化工熱力學混合式教學探索

摘要：針對化工熱力學難教、難學的課程特點，借助中國大學慕課網絡平臺、優學院平臺，開展課前線上引導學習、課間老師主題講授、課后討論與反饋的三步混合式教學模式。通過此線上線下混合式教學模式，極大地提高了學生學習的效果，初步完成了化工熱力學教學改革的目標。

關鍵詞：化工熱力學；混合式教學；教學改革近年來，信息技術的不斷革新，如openAI的問世，對課堂教學模式和手段帶來新的機遇。如何推動信息技術與高等教育兩者之間的深度融合，從而提高培養人才的效率，是一個值得探索的課題。在逐漸實現信息化教學的高等教學模式中，以師生角色轉換的翻轉課堂與在線資源相結合的線上線下混合式教學模式展現了積極的促進意義和極高的可實踐性［1］。

1線上線下混合式教學的現狀

在信息化技術的支撐下，線上線下混合式教學是指將線上的課堂資源與線下傳統的課堂教學結合起來，形成優勢互補的一種教學模式。這種教學模式既可以發揮任課老師的引導作用，又可以靈活滿足學生學習的需求，關鍵在于在恰當的時間，使用合適的方式，為不同的學生實行因材施教［2］。

董田甜等在高校混合式教學的現狀中指出，混合式學習的重點不在于混合哪些事物，而在于如何混合以達到最優的教學效果。這一教育改革思想的提出，引發國內教育工作者對混合式教學理論的深入研究。陳衛東等通過研究學習對象、教學技術、教學環境和教學方法4個因素，根據混合式教學的效果認為，混合式教學是在一種技術支撐學習環境的前提下，如何將4個因素融合到學生的認知、技能、情感中去。

混合式教學發展到目前為止，教學課題組認為以下幾個問題最為典型突出，亟待解決：（1） 線上教學平臺資料更新滯后。混合式教學離不開線上教學平臺。線上教學平臺學習資源一般有3個方面的來源，中國大學慕課線上資源、雨課堂線上資源以及教師自己錄制的教學視頻。任課老師利用這些來源的視頻作為線上資源時，均存在視頻更新滯后，視頻老套等情況，很難激發學生自主學習的興趣。（2） 任課老師缺乏準備，使用信息化平臺不熟練，線上線下教學融合不流暢。（3） 教學設計單一，普遍采用線上線下交替的方式進行混合。

基于以上問題，為了更好地實施混合式教學，促進學生主動學習，課題組對化工熱力學課程開展混合式教學探究，并基于教學成果，進行了教學反思。

2基于化工熱力學的混合式教學課堂建設

化工熱力學是化學工程專業的學生必修的一門專業核心課程，是化工設計、化學工藝學、化工過程分析等核心課程的先修課程。化工熱力學具有“理論晦澀、公式復雜，計算困難”等特點，大部分同學望而生畏。因此，如何進行教學設計，充分利用線上資源和手段，調動同學們的學習積極性，提供有利的學習方法和學習策略，讓同學們更扎實地掌握化工熱力學，化繁為簡的方法勢在必行。設計合理的混合式教與學的模式是獲得良好教學效果的關鍵。

2.1多元化線上課堂資源

2.1.1豐富工程案例，激發學生學習熱情

為了使學生明白化工熱力學不僅僅是枯燥的理論課，也能夠分析解決化工生產中的實際問題。針對知識點，利用優學院平臺，先拋出典型的工程案例，讓同學們討論，點燃同學們的求知欲望，比如以家用液化天然氣的成分表，引出氣體的超臨界流體性質，從安全和原理兩個角度引出氣體的狀態方程的用途；以熱力學中混合體積變量與酒文化的關系為討論題目，帶領同學們從混合體積縮小、酒度與口感之間的關系入手，探討熱力學中的偏物質的量、混合流體的熱力學性質；以無水乙醇的價格是95%乙醇的幾倍為例，引出第五章精餾分離問題。針對工程案例問題，設置分組學習，讓每個學習小組共同討論分析問題。

2.1.2精選線上學習視頻

打破線上資源更新滯后的現狀，本課題組老師根據每學期更新的教學內容以及層出不窮的線上資源，及時優選中國大學慕課的線上資源、雨課堂的線上資源，重點引入工程案例式的學習資源。如果找不到合適的資源庫，將采用本課題組老師針對知識點錄制的8～10 min短視頻，上傳于優學院平臺供學生們自學與參考，所有上傳的微視頻的內容均注重從實際工程問題出發，緊密聯系實際，突出化工熱力學從原理到應用的特征特點。

2.1.3拓展教學資源

本課題組在優學院平臺，分模塊拓展教學資源，主要分為學科前沿文獻、熱門科普視頻、經典理論3大部分。學科前言主要是反映化工熱力學與其他學科間的交叉突破性成果；熱門科普視頻是當下用熱力學的理論可以揭示的一些現象，比如宇宙熱寂理論、黑洞熱力學等，熱門科普視頻有利于同學們以一個輕松、愉悅的環境促進對抽象知識的理解；經典理論比如熱力學發展史、熱力學模型、活度系數模型等為引入背景，重點闡述這些熱力學模型的建立帶來的科學技術上的進步以及如何顛覆人們的生活，從3個方面讓學生實實在在意識到這門理論課程的實際應用價值，多方面調動學生的學習熱情。

2.1.4建立訓練題庫

對知識的理解與運用離不開課下反復的練習，本課題組針對每個章節的知識點，建立訓練題庫，題型從選擇題、判斷題到論述題，全方位鞏固每個教學單元的重難點。特別在論述題環節中增加開放性作答的題目，允許學生之間互相評論，讓同學們之間也形成互動的習慣。此外，課題組老師及時查看學生的作答情況，總結同學們普遍還沒掌握的知識點，針對同學們普遍存在的共性問題，授課老師在線下課堂重點講解，反復說明，以便同學們掌握重點知識。

2.2優化精煉線下教學內容

為了增加學生學習動力，避免躺平式的學習態度，本課程采用“工程案例導入，解決實際問題導出，堅持以學生為主體，老師為引導”的原則，優化精煉線下課堂教學資源。

2.2.1精煉教學內容，簡化理論推導

化工熱力學課程主要包括緒論、流體的PVT關系、純流體的熱力學性質，流體混合物的熱力學性質、相平衡、化工過程能量分析、蒸汽動力循環與制冷循環、化學反應平衡、化工物性數據估算等知識點。本課程在我校的學時為32學時，課時很有限，在多年的教學經驗中，我們刪減與前置課程物理化學有關的知識點，主要講解純流體和混合流體的熱力學性質，重點講解剩余性質、偏物質的量性質、逸度系數、活度系數、超額性質以及氣液平衡計算等。其次，化工熱力學的很多概念和結論性的公式推導占據教材的大量篇幅，并且公式的推導過程是建立在高等數學的微積分知識之上，這就導致很多大一高等數學不扎實的學生看到教材后就產生放棄學習的想法。對于同學們普遍薄弱的微積分知識，課題組老師采用線上資源前置這部分內容，提前給同學們復習微積分注意事項和求法，這樣有利于實際課堂中同學們將精力用在理解偏物質的量性質，而不是繁瑣的公式本身。本教學課題組在實際教學過程中精簡理論推導，以結論服務實際問題為導向，糾正學生先入為主的恐懼感，用生動、通俗易懂的語言講解化工熱力學課程，化繁為簡、突出解決問題的課程內涵。

2.2.2鼓勵軟件輔助學習

基于熱力學方程以及相平衡方程的物性參數估算是化工設計軟件的基礎。講到化工熱力學狀態方程計算流體的P-V-T性質時，引入Aspen Plus化工流程模擬軟件，該流程模擬軟件是以熱力學模型為基礎，進而估算物質的物性數據，優化化工流程模擬，然后以實際的案例，如估算全范圍內二氧化碳的沸點，要求同學們選取不同的熱力學模型方程，對比分析不同模型之間的差距，讓同學們更好地掌握第二章p-V-T狀態方程的用處，明白熱力學狀態方程在本課程中的地位和重要性，增加同學們對理論知識的認同感和實際應用價值感。在帶領同學們學習相平衡的有關知識時，同學們普遍反映，相平衡計算的方法和邏輯是很容易理解的，但難點是迭代計算的計算量特別大，同學們依靠手動計算在有效的時間里沒辦法得出結果，利用ThermalCal軟件輔助計算可以很好地解決迭代計算的問題，讓同學們更加直觀地感受到化工熱力學的理論是為實際應用服務的，計算不是問題，問題還是要能夠理解它的原理和應用。

2.3調整學生考核方式

本課題通過調節課程考核方式，進一步調動學生的學習熱情。綜合成績采用章節測試（占比25%）、專題匯報（15%）、課后作業（15%）以及期末考試（45%）的形式強化過程學習。其中章節考試由線上題庫抽題完成，每個同學的題目都不太一樣，并且限制作答時間，可大幅度降低抄襲作業的現象。專題匯報是運用輔助軟件展開專題討論，由小組進行匯報，同學和老師共同打分的形式進行。課后作業和期末考試增加開放性試題，采取非標準答案做題形式，避免克隆書本，強化同學們對知識的理解與運用。

3混合式教學效果

本次是以化學工程與工藝1班的同學作為教學改革的試點，評價混合式教學效果。評價通過問卷調查、卷面成績和達成度3個方面評價教學效果。

3.1問卷調查評價

設計問卷從學生角度評價混合式教學的效果。結果表明：90%的同學認為，通過線上資源專題討論前沿文獻閱讀，激發了學習積極性和主動性，工程案例導入式的線上資源改變了他們對課程的片面認識，認為這是一個有深度的實踐性強的課程；87%的同學認為專題匯報增加了他們理解運用知識的能力；96%的同學認為通過前置的線上資源，在線下課堂學習時更有針對性，大大提高了自己解決實際工程問題的能力。

3.2期末成績分析

混合式教學之后學生卷面成績的及格率由72.5%提高到95.1%，60～69分的學生占比由26.0%提高到45.0%，90分以上的占比由3.2%提高到4.9%。

混合式教學效果說明，基于課前工程案例引導的線上學習、線下突出理論與應用相結合的教學，以及課后資源擴展、題庫訓練的教學方式是可行的。學生成績及問卷結果再次說明本次混合式教學探索模式不僅有利于知識的傳遞，還糾正了同學們對化工熱力學課程無用論的片面認識，不僅從思想上讓同學們愛上這門課程，還實際增加了同學們遇見復雜問題，化繁為簡的解決問題的思維方式。

3.3達成度分析

本課程實施混合式教學之后，很好地完成了學生培養目標的達成度。其中目標1、目標2和目標3的達成度均≥90.0%，目標4的達成度為86.7%，整體來說，混合式教學有利于提高課程的達成度。具體結果見表1。

4結語

化工熱力學是化學工程專業和能源化學工程專業的一門核心課程，本課程的主要培養目標是利用化工熱力學以化繁為簡解決問題的方法去處理復雜的實際工程問題。針對化工熱力學難教難學的特點，本課題組提出線上線下的混合式教學模式，借助工程案例導入法，糾正了同學們對化工熱力學不正確的認識，激發了學生的學習主動性；通過精煉課堂講授，弱化公式推導，進一步突出課程解決問題的實用性；通過計算機輔助軟件解決手動計算量大的難題，讓學生從公式的苦海中解救出來，提升解決工程問題的效率；通過線上跟蹤測試、題庫訓練等手段加深同學們對知識的理解與運用；通過小組專題匯報、課后作業的方式，全方位多角度強化同學們對知識的掌握，最終顯著提升教學效果。

參考文獻：

［1］ 丁雪，宋春敏，劉熠斌，等. 化工熱力學線上線下混合式教學模式探索［J］.化學工程與裝備，2021，299（12）：300301.

［2］黨力，呂智慧. 基于“雨課堂”的《化工熱力學》混合式教學應用探索［J］.廣東化工，2020，47（5）：210211.