以精餾為例的化工原理實驗課程教學設計

李朝艷，曹 原

(南陽理工學院生物與化學工程學院，河南 南陽 473004)

化工原理實驗的主要內容是單元操作的設備原理和設備操作，是為了學生能夠處理工程問題而開設的一門實踐性課程。通過化工原理實驗，可以培養學生的設計能力、 動手實踐能力以及發散思維的創新能力, 并且能夠提高學生解決實際問題的能力，讓學生學會用基本的理論知識去分析和解決化工生產過程中的工程問題。因此，化工原理實驗課與理論課具有同等重要的教學地位。

自2007年翻轉課堂這種教學模式興起后，國內和國外的教育工作者都對此產生了巨大的興趣。“翻轉課堂”又被稱為“反向教學”“顛倒課堂”，是一種通過對知識傳授和知識內化的顛倒安排，改變傳統教學中的師生角色并對課堂時間進行重新規劃的新型教學模式。[1]翻轉課堂的教學模式，將傳統的“上課聽講-課后復習”轉變為“課前自習-課堂集中，教師點評-課后完善”的教學策略。根據不同的教學內容，“翻轉課堂”教學模式的實施有所區別，但基本都可參照圖1所示的模式進行。

圖1 翻轉課堂教學模式的實施方法Fig.1 Implementation Plan of reverse teaching

本校大綱規定化工原理實驗教學有16個課時，要求所選的實驗項目涵蓋大綱要求的重要知識點。因此，實驗項目的選擇至關重要。本校化工原理實驗室可開設的實驗包括10個實驗項目，列于表1中。

表1 化工原理實驗教學項目Table 1 Experimental project in chemical engineering principle

表1中每一個實驗項目相對獨立，各實驗均有其考查點，符合人才培養目標的要求，又涵蓋了大綱要求的知識點，設置合理。實驗項目的設置循序漸進，形成了連貫的教學過程。實驗設備主要是比較經典的天津大學的化工原理設備，能圓滿的完成培養學生動手能力，工程實踐能力的要求。

基于課時的限制以及實驗的難易程度，表1實驗項目中帶“*”的為選做的演示實驗，而另外一些作為必做項目。演示實驗為難度較小、涉及基本知識點的實驗項目，因此，這些實驗項目都由學生自主學習和操作，教師負責答疑，對實驗結果進行評價，并給出指導性建議。對于難度較大的實驗項目，實驗教師應多給予課前指導，加強實驗方案及操作步驟的審查，并可通過設置課前討論環節，掌握學生對每個步驟的理解。在實驗過程中，也應加強監管，對取得的數據進行及時的分析以盡快取得新的實驗方案。課后要及時對實驗過程中出現的問題進行解答和討論。即“實驗難度決定翻轉程度”。

1 “精餾實驗”教學方案設計

1.1 教學內容分析

精餾實驗是基于《化工原理》中“精餾”和“氣液傳質設備”這兩章開設的一個實驗項目。精餾實驗的教學內容包括：精餾的設備、原理、操作流程、數據處理方法。精餾所用的設備即精餾塔，是工廠中用于分離液體混合物的一種塔設備。關于塔設備，因為有前面“冷膜塔演示實驗”作為基礎，已經學習了塔設備內各部分組件的形式以及作用，不同類型塔板、板面設置、降液管等的選擇、氣液不同接觸狀態等相關內容，所以，本次實驗內容的重點在于精餾分離的原理和操作流程，以及數據處理方法。

1.2 教學目標分析

精餾是工業生產中非常常用的一種均相混合物的分離方法。大綱要求的精餾實驗的教學目標為：了解精餾裝置的基本流程及篩板精餾塔的結構；熟悉精餾操作方法，學會正確處理各種異常情況；用作圖法確定精餾塔全回流與部分回流時理論板數，并計算出全塔效率(或單板效率)[3]。這三個教學目標涉及到了基本的教學內容要求，比如設備的結構、流程、操作方法、數據處理方法。還涉及了高級的要求，即正確處理異常情況，這就要求學生能具備過程調節能力。即對于精餾實驗來講，我們的基本教學目標是：通過本次實驗，讓學生結合理論知識掌握基本的實驗操作技能，還應該在此基礎上具有過程調節和設計實驗的能力。

實際上，我們的實驗設備就是工廠實際設備的縮小版。通過實驗，不僅可以達到掌握基本教學內容的要求，更重要的是能增加學生的感性認識，非常有助于學生擴展自己的思維，引發學生對知識的渴求以及探索的欲望。因此，我們的教學目標不能僅僅局限于基本的教學要求，要引導學生發散思維，去思考更深遠的問題。比如更進一步的達到過程設計開發和設備的設計改造的能力。

1.3 學情分析

“以學習者發展為中心”的教育理念是國家教育改革規劃的要求，也是工程教育專業認證的核心理念[4]。因此教師在進行教學設計時，必須首先要熟悉學習者的情況。只有熟悉了學習者的情況，才能夠有的放矢的真正做到因材施教，更容易達到我們的教學目的。2018春季的化工原理實驗課程開設班級為2015級化學工程、應用化學、生物工程和食品工程的學生，均為大三學生。因此學生具有如下特點。

(1)知識基礎

在本門課程之前，學生已經學習了《高等數學》、《大學物理》、《物理化學》這三門基礎課，具備了學習本門課程的基礎。而且，在開設實驗課程這一個學年，學生已經學習了《化工原理》理論課程，并且，正在開展《化工仿真實訓》。因此，在此時開設化工原理實驗，可以加強學生對理論知識的理解和認識，并能將理論和實踐相結合，強化工程實踐能力。

(2)學生學習層次分析

從前期的知識基礎可以看出學習對學習本門實驗課程的知識儲備。下一步，需要對學生對課程的掌握情況進行分析，以便進一步了解學生和下一步的分組實驗。

以15級應化合作班為例，全班共20名學生，在上冊的《化工原理》理論課考試中，進行成績分析如表2所示。

表2 15應化合作班成績分析Table 2 Performance analysis of 2015 cooperative class

在實驗分組時，就需要考慮理論課的成績，每組都要保證既有成績好一些的同學也有差一些的同學。這樣在前期實驗準備到后期成績考查及討論中將每一位同學分配不同的任務，擔任不同的角色，才能做到優勢互補，并能培養同學的團隊合作精神。精餾實驗中，我們將20人分為4個小組，分組情況如表3所示。

表3 實驗分組Table 3 Experimental group

這種分組，是在實驗初期根據理論課的成績分析進行的，有其局限性。因此在實驗過程中，實驗老師會根據實際表現情況，進行組別調整，以達到最佳學習效果。

(3)學習風格分析

應化合作班人數較少，但是班級氣氛非常活躍。針對這樣的情況，采用翻轉課堂的教學策略，可以有效的調動學生的積極性，讓學生自己動手，既可以滿足他們的動手積極性，又可以讓他們及時認識到自身存在的不足。教師在此過程中，要及時監控，以便學生能及時發現問題。

1.4 課前準備

翻轉課堂的教學模式，要求學生在課前要做好自習，這就要求教師要精心選擇有效資源提供給學生，以便于學生做好自習。精餾實驗的動畫演示可以通過網絡平臺，比如微信群、QQ群發給學生，并配套相關的裝置操作的書面版本。另外，相關實驗目的及原理和數據處理提供書面版本給學生[2]。

圖2 精餾動畫演示Fig.2 Distillation animation demo

在課前準備階段，教師在準備實驗前給出預習目的、相關問題設置，并提供視頻等資源，學生預習。精餾實驗的預習任務和問題設置列在圖4中，實驗任務分為3各方面，問題設置分為四個層次。從第一個層次的基本知識設置，層層遞進，到難度逐漸增大的綜合知識和設計性問題設置，最后是設備的改造設計。在預習過程中，學生遇到的問題可向老師反饋，教師給出解答。實驗前三天，可組織學生進行關于實驗原理、操作等的問題大討論，并進行總結。實驗前一天，對照實驗前的教師給出的問題檢查實驗預習效果。具體實施方法如圖3所示。

圖3 課前準備流程Fig.3 Prepare steps before class

圖4 精餾實驗任務及問題設置Fig.4 Task and problem setting of distillation experiment

實驗前一天的問題反饋至關重要，是影響第二天實驗好壞的關鍵，因此教師應進入每個小組，對每一位同學的討論發言做出反應，并且針對既定的評價標準對小組成員的課前活動進行評價。

表4 課前預習情況評價體系Table 4 Evaluation system of pre-class preview

1.5 教學過程

“翻轉課堂”教學模式的實施是采用了“課前自學+課堂交流內化”的教學形式，即“先學后教”。學生自學的過程有助于發現問題，教師對課前活動監管及時，能解決一部分疑難問題。課堂上從接觸實驗設備那一刻開始，學生開始將自己前期的自學知識用于實驗操作，這個銜接必須做好，才能將自學知識用于實踐，達到知識的內在轉化。在這個過程中，教師要及時引導，隨時答疑，安全監管并提供技術指導，最后，要對學生的實驗結果進行預估。另外，對于問題設置中綜合問題和設計性問題做了深入思考的同學，應鼓勵嘗試，鼓勵學生參加化工原理實驗大賽和化工設計大賽等對知識好能力要求較高的學科競賽。具體實施方案如表5所示。

表5 課堂教學實施方案Table 5 Implementation plan of classroom teaching

圖5 實驗設備認識及故障設置Fig.5 Understanding and fault setting of experimental equipment

表6 課堂實驗表現評價體系Table 6 Evaluation system of classroom experiment performance

實驗過程中，教師主要起到引導和監管的作用，并需要及時為學生答疑，參與到學生討論中。在課堂上的每一個環節中，都要做到及時交流，以保證實驗順利進行、理論知識和實踐的貫通。對于課堂上學生的表現情況，也要做好記錄，及時進行評價。

1.6 課后鞏固

課堂實驗過程結束后，學生需要對實驗數據進行整理和計算，寫出實驗報告。對于實驗過程有問題遺留的同學，師生在網絡平臺上應繼續交流討論，及時答疑。對于實驗過程中出現問題比較多的地方也應集中輔導解惑。最終的課后鞏固情況的成績評價由表7所示部分構成。

表7 課后鞏固情況評價體系Table 7 Consolidate the evaluation system after class

對于實驗參與積極性高，實驗整體完成程度好的同學，可給出額外加分。以鼓勵學生學習的積極性。

2 “翻轉課堂”的教學效果

將“翻轉課堂”用于化工原理實驗教學，取得了一定的教學效果。

(1)化工原理實驗設備得到了有效的利用。以前的化工原理實驗時間是由老師定好的時間，采用“翻轉課堂”的教學模式后，哪一組學生預習功課做好了就可以申請進入實驗室，因此實驗時間比較靈活，只要教師和學生時間能夠吻合上就可以進行實驗，不必非得把實驗排在某一天。這樣，學生的實驗環境比較寬松，老師也會更集中精力進行指導，師生交流起來更加輕松，效果自然會更好。

(2)可以培養學生的團隊精神，激發學生的創造性。每一個化工原理實驗都是由5～8人一個小組進行的，每一組的人員在分組之前都是由教師經過成績分析等綜合因素決定的，所以，知識儲備有差異，性格上也存在差異。一些基礎知識掌握的比較牢固的同學就更適合做一些創造性的工作，而一些同學適合做一些增強認知性的工作。在平時的提問及答疑階段，教師也兼顧了不同學生的知識掌握情況，對學生多多進行鼓勵，增強學生信心，激發學習熱情。學生認識到自身的優勢，才能愿意學習他人的優點，積極投入到小組實驗活動中。

(3)避免了實驗報告“千人一面”的情況。以往的實驗教學過程是老師講，學生聽，老師講原理、講操作、講注意事項、講數據處理，最終還要進行示范實驗。學生聽完沒有任何思考，直接跟著老師的步驟做，做完實驗也不知道做的是什么。實驗報告也是一個班一組數據，處理結果也完全一樣。“翻轉課堂”的引入，讓學生充分自學，投入了大量的精力，自然在實驗結束后對自己親自取得的實驗成果充滿了驕傲，也就愿意花精力去進行數據的整理和處理。

(4)考核方式更合理。教師在實驗前、實驗中和實驗后都制定了嚴格的實驗考核標準，為了對照考核標準給出實驗成績，教師會跟學生做更多的交流，以便及時掌握學生情況，給出合理的成績。因為各個環節的成績很透明，也使得學生在整個過程中懶散的情況變少了，參與程度很高，能嚴肅地對待每一個環節的成績。

3 教學反思

一次實驗教學的任務完成并不是學習任務的結束，課后我們也進行了積極的反思，對這種教學方式中存在的問題進行了總結。首先，“翻轉課堂”要求有大量的學生自學內容，這部分內容名義上是學生自學，實際上教師的參與程度也是非常高的。教師要給大家準備充分的學習資料，測試資料，列出明確而細致的學習任務，并要及時答疑和參與討論，這些事情繁雜瑣碎而且工作量巨大,但是可致進一步提高教師教學能力和效率，這已經成為教育工作者必須要面對的現實問題[5]。其次，學生自學需要條件，比如電腦和網絡資源。這些外在條件使得有些同學更容易方便的提出自己的問題，得到解答，而另一些同學因為條件的限制不太方便隨時提問得到自己想要的答案。此外，學生預習情況直接決定了實驗過程進行的好壞。由于預習條件等導致的積極性不高很容易使課堂不能順利進行。從而使得預習情況和課堂教學的銜接問題變得異常重要。

4 結 語

將“翻轉課堂”用于化工原理實驗教學，取得了一定的成績，也存在一些欠缺。需要教師和學生共同努力，進一步探索，找到適合化工原理實驗這類工程實踐類課程教學的最佳教學模式。