從化工原理角度探討在線教學平臺的優化

葉菁睿，何光裕，陳海群

(常州大學 石油化工學院，江蘇 常州 213164)

《化工原理》是常州大學化學工程與工藝、應用化學、制藥工程、食品科學與工程、能源化工、材料化學、生物工程和資源與環境等化學化工相關專業的基礎必修課程，在工程學習中占據著重要地位[1]。《化工原理》以化工生產中常見的單元操作為主要研究對象，以三傳一反(動量傳遞、熱量傳遞、質量傳遞和化學反應過程)為理論基礎，重點講述各個單元操作中的基本原理、工藝計算、設備結構及選型等內容。作為化工相關專業體系中的重要一環，《化工原理》是連接基礎課與專業課之間的重要橋梁，是在高等數學、大學物理和物理化學的基礎上進行工程知識學習的必由之路[2]。因此，長期以來化工原理課程一直是化工相關專業的重點課程。

為應對疫情形勢，保障高校師生的身體健康安全，多所高校都制定了相應的線上教學措施，由任課教師通過線上教學平臺進行授課。以常州大學為例，在2021—2022學期，共經歷三段線上教學時間：一是于2021年9月份在新學期返校之際開展為期4周的線上教學；二是于2022年11月份鑒于疫情勢態開展1～2周的線上教學；三是于2022年3月份在新學期返校之際，根據省教育廳及學校疫情防控要求開展長達數月之久的線上教學。針對常州大學2019級生物工程專業在線學習的不利因素進行問卷調查，結果如圖1所示。其中，36.7%學生反映，教學平臺使用不方便。由此可見，為了應對疫情常態化防控新局面，搭建功能結構完整的在線教學平臺，保障教師線上授課質量及學生線上學習效果，具有十分重要的意義。

圖1 線上授課的不利因素

1 現有教學平臺的優勢及不足

根據教師授課方式(錄課型或直播型)，可將現有的線上教學平臺分為兩種類型：一是具備教學輔助模塊的錄課型平臺。如由網易與高教社攜手推出的在線教育平臺“中國大學MOOC”，該平臺承接教育部國家精品開放課程任務，面向大眾開放優秀教學資源。但同時需要注意的是，MOOC上的課程強調精品性，面向全體平臺用戶，需要耗費較多時間、精力來構建一門課程，且課程往往以教師提前錄制視頻，學生觀看視頻為主，互動性較低。此外，還有如教師自主建立班級并實現跟蹤管理的學堂在線和超星學習通等錄課型平臺。授課教師可提前上傳課程視頻，并在指定時間通知學生在線觀看，上傳習題資料供學生查閱作答，同時，此類平臺一般為教師提供查看學習進度和答題情況等教學輔助功能，但學習進度只以學生觀看視頻時長為準，標準較為單一，且仍然存在互動性較低的缺點。二是不具備教學輔助模塊的直播型平臺，如騰訊會議和QQ群課堂等。此類平臺要求教師在線實時面對學生授課，通過屏幕共享放映PPT。相對于另一類平臺來說，此類平臺互動性較強，可實時與學生交流，實現教師在線提問和學生在線作答。但需要注意的是，此類平臺并非出于教學目的而建立，功能較為單一，缺乏下發測試習題等教學必備模塊。

出于以上考慮，本文以線上教學需求為出發點，以化工原理課程授課特點為基礎，討論線上教學平臺亟需增加的功能模塊，從而進行優勢化開發，旨在提高線上教學中教師的授課質量和學生的學習效果。

2 線上教學平臺的功能優化設計

2.1 人形檢測模塊

對于線上教學，首先需要保障學生的出勤率及參與度。在線下授課時，通過點名和隨堂小測等方式確認學生出勤率，同時在授課過程中觀察學生面部表情及肢體動作確認課堂參與度，但在線上教學時實現這兩點較為困難。目前對于錄課型授課方式，只可觀察學生的視頻播放進度，無法確定學生是否真正觀看授課視頻。對于直播型授課，一般不要求學生開啟攝像頭，且即使開啟攝像頭，教師屏幕主體一般為PPT畫面，難以及時觀察到所有學生的學習狀態。因此，在線上教學時增加有效的監督措施是十分必要的。具體操作是教學平臺通過增加人形識別模塊檢測學生在線情況，在觀看視頻或直播時由系統自動對學生是否在線學習進行自動監督和記錄。人形識別是以人的體型、動作等形態信息作為標準識別圖片或視頻中個體的在線或離線。在教學平臺中增加人形識別模塊捕捉攝像頭中的形態信息，系統自動判斷學生此時是否在屏幕前觀看錄課視頻或者直播授課，在檢測不到人形時可自動發送提醒給教師和學生。合理設計并使用人形檢測模塊可以有效幫助教師掌握學生出勤率及參與度，從而對學生學習進度進行有效跟蹤。

2.2 隨堂問答及小測模塊

線下授課中隨堂問答及小測是提高學生注意力、檢測學生學習進度及教學效果的有效工具，目前部分線上教學平臺也提供此類教學輔助功能。以超星學習通為例，可在上傳課程視頻的同時提供習題資料，在學生觀看課程視頻完畢后進行作答。但是這類習題模塊往往是單獨存在，與實時授課過程不能很好的結合在一起，無法體現隨堂問答及小測的機動性及靈活性。因此線上平臺通過增加隨堂問答及小測模塊可以進一步提高線上授課時學生的注意力。針對隨堂問答，由老師在授課視頻中或直播時提出問題，此時系統隨機生出一個數字(例如本班級學號尾數為1～60，則此隨機數字范圍應設為1～60)，由對應學號的學生進行作答。錄課型授課情況下，學生在系統所給出的答題框中進行作答。直播型授課情況下，學生打開麥克風進行實時作答。針對隨堂小測，參考“云考場”系統中的“下發試卷”模塊，在系統中提前上傳習題材料并合理編輯為試卷形式，在合適時間選擇下發試卷即可讓學生在線答題，最后點擊提交匯總至教師處評閱。合理設計并使用隨堂問答及小測模塊能夠最大程度還原線下課堂氣氛，為學生營造學習動力。

2.3 虛擬黑板模塊

板書又稱為教學書面語言，是指教師授課時在黑板上所書寫的文字、符號及示意圖等信息。優秀的板書在教學過程中幫助教師更生動、形象地傳遞信息，并幫助學生更充分地理解所授知識，強化重點記憶。隨著教學工具的更新換代，目前部分學校已經可以實現數字化板書，但是往往需要專用硬件才能發揮作用。而目前面對普通用戶的線上教學平臺仍然缺乏相應的虛擬黑板功能，一般都是教師在自己電腦中新建空白頁面用于書寫內容。這種情況下，PPT的顯示效果將受到影響，特別是在直播授課時，板書內容與PPT畫面無法有效結合，使得板書所傳達的信息較為單調。因此，通過線上平臺增加虛擬黑板功可推進PPT與板書相結合。具體操作是在系統中增加一塊自由移動并自由編輯內容的空白文檔，類似于Windows系統中自帶的“便箋”組件。虛擬黑板在PPT上層顯示，教師在使用虛擬黑板模塊時無需最小化PPT。通過在虛擬黑板上自由編輯(包括輸入字符、公式及自由繪圖等)補充并強調PPT中的內容，向學生傳達更為凝練的信息。并且對于公式推導類教學內容，將虛擬黑板與PPT相結合可以更好地呈現知識脈絡和邏輯結構，強化學生對公式的記憶和使用。合理設計并使用虛擬黑板模塊能夠實現板書與多媒體內容的相輔相成，呈現出更好的教學效果。

2.4 小組討論模塊

與單一講授式教學方法相比，小組討論更能活躍學生的思維，吸引學生的注意力，是現代教學方法的重要組成部分。以化工原理課程體系為例，在化工原理課程設計和化工原理實驗等課程的教學過程中，需要將學生分為數個小組，通過小組討論環節完成指定學習任務。線下教學時，各個小組在教室內進行自由討論，并針對難點、薄弱點實時向教師尋求指導[3]。教師通過旁聽和問答了解各小組討論內容和進度，從而掌控課堂節奏。線上授課時小組討論操作較為不便，因此往往在教學過程中受到忽視。常見方式是由學生在課堂外通過社交軟件聯系，無法接收教師的監督和指導。通過在線上教學平臺中增加小組討論模塊可改變這一情況，從而有效活躍課堂氣氛，提高學生積極性。具體操作是由教師發出小組討論指令后，根據小組數量，系統生成指定數量的聊天房間，由學生申請進入，在房間人數達到要求后不再受理申請。教師具有進入所有聊天房間旁聽并發言的權限，可隨時了解各小組的討論進度并有效督促學生專心進行相關討論。合理設計并使用小組討論模塊能夠打破線上教學的僵化現象，活躍課堂氣氛并提高學生團隊合作能力。

2.5 翻轉課堂教學模塊

翻轉課堂又稱顛倒課堂，目的是使學生成為學習的主導角色[4]。傳統的翻轉課堂一般是指學生在課外通過觀看授課視頻、查閱資料等方式完成學習，而在課堂上則通過教師設問、針對性講解和引導討論等方式強化學習效果。線上教學存在固定的學生自主學習時間，強化了學生自主學習角色，因此為翻轉課堂提供十分切合的應用場景。將翻轉課堂教學模式與線上教學相結合，能夠優化教學環節、精簡教學內容、提升教學效率。具體操作是由教師提前上傳授課視頻或其他優秀教學資源并布置課后習題，由學生根據系統提示進行觀看和學習，之后完成相應測試。系統自動統計習題完成度及錯題分布反饋給教師，從而協助教師開展有針對性的內容講解。其中最重要的一環即是系統收集信息并進行大數據分析，這也是翻轉課堂教學模塊設計的重點所在。合理設計并使用翻轉課堂模塊可以關注學生學習中的薄弱環節，協助教師提高教學質量。

2.6 課程網絡模塊

作為化工相關專業的一門專業課，化工原理是高等數學、大學物理、物理化學等課程的后繼課程，同時是開啟化工設計、化工設備和化工技術經濟等專業課學習的前繼課程。為了讓學生建立牢固的知識框架，形成完備的化工知識體系，梳理各相關課程脈絡，建立清晰的課程網絡是十分必要的。相比于線下教學，線上教學在建立課程網絡方面具有得天獨厚的優勢，可通過網絡鏈接便捷地找到所需的前備知識。具體操作是在與其他課程內容相關的章節部分附上其他課程的學習網址并標出對應學習需求，由學生自行進行回顧或預習。進一步可由多名不同課程的授課教師聯合梳理出課程脈絡，將各課程之間有關聯的部分連接起來，有助于學生理清課程邏輯。合理設計并使用課程網絡模塊可以提高學生學習效率。

2.7 在線仿真實驗平臺

化工原理實驗在化工原理課程體系中占據十分重要的地位，但是隨著線上教學的開啟，實驗類課程逐漸成為教學的一大難題。通過增加在線仿真實驗平臺一定程度上可以幫助學生熟悉實驗操作技巧，提高實驗技能并鞏固實驗理論知識[5]。目前已有學校(如華中師范大學)提供此類虛擬仿真實驗平臺開展線上實驗教學，由學生通過鼠標鍵盤進行實驗操作，實現沉浸式、互動式的操作體驗。但是這一功能的實現較為困難，需要授課教師、實驗中心和專業軟件團隊付出大量時間和努力，并非一蹴而就。理想情況是在進行實驗課程規劃、實驗室設計和實驗設備搭建時同步創建在線仿真實驗平臺，構建兼備線上線下的新實驗類課程的教學體系。合理設計并使用在線仿真實驗平臺能夠突破教學時間、空間限制，幫助學生掌握實驗操作知識。

2.8 企業在線直播模塊

對于工科專業學生來說，認識實習(包括企業參觀、實習等活動)的目的是幫助學生將專業理論學習與企業實踐行為相結合，從而為理論知識奠定實踐基礎，做到學以致用、知行合一。然而，目前大規模線下聚集活動較為不便，對此可通過企業在線直播幫助學生了解實際生產情況，從而在實踐中進一步鞏固專業知識。具體操作是與指定企業進行合作，由負責人員與老師協調并確定直播內容(如廠區情況、生產設備、產品研發和生產的基本流程)，之后通過在線教學平臺進行相應直播。在直播過程中，學生與企業負責人員進行自由交流。合理設計并使用企業在線直播模塊有助于擴寬學生視野，加深理論知識與生產實踐相聯系的認知。

3 結語

積極做好線上教學準備，搭建更為成熟的教學平臺具有十分重要的現實意義。本文分析了現存教學平臺的優勢與不足，并提出了相應的優化模塊設計，希望可以為提高線上教學質量及效率提供有效建議。