混合式教學(xué)在“化工原理實驗”中的應(yīng)用與探索

陳霞，王亞琴，金杰

（安徽建筑大學(xué)材料與化學(xué)工程學(xué)院，安徽合肥230022）

“化工原理實驗”是“化工原理”課程的實驗部分，屬于工程實驗范疇，也是工程實踐教學(xué)的開始。課程內(nèi)容包括與“化工原理”課程密切相關(guān)的各個單元操作的實驗部分，一般基于動量傳遞、熱量傳遞、質(zhì)量傳遞多方面多層次的開設(shè)演示、驗證、綜合、創(chuàng)新等類型的實驗。通過本課程的學(xué)習(xí)，希望學(xué)生鞏固和深化“化工原理”課程的理論知識，熟悉現(xiàn)有生產(chǎn)過程中的各種單元操作，掌握“化工原理實驗”的基本技術(shù)和操作技能，深化對傳遞過程的理解；并且具備分析和解決單元操作中各種問題的能力，在科學(xué)研究和生產(chǎn)實踐中對設(shè)備應(yīng)具有操作管理、設(shè)計、強化與過程開發(fā)的本領(lǐng)。但在教學(xué)過程中存在學(xué)生主動性不足，訓(xùn)練效果不佳等諸多問題。如何幫助學(xué)生順利進行化工原理實驗，達到教學(xué)預(yù)期目標，就必須對課程教學(xué)進行研究，在教學(xué)方法和教學(xué)手段方面進行改革，結(jié)合化工生產(chǎn)與發(fā)展實際，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情，進而提高教學(xué)質(zhì)量。

目前，基于教育信息化的要求和發(fā)展，國內(nèi)高校都十分重視線上課程的教學(xué)，最近利用網(wǎng)絡(luò)的實驗教學(xué)改革也相應(yīng)增加，應(yīng)運而生的虛擬仿真實訓(xùn)系統(tǒng)是教育信息化建設(shè)和實驗教學(xué)示范中心建設(shè)的重要內(nèi)容。虛擬仿真實訓(xùn)系統(tǒng)的開發(fā)有利于提高學(xué)生的創(chuàng)新和實踐能力，推動信息化條件下自主學(xué)習(xí)、探究學(xué)習(xí)、協(xié)作學(xué)習(xí)等實驗、實踐教學(xué)方法改革，提高教學(xué)能力，豐富教學(xué)內(nèi)容，拓展實踐領(lǐng)域；又對于學(xué)生的團隊協(xié)作精神、吃苦耐勞和堅忍不拔的毅力培養(yǎng)起到了積極作用，滿足化工行業(yè)對工程技術(shù)人才越來越高的要求。

本文首先對本校“化工原理實驗”教學(xué)中存在的普遍現(xiàn)象進行分析，在此基礎(chǔ)上，鑒于該課程的目標，提出結(jié)合虛擬仿真實驗和實體實驗的線上線下混合式教學(xué)手段，打造在線課程與課堂教學(xué)、線上實驗與線下實驗相融合的混合式實驗課程，從而開拓出一條適合化工類專業(yè)技能人才培養(yǎng)的“化工原理實驗”課程模式。

1 “化工原理實驗”課程教學(xué)中存在的問題

工科類專業(yè)的“化工原理實驗”課程教學(xué)中存在以下一些共性的問題：

（1）實驗前預(yù)習(xí)效果不佳，雖然每個實驗均配備了對應(yīng)的實驗報告及預(yù)習(xí)計劃，但多數(shù)學(xué)生僅根據(jù)實驗教材進行了抄寫工作，不僅沒有對實驗背景理論知識進行深入思考，同時因未能到實驗室對照設(shè)備進行觀察，其對實驗設(shè)備結(jié)構(gòu)和操作過程一知半解甚至一無所知。

（2）實驗過程中主動性不夠，實驗教學(xué)目前大多采用傳統(tǒng)模式，即強調(diào)教師講授，學(xué)生按照老師所教的步驟一步一步進行操作，很少有同學(xué)主動思考其過程步驟，對實驗過程提出不同的操作可能性和后果分析。且“化工原理實驗”自動化程度高，多數(shù)學(xué)生只需要記錄數(shù)據(jù)等機械地完成實驗流程，并不能理解前后各操作的目的和原因，以及對應(yīng)的知識點。更有甚者，少量學(xué)生上實驗課時完全不關(guān)心過程，僅等待同組同學(xué)的數(shù)據(jù)。這些必將導(dǎo)致學(xué)生對實驗課程的學(xué)習(xí)效率和學(xué)習(xí)熱情不高；而教師由于要演示和指導(dǎo)學(xué)生使用設(shè)備、記錄數(shù)據(jù)，難以調(diào)動每一位同學(xué)的積極性。

（3）實驗考核方式不夠嚴格，實驗報告流于形式，目前實驗考核方式不夠細化，雖然有預(yù)習(xí)、過程和報告分，但不能體現(xiàn)出差距，教師也無法精準掌握每一位同學(xué)實驗前后的過程情況。同時，學(xué)生的實驗報告質(zhì)量較差，一是雷同性過高，3～4位同學(xué)一組，其報告相似，甚至部分學(xué)生在實驗過程中未參與到操作中去，最后撰寫實驗報告時就只能照搬照抄；二是多數(shù)同學(xué)對實驗數(shù)據(jù)的處理不夠完善，或者處理的方法有誤，最后的思考和討論更是流于表面。

（4）實驗設(shè)備多數(shù)較為簡單，因為場地、學(xué)時等限制，實體實驗設(shè)備多數(shù)對應(yīng)知識點單一，結(jié)構(gòu)和操作過程較為簡單，無法進行化工過程中常見的綜合大型實驗過程。這不僅不利于拓寬學(xué)生的視野，培養(yǎng)學(xué)生自主思考的創(chuàng)新精神和團隊合作精神，也無法體現(xiàn)學(xué)生之間的差異。

因此，為了滿足學(xué)科專業(yè)發(fā)展的需要、社會的需要和學(xué)生的需要，對“化工原理實驗”進行教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)手段的改革非常迫切和有必要。

2 線上線下混合式教學(xué)的改進

根據(jù)教育信息化的要求和發(fā)展，學(xué)院針對性地購買了虛擬仿真實驗，打造線上實驗與線下實驗相融合的混合式實驗課程，推動信息化條件下自主學(xué)習(xí)、探究學(xué)習(xí)、協(xié)作學(xué)習(xí)等實驗、實踐教學(xué)方法改革，提高教學(xué)能力，豐富教學(xué)內(nèi)容，拓展實踐領(lǐng)域，降低成本和風(fēng)險，開展綠色實驗教學(xué)，最終培養(yǎng)實用和科研結(jié)合型人才。

2.1 教學(xué)內(nèi)容更新，提高學(xué)生預(yù)習(xí)的有效性

本學(xué)院購買的虛擬仿真過程不僅包括常見的流體輸送、熱交換操作、精餾、萃取等化工原理實驗項目，還包含丙烯腈3D虛擬現(xiàn)實仿真、乙醛氧化制醋酸工藝仿真、雙塔精餾單元3D仿真、多效蒸發(fā)工藝3D仿真等綜合大型工藝過程或典型高溫高壓化工傳遞過程。其實用性和復(fù)雜性可以更好地對應(yīng)課程知識點，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，鼓勵學(xué)生提出一些工藝流程實驗方案的改進，培養(yǎng)其良好的創(chuàng)新能力和科研素養(yǎng)。除了這些新增的綜合實驗仿真中具備的完善的背景知識、預(yù)習(xí)及操作內(nèi)容，教師也可以利用線上資源，通過錄制視頻等手段，指導(dǎo)學(xué)生全面了解實體實驗設(shè)備的使用，實驗主要操作技術(shù)等，與虛擬仿真過程進行對照分析，使學(xué)生可以不受時間和場地的限制。同時，根據(jù)虛擬仿真能更細化預(yù)習(xí)指標，在線上提交各種不同的預(yù)習(xí)結(jié)果并與老師進行交流互動，提高預(yù)習(xí)的有效性。

2.2 教學(xué)手段改革，增強學(xué)生實驗操作興趣

根據(jù)虛實結(jié)合、相互補充的建設(shè)原則，依托學(xué)院提供的解決復(fù)雜問題的大型工藝過程和典型傳遞虛擬仿真學(xué)習(xí)資源，“化工原理實驗”課程采用線上虛擬仿真實驗和線下實體實驗相結(jié)合的混合式教學(xué)手段，探索復(fù)雜工段的機理與深層次問題的可靠、安全和經(jīng)濟性，模擬真實實驗難以完成的復(fù)雜先進化工工程系統(tǒng)分析、驗證與預(yù)測，以適應(yīng)工業(yè)化、信息化融合訓(xùn)練和創(chuàng)新訓(xùn)練的教學(xué)需要。如精餾綜合實驗，既包括與實體實驗相同的開車、停車，全回流和部分回流操作，還包括液泛、霧沫夾帶等異常處理，進料溫度、回流比、不同壓力等參數(shù)變化操作。讓學(xué)生通過“理論授課-虛擬實驗-實物實驗”相融合的學(xué)習(xí)，深刻體會化學(xué)工程與工藝生產(chǎn)各個環(huán)節(jié)的核心內(nèi)容，達到更深入、更好的教學(xué)效果。尤其是在網(wǎng)上虛擬仿真實驗過程中，可以進行完整工段的學(xué)習(xí)和具體設(shè)備的操作，并依據(jù)提示，逐步完成從原料到產(chǎn)品生產(chǎn)的整個過程操作，極大地增加了學(xué)生實驗過程的興趣。

2.3 完善考核手段，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新、協(xié)作意識

傳統(tǒng)的實驗課堂考核手段主要是基于學(xué)生實驗前的預(yù)習(xí)報告和實驗課后的實驗報告，中間操作過程只有含糊的實驗過程總分，不僅無法具體實時了解學(xué)生的學(xué)習(xí)掌握情況和差異性，還使得學(xué)生更注重結(jié)果和報告撰寫而忽略了具體實驗過程，導(dǎo)致學(xué)生為了刻意追求正確的實驗結(jié)果而失去了對科學(xué)性和非穩(wěn)態(tài)工況的探討，甚至通過抄襲獲得高分。采用線上線下相結(jié)合的混合式教學(xué)，可以改變以往的考核方式，不僅利用線上資源進行預(yù)習(xí)，根據(jù)視頻學(xué)習(xí)和答題情況實時獲得預(yù)習(xí)分。以精餾綜合實驗為例，其課前預(yù)習(xí)包括知識點講解、題庫訓(xùn)練和拓展考試、設(shè)備仿真練習(xí)等部分，在實驗過程中，操作步驟可按工段、按步驟操作給分，結(jié)合線下實驗，可提供實際的結(jié)果記錄及處理過程，加強了學(xué)生之間的協(xié)作與差異；最終的實驗報告更側(cè)重于對實驗的分析、思考和總結(jié)。這樣的考核方式可以加強學(xué)生實驗過程中的參與度和整體實驗后的創(chuàng)新協(xié)作能力。

2.4 提高教師素質(zhì)，實踐教學(xué)改革

以學(xué)生為主體，采用線上虛擬仿真和線下實體實驗相結(jié)合的綜合性、創(chuàng)新性實驗對教師自身素養(yǎng)具有不斷審視的作用，將會促進教師改變教學(xué)觀點，不斷加強教學(xué)基本功，積極參加本學(xué)科的教學(xué)研究。同時，通過學(xué)生在實驗過程中對知識的掌握程度，發(fā)現(xiàn)在理論課堂教學(xué)中可以進行加強或改進的地方，促進教師以學(xué)生發(fā)展為主，改變知識的單向傳播方式，注重個性差異，最終在傳授學(xué)生知識技能的同時培養(yǎng)學(xué)生自我學(xué)習(xí)的能力。

3 結(jié)束語

根據(jù)虛實結(jié)合、相互補充的建設(shè)原則，將化工原理常規(guī)實體實驗轉(zhuǎn)變?yōu)檎鎸嵐こ瘫尘跋碌南到y(tǒng)工程集成實驗，采用線上虛擬仿真和線下實體實驗相結(jié)合的混合式教學(xué)，讓學(xué)生學(xué)習(xí)和理解復(fù)雜先進大型工藝等前沿技術(shù)，進而培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)和工具解決復(fù)雜工段實際問題的工程實踐能力，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維與系統(tǒng)思維能力，努力培養(yǎng)能力與素質(zhì)相結(jié)合的復(fù)合型人才。