結合虛擬仿真技術和對分課堂的化工原理教學改革初探

郭芬芬王 平郭 磊李冠喜 劉柏玲

（1.曲阜師范大學生命科學學院 山東·曲阜 273165；2.曲阜市姚村鎮小學 山東·曲阜 273105）

隨著信息技術在教學領域中的應用，虛擬仿真實驗教學成為實驗教學的重要組成部分。虛擬仿真技術是現代教育的一種新興輔助技術，可利用圖形、動畫、視頻等計算機手段，依托虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫和網絡通訊等技術，構建高度仿真的虛擬實驗環境和實驗對象，學生在虛擬環境中開展實驗，達到提高實驗技能的目的。虛擬仿真實驗教學是高等教育信息化建設的重要內容，經多年努力，已建設數百個國家級虛擬仿真實驗教學中心。虛擬仿真實驗教學與專業實驗密切結合，與實驗教學并不矛盾，為實驗教學提供了重要補充，為實驗教學改革提供了新的方向[1]。

根據本科教學評估“以本為本”的要求，要求教師授課應以學生為中心，避免以講授為主、師生互動為輔的傳統教學模式。而復旦大學張學新教授于2014年提出的對分課堂正是體現以學生為中心、教師為引導的一種新型教學模式。對分課堂的核心理念是一半課堂時間由教師講授，一半留給學生討論進行交互式學習。對分課堂強調先教后學，教師講授在前，學生學習在后。但它不僅僅是簡單的一分為二，對分課堂教學模式的實施分為講授（Presentation）、內化吸收（Assimilation）和討論（Discussion）三個過程，因此對分課堂也可稱為PAD課堂[2]，其關鍵創新在于講授和討論之間留給學生一定時間自主學習，針對性地內化吸收。張教授率先在心理學研究方法與實驗設計課程上嘗試此教學方法，得到不少師生的青睞[3]。對分課堂是“精講-留白式”講授，聚焦于知識結構的重點和難點，把細節留白給學生，學生在內化吸收和討論中完成深入學習[3]。對分課堂教學模式在教師層面上可以降低課堂教學勞動負荷，提高工作效率，是解放教師的一種方式；在學生層面上可以極大地提高學生的學習興趣，增強學生學習的成就感[4]。目前，對分課堂已被納為上海市新教師培訓課程、中小學教師“國培計劃”（中小學教師國家級培訓計劃）的國培項目和全國高校教師網絡培訓中心的培訓課程。全國數千名教師已將對分課堂應用在實踐教學中，獲得了良好效果，得到了廣泛認可[5-6]。

化工原理課程難度相對較大，對于化工、生工、食品類等專業，化工原理又具有由理及工、承上啟下的橋梁作用，對專業課程打基礎、培養學生工程思維起著至關重要的作用。如何培養并增強學生的工程實踐能力、降低學習難度、提高學習興趣成了亟須解決的問題。而虛擬仿真技術的成熟和對分課堂教學模式的引入，對提高學生實踐能力和課程教學質量具有重要意義。

1 化工原理教學中的問題

實踐操作能力是化工原理重要的課程目標，但實踐教學的開展有著重重困難，如實驗教學場所和設備數量的限制，學生多人一組，獨立動手的機會少，甚至不敢動手；綜合性實驗從準備到觀察記錄，耗時長，實驗效果不理想，也無法讓每個學生都在設備上獨立完成；化工企業生產的高溫高壓易燃易爆的危險性和生產過程的復雜性，不允許學生實習時動手操作，企業講解時因時間有限無法做到詳細系統以及工廠環境嘈雜講授內容聽不清等，實習走馬觀花，實踐效果有限。化工原理理論與實踐脫節，學生工程思維培養受限。

化工原理課程難度相對較大，重理解、重系統性的學習，課堂學習任務重。為了在有限的課堂時間內詳盡完整地將知識講授給學生，教師將課堂時間占滿，導致學生課堂參與度低，缺少獨立思考的機會，不能發掘學習的樂趣，逐漸喪失學習的積極性。因此，引入虛擬仿真實踐教學結合對分課堂的教學模式對培養學生工程實踐能力和改善課堂教學效果具有重要意義。

2 化工原理教學方法

2.1 虛擬仿真技術的運用

虛擬仿真技術是現代教育的一種新興輔助技術，可利用圖形、動畫、視頻等計算機手段，構建高度仿真的虛擬環境，達到提高實踐技能的目的。化工原理和生產實踐聯系緊密，首先通過工廠視頻和圖片資料，讓學生對實際生產過程有完整系統的了解，然后通過3D技術真實全面地還原實際生產中的各個環節，使學生對虛擬環境有較真實的體驗，對原料到產品的整個生產流程有全面系統細致的認識。學生通過設定各個操作條件，開關閥門，物料參數，掌握原料從進料開始，直至產品產出的整個生產工藝過程。不僅讓學生學會物料的流動和流向，各工段的連接順序、各工段包含哪些單元操作及操作原理，用到了哪些設備及如何操作，各單元操作中物料的傳遞等，更重要的是學會當遇到突發危險事故，如突然溫度升高，壓力增大，怎么通過調節操作條件，開關閥門去解決實際問題，鍛煉了學生應對突發事故的能力，而這些都是傳統實驗及工廠實習中很難學到的[7]。

對特定生產環節的典型設備和操作進一步用動畫生動形象地展示單元操作中物質傳遞或傳熱的過程，加深對課堂理論知識的理解和設備的了解。通過實驗操作及相應現象的展示和錯誤操作的演示，鍛煉學生對設備的操作能力和對生產過程的認識。通過3D交互操作，使不可視、不可及、高風險等化工生產過程直觀形象，人機交互，操作性更強，學生能親手操作，觀察現象，記錄數據。解決了學生不敢動手、不能獨立操作的傳統教學弊端，更好地培養了學生的實踐能力和創新能力，并幫助消化和鞏固學生所學的化工原理理論知識，做到理論與實踐相結合。

2.2 和生活生產實踐相結合

實踐源于生活，在課堂講授中，從生活中熟悉的場景中選取案例，深入淺出，將復雜的知識點簡單化，如揚塵的沉降過程和原理，保溫瓶的保溫原理，暖氣加熱室內空氣的傳熱過程，暖氣片不熱需要排氣的原因，夏天路面溫度高進而可一定程度上減少霧霾的原理，瀝青路路面溫度較高的原因，過濾離心等基本實驗操作原理等，讓學生切實感受到課堂知識和生活聯系緊密，對知識有具體化的認識，并能學以致用。

在教學過程中，注重與企業生產實踐結合。以工廠中遇到的實際生產問題為案例，通過小組討論、師生探討或指導學生查閱文獻，指導學生解決生產實際問題，真正做到學以致用，并能進一步理解鞏固理論知識，做到理論與實踐相輔相成。

2.3 對分課堂的運用

化工原理課程難度相對較大，重理解、重系統性的學習。教師一直講，學生難免一時注意力不集中導致跟不上而極大地降低課堂學習效率，影響學習興趣和積極性。采用對分課堂，可以留給學生獨立思考和理解消化的時間，從而系統性地掌握知識點，形成自己的認知結構，培養學生的思維能力，提高課上學習效果。并能及時發現問題、提出問題、解決問題，增強學生創新能力和綜合素質的培養。小組討論和師生討論提高了學生課堂參與度和思考能力，充分調動學生的學習積極性，激發學習熱情，提高課堂學習效率。并通過思考題的設置和交互式探討，進一步幫助學生深入理解、真正掌握課堂知識。

3 結語

化工原理課程難度較大，但同時和生活生產實踐聯系緊密，通過運用虛擬仿真技術彌補實踐上的短板，并結合密切聯系實踐的教學方法和對分課堂的教學模式提高課堂教學效果，從而達到培養學生實踐和學以致用能力的目的。通過實踐和創新，虛擬仿真技術和對分課堂教學模式在教學中的運用將會更加成熟和完善。