乙醇-水體系、正戊烷-正己烷體系的分離設(shè)計(jì)。同一體系要求產(chǎn)品純度不同、產(chǎn)量不同、精餾塔形式不同。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，學(xué)生只能互相合作，難以生搬硬套。

在共性的設(shè)計(jì)問(wèn)題上，要求學(xué)生分工協(xié)作，互相討論。如在精餾塔課程設(shè)計(jì)中，計(jì)算內(nèi)容涉及物料衡算、熱量衡算、相平衡關(guān)系與傳遞速率、主要設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與附屬設(shè)備選用等，計(jì)算量大，往往涉及非線性方程組求解及非平衡級(jí)的計(jì)算，手算較難完成，因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中要求學(xué)生采用計(jì)算機(jī)、練習(xí)使用各種計(jì)算軟件編程完成設(shè)計(jì)計(jì)算。筆者鼓勵(lì)學(xué)生之間互相幫助，必要時(shí)組成幾個(gè)計(jì)算小組共同編程完成設(shè)計(jì)計(jì)算。在制圖過(guò)程中，為培養(yǎng)學(xué)生在今后實(shí)際工程設(shè)計(jì)中的計(jì)算機(jī)能力，筆者鼓勵(lì)學(xué)生采用 Aspen plus、PRO II、Auto CAD軟件繪制設(shè)備圖、工藝流程圖和模擬結(jié)果。在制圖階段，筆者安排幾位已掌握Auto CAD軟件的學(xué)生在課堂上為全體學(xué)生講解該軟件的使用方法和竅門(mén)。

2.4 課后評(píng)價(jià)和反思

化工原理課程設(shè)計(jì)是考查課程，目前常用的考核方法是平時(shí)表現(xiàn)+說(shuō)明書(shū)+圖紙質(zhì)量+答辯。如何科學(xué)合理評(píng)價(jià)課程的學(xué)習(xí)效果，也是提高化工原理課程設(shè)計(jì)質(zhì)量的關(guān)鍵。

在化工原理課程設(shè)計(jì)采用翻轉(zhuǎn)課堂模式，有助于建立更為科學(xué)的線上與線下相結(jié)合的考核體系。利用線上平臺(tái)，可以客觀、高效反映學(xué)生線上學(xué)習(xí)的情況，為更合理評(píng)價(jià)學(xué)生的平時(shí)表現(xiàn)提供了科學(xué)依據(jù)。同時(shí)，線上平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)自我評(píng)價(jià)、生生互評(píng)、教師點(diǎn)評(píng)，構(gòu)建多元的綜合評(píng)價(jià)體系，改革傳統(tǒng)的化工原理課程設(shè)計(jì)考核系統(tǒng)。

線下評(píng)價(jià)仍然是必要的考核手段。結(jié)合翻轉(zhuǎn)課堂和信息化輔助教學(xué)手段的應(yīng)用，筆者增加了計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力考核。如在裝配圖和流程圖繪制中，筆者鼓勵(lì)學(xué)生采用Aspen plus、PRO II、Auto CAD軟件繪制。

課后反思，持續(xù)改進(jìn)是翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)的特點(diǎn)。根據(jù)課程評(píng)價(jià)結(jié)果，學(xué)生可以反思是否已經(jīng)達(dá)到預(yù)期的學(xué)習(xí)效果，探索原因，提升學(xué)習(xí)能力。教師也可以根據(jù)課程總的考核結(jié)果，反思課程目標(biāo)是否已經(jīng)達(dá)成，如果某一部分沒(méi)有達(dá)成，應(yīng)該從哪些方面加以完善，從而有目的的加強(qiáng)教學(xué)，持續(xù)改進(jìn)教學(xué)效果。

3 改革成效與展望

實(shí)踐初步證明，在化工原理課程設(shè)計(jì)中采用基于翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式，并將線上與線下學(xué)習(xí)有機(jī)融合，能在較短時(shí)間內(nèi)有效強(qiáng)化和鞏固化工單元設(shè)備設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，并能充分激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主體性和積極性。近兩年，參與改革的班級(jí)學(xué)生設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)撰寫(xiě)的規(guī)范性、設(shè)計(jì)方案的合理性、工藝計(jì)算的正確性方面比改革之前有所改善。筆者從工程知識(shí)、設(shè)計(jì)解決方案和使用現(xiàn)代工具等方面進(jìn)行了課程目標(biāo)達(dá)成度分析。在設(shè)計(jì)解決方案上，課程目標(biāo)達(dá)成度提高了約8%；工程知識(shí)上，課程目標(biāo)達(dá)成度提高了約6%。但由于實(shí)踐時(shí)間有限，此教學(xué)改革仍需要進(jìn)一步完善。下一階段，筆者計(jì)劃開(kāi)發(fā)一門(mén)化工單元設(shè)備基礎(chǔ)的在線開(kāi)放課程，并進(jìn)一步優(yōu)化線下課程知識(shí)模塊，重點(diǎn)解決學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程中的疑難點(diǎn)，回歸學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中的主體作用，力爭(zhēng)打造化工原理課程設(shè)計(jì)金課。