在化工熱力學中對自主學習教學模式的探索*

羅文嘉,張 輝,鄒長軍

（西南石油大學化學化工學院，四川 成都 610500）

1 化工熱力學課程教學在傳統模式下的不足

化工熱力學是化學工程專業的專業核心課程,但同時又是一門難度較大的課程[1]。在傳統教學模式中,教師專注于課堂的講授,而學生只需要在課上聽講,并在課后完成相應的練習與作業。然而在化工熱力學的教學實踐中,這樣的教學模式具有一定的弊端。一是化工熱力學中涉及大量的抽象物理概念,如熵、有效能、逸度、活度等,以及復雜的數學公式推導。學生僅在課堂上單向接受輸入,難以對這些抽象的概念產生深刻的理解,也容易對冗長的數學公式推導過程感到枯燥乏味,失去聽講的注意力。二是化工熱力學中盡管涉及了較為復雜的理論,但也是一門與工程應用有緊密聯系的學科。此外,化工專業的許多其它核心課程,如分離工程、化工設計等,也都需要應用到熱力學的知識。但是,如何將熱力學知識應用于工程實際問題的求解卻是化工熱力學課程教學中常常忽視的問題,從而導致學生在學習了理論之后仍然缺乏解決實際問題的能力。三是教學過程中的反饋與評價機制不合理。教師只能通過作業與考試完成的情況來判斷學生的學習效果,但這樣的反饋不是即時的,而是滯后于教師的授課進度的。而且作業與考試往往只能考查學生對具體知識點的記憶與理解,很難考查學生綜合運用所學知識解決實際工程問題的能力。

針對以上問題,筆者在教學過程中采取了一系列的改進嘗試。我們的策略是增加學生在學習過程中的參與程度,引導學生主動進行探索而不是被動地接受知識。需要注意的是,由于化工熱力學課程內容本身較為復雜,涉及的公式與概念很多,引導學生進行自主學習并不等同于簡單地將教學大綱上規定的內容留給學生進行自學。與此相反,在筆者的教學實踐中,通過改變教學組織方式,在不改變課堂學時數量的情況下,教師為學生提供了更多的講授與指導。在教學實踐中,核心問題是如何激勵與引導學生。這需要教師對布置給學生的學習任務進行精心地設計,并在整個學習過程中給予學生適時、有效的引導。

2 教學組織方式的探索

2.1 線上與線下相結合的教學模式

化工熱力學課程中涉及了較多的數學公式推導,而如何講授這部分內容是教學過程中面臨的一個困難。教師不能在課堂上花費過多學時為學生演示推導過程,既因為課堂學時數量有限,也因為冗長的數學推導過程很容易讓學生失去興趣。另一方面,也不能完全不講授這部分推導內容,而要求學生在課后自學。因為這部分內容較難,相當一部分學生沒有能力也沒有動力通過自學進行鉆研；而同時這部分內容又相當重要,因為缺乏這部分推導過程后,學生就無法理解熱力學知識體系蘊含的內在邏輯。

為了解決這一矛盾,筆者采用了錄制微課視頻的方法。每個微課視頻的長度不超過15分鐘,只解釋一個概念或推導一個重要的公式,例如立方型狀態方程的迭代求解方法、麥克斯韋關系式的推導過程、剩余性質的計算、以及逸度的定義等。微課視頻上傳于網絡課程平臺,每個選課的學生都可以自由觀看,并且教師可以隨時掌握每個學生觀看視頻的情況(是否觀看以及觀看的次數、進度等）。使用微課教學具以下優點:(1）每個學生的基礎與理解能力各不相同,線上微課可讓學生根據自己的進度安排學習,必要時可以重復觀看視頻,避免出現在線上課堂上部分學生因為跟不上教師的節奏而聽不懂課的情況；(2）每個微課視頻只著眼于解決一個問題,短小簡練,容易吸引學生的注意力；(3）筆者在每個微課視頻后都設置了5～10個小問題,學生需要作答后才能完成學習任務。因此學生可以得到即時的練習,而教師也可獲得即時的反饋。如果出現學生回答練習題正確率過低的情況,教師可以有針對性地重新制作微課視頻,將知識點講授得更清楚。(4）微課視頻主要針對課程中的難點。在傳統的教學模式中,對這部分內容的講解占用了大量的課堂學時,卻沒有達到很好的效果。在筆者的教學模式中,這部分內容從線下移到了線上,而節約出來的課堂學時被用于討論互動、案例分析、小組匯報等需要學生主動參與的教學環節[2-3]。整個教學流程的組織形式如圖1所示。

圖1 線上與線下相結合的教學模式Fig.1 Our teaching mode that involves both online and offline activities

2.2 精心設計學習任務，激發學生主動性

為了調動學生的主動性,筆者設計了一系列需要學生積極參與的學習任務。這些學習任務中既包括較為簡單的分組討論與發言,也包括需要花費較多課下時間的開放式問題研究。在筆者的課堂教學中,安排了約三分之一的課時用于研討、案例分析、開放式問題研究結果匯報等由學生作為主導角色的活動。教師作為引導者,在這些活動中為學生提供指導與建議,并掌控教學活動的秩序與進程。這些學習任務的種類多樣,形式靈活,以讓學生高效地掌握課程知識點為原則,同時注重訓練學生運用知識解決實際工程問題的能力。

例如,在講解純物質的三維相圖時,筆者設計了一個基于剪紙的,可以由學生自己在課前動手制作的三維相圖模型。在課堂教學中,與傳統方法不同,教師不直接對內容進行講授,而是要求學生對模型進行觀察,主動總結出三維相圖上各區域對應的相態以及各點、線、面對應的意義,啟發學生觀察在臨界點附近,純物質的相態和溫度、壓力、體積的變化關系,最后再由教師進行總結,提出超臨界的概念。

第二個例子是在講解純物質與混合物的熱力學性質時,不可避免會涉及大量的計算公式。在傳統的教學中,要求學生去記憶這些公式并不能讓學生學會如何在實際的工程計算中使用它們。在筆者的教學過程中,為學生設計了編制計算機程序求解物質的熱力學性質的任務。考慮到化學工程專業學生的計算機編程能力有限,筆者為學生提供了求解程序的模板,包括圖形用戶界面和程序的總體架構。學生只需要補充出程序中涉及熱力學計算的核心代碼,例如狀態方程或剩余性質的求解函數即可讓程序運行起來。這樣可以讓學生專注于熱力學課程的內容,快速上手,通過實踐掌握熱力學的計算方法。這樣的設計可以在很大程度上避免學生由于不熟悉程序設計語言而產生無助感。此外,這個熱力學性質計算程序的編制任務貫穿整個課程。在分別講授到狀態方程、剩余性質、逸度、活度時,會要求學生不斷迭代,增加程序的功能。這樣能更好地讓學生掌握熱力學中各知識點之間的邏輯關系。

第三個例子是,在講解過程熱力學分析時,除了讓學生了解有效能等基本概念,筆者認為更重要的是能讓學生掌握解決實際問題的能力。因此,筆者在教學過程中引入了案例分析。這些案例來自于真實的化工過程,其相關數據可從文獻報道中獲取。在必要時可以對過程進行適度簡化,以適應教學的要求。學生被要求對這些工藝過程進行分析,計算有效能效率等關鍵指標。對于有能力的學生,更可以進一步提高要求,引導他們提出節能增效的方案,從而得到開放式的答案。這樣的案例分析被以分組大作業的形式布置給學生,并要求學生以口頭報告的形式匯報完成的情況。

2.3 因材施教，適應不同學生的學情

如前所述的教學模式在教學實踐中并不是固定不變的,而是根據學生的情況可以靈活掌握。由于化工熱力學課程內容本身難度較大,且學生對先修課程高等數學及物理化學的掌握情況也有較大差異,在教學過程中必須注意對學習出現困難的學生的幫助。在筆者的教學實踐中,由于有微課課后練習及課堂討論等環節,可以在教學過程中較早地發現問題并采取相應的措施。針對部分學生基礎較為薄弱的情況,筆者制作了一系列額外的微課視頻,用以復習熱力學課程中所涉及的多元微積分和物理化學的知識,供有需要的學生觀看。此外,教師可以通過組織學習小組的方式,鼓勵學生之間的相互交流,形成一種督促機制[4]。對于確實沒有能力完成編寫程序、案例分析等學習任務的學生,也可以用完成傳統的作業或讀書報告的形式來代替。

3 課程評價體系的多樣化

傳統教學模式中往往側重于考試的成績,但僅通過期末或期中考試并不能非常準確地衡量學生應用知識解決實際工程問題的能力。因此筆者在教學實踐中,充分考慮了如何評價學生解決實際問題的能力。同時,筆者也考慮了如何通過分數評定的方法引導學生在整個學習過程中積極專鉆,主動學習,而不是僅僅在期末時為了考試分數而突擊學習。

在筆者目前的教學實踐中,課程參與、作業與案例、期末考試三個環節各自對應的成績比例為30%、40%與30%。詳細的成績比例及評定方式如表1所示。

表1 課程分數的構成與評價方式Table 1 The structure and percentage of each contribution of course scores

其中課程參與包括觀看微課視頻與在線上完成練習,在線下課堂上參與討論等環節。只要學生完成了這些環節,均可以得到相應的分數。作業與案例分析的分數評定主要由教師來完成,但學生在課堂上作口頭匯報的環節由教師與學生共同打分。由于我們在案例分析任務中著重于培養學生解決實際問題的能力,評分的標準不是看學生是否得到了所謂 “正確”的結果,而是看學生是否對問題開展了認真細致的分析與研究,是否掌握了主動運用知識的能力。

4 結 語

化工熱力學是化學工程專業的核心課程,其課程目標在于讓學生真正具備利用熱力學知識解決實際工程問題的能力。而這一目標的實現在傳統的、以教師單向灌輸為主的教學模式下是具有一定難度的。筆者在教學模式上的探索正是為了解決這一矛盾,這也是符合目前工程教育專業認證背景下以目標為導向的教育理念的[5]。由于熱力學的知識貫穿于化工專業的其它核心課程,如反應工程、分離工程、化工設計等,如果在教學中能夠設計需要綜合運用多門課程的知識的案例,會更有效地培養學生的工程能力,因此這也是筆者在今后的教學研究中的探索方向。