“三融三變”混合式教學模式在化工分離工程中的探索與實踐

張紅秀，尹永恒，宋蘭蘭，牟善良

臨沂大學化學化工學院，山東 臨沂 276000

中國制造2025、工程教育認證、“新工科”建設等國家重要教育戰略，對傳統工科專業的教學提出了新的要求。為提高大學畢業生的核心競爭力，適應新時期社會發展要求，必須不斷更新傳統工科課程的教學方式。化工分離工程是化學工程與工藝專業的核心課程。課程內容涵蓋面廣，涉及相平衡、精餾、吸收、萃取、新型分離技術、傳質分離過程的節能、界面調控等內容。課程兼具理論性和實踐性，尤其是多組分多級分離的嚴格計算等，內容抽象，計算繁復。傳統的講授式教學方法難以滿足現階段教學需求[1,2]。因此，有必要對傳統的講授式教學方法進行改進。BOPPPS教學模式源于加拿大，包含六個教學環節，即導入(Bridge-in)，學習目標(Objective)，前測(Pre-assessment)，參與式學習(Participatory learning)，后測(Post-learning)和總結(Summary)。基于BOPPPS的教學模式改革已經在多學科、多課程中獲得實踐，并顯現出很好的教學效果[3,4]。本文基于BOPPPS理念，提出了“三融三變”的混合式教學模式，并在化工分離工程課程中進行探索和實踐。

1 課程教學現狀分析

1.1 課程性質與教學目標

化工分離工程是研究化工生產過程中混合物分離與提純的工程科學。分離工程技術是獲取精制原料、高純產品，充分利用能源，進行環境污染控制的關鍵，用途廣泛。尤其在雙碳背景下，化工分離技術也是進行清潔生產的重要組成部分，在提高化工生產的經濟效益、社會效益方面作用顯著。

通過本課程學習，要求學生獲得三個層面的提升。(1) 認知方面：知道化工分離工程的有關理論，領會各個概念之間的聯系和應用；對給定的混合物體系和分離要求，能夠應用傳質分離過程操作的基本原理、簡捷計算和嚴格計算方法對多級多組分分離設備進行設計；學會理論聯系實際，通過分析來判別復雜化工分離工程問題的解決途徑，提出優化的解決方案；評估化工分離工程技術對環境保護、社會可持續發展的影響。(2) 技能方面：能夠正確掌握主要分離單元操作的操作過程及相應的數據處理方法；能正確查閱和使用工程類的圖表、手冊等。(3) 素養方面；通過挖掘課程中的思政元素，培養學生的家國情懷、科學精神、安全環保和法律意識、工程倫理意識、社會責任感、創新意識等。具備自主探究學習能力和團隊協作精神，養成良好的工程思維習慣。學生主動將個人發展與社會發展、國家發展結合起來，明確其在創造社會價值過程中的社會定位。

1.2 學情分析

本課程面向化學工程與工藝專業本科三年級學生。大三的學生群體有很顯著的特點。首先，學生的學習習慣和思維方式基本成型，前期知識儲備和成績出現分化，存在明顯的個體差異。其次，學生已經有了較清晰的職業規劃，讀研深造、就業、跨專業就業等，對專業課的低階或高階認知目標有不同的期待。第三，學生思維活躍，熟練使用各種信息工具，對新鮮事物接受快。第四，學生自我意識強烈，期望被肯定和鼓勵。傳統的以教師為主的授課方式已經滿足不了學生的不同層次需求，單一的教學模式早已不能喚起學生的學習興趣。因此必須探索出適用于學生認知規律和學生特點的教學新模式。

1.3 課程教學存在的問題

化工分離工程課程涉及到物理化學、化工熱力學、化工原理等多學科領域的知識。課程內容理論性強，內容抽象。傳統PPT授課，脫離生產實際。教師將大量的公式、模型、理論單方向地灌輸給學生，學生易產生畏懼心理，沒有學習的興趣和動力。單一的“上課-作業-考試”的授課方式，師生之間、生生之間都缺乏有效的互動，課堂氣氛沉悶。并且傳統考核方式，以終結性考核為主，缺乏有效的過程性考核環節。一錘定音式的終結性考核對學生學習效果的評價比較片面，也不利于對教學效果進行分析和反饋[5]。此外，長期以來，課程教學目標和考核形式均重視低階認知目標，忽略對學生高階思維能力的培養，而培養高階思維能力恰恰是提高工科學生工程素養的關鍵[6]。加之化工分離工程的計劃學時較少(32學時)，缺少系統化的思政教學設計，課上教學內容安排緊湊，思政元素融入的力度不夠。這些問題的存在降低了教學效果和育人效果。因此，尋求行之有效的教學新模式，走出教學困境，是本課程教學的重中之重。

2 BOPPPS教學模式

BOPPPS是以教學目標為導向，以學生為中心的教學模式。如圖1所示，導入是在開始授課之前，通過教學案例、時政熱點、圖片、視頻等多種多樣的形式激發學生興趣，讓學生做好課前“熱身”。學習目標是在授課開始的時候讓學生知道課堂要達到的認知目標(包括低階目標、高階目標)，情感目標等，同時也為教師的授課厘清脈絡。前測則是在講授新課之前對授課對象進行摸底，了解學習興趣、學習習慣以及學習基礎等。后續授課能結合前測的結果因材施教，有的放矢。前測的形式多種多樣(討論、測驗、問卷調查等)，并且結合雨課堂等線上教學軟件可以達到事半功倍的效果。參與式學習是BOPPPS模式的重要一環，是體現“以學生為中心”的重要媒介。課堂授課需要充分調動各種教學資源和教學手段，通過合理的教學設計，讓學生沉浸在課堂教學內容中。后測則是在課程快要結束時對學生的學習效果以及預定教學目標達成度的及時檢驗。同前測一樣，后測可以結合線上資源進行測試的實施、數據的匯總、結果分析及反饋等。課程最后，教師帶領學生進行知識點的梳理、課程重點的概括、知識的延伸；學生則通過繪制思維導圖、知識樹等完成對本次課程的總結。通過BOPPPS環環相扣的教學模式，學生全方位地參與到教學全過程，教師則通過前測、后測反饋的信息及時掌握學生的學習狀態，并適時調整授課活動。

圖1 課堂教學組織模式

3 BOPPPS理念下的“三融三變”教學模式

基于BOPPPS教育理念和新時期人才培養的目標，利用雨課堂線上平臺，對傳統的化工分離工程教學過程進行改革。如圖1所示，我們提出“三融三變”的改革方針：線上教學融合線下教學，專業教育融入思政教育，理論知識融入自主實踐，以解決本課程教學過程中長期存在的問題，進一步適應工科創新應用型人才的培養需要。從學生特點和學生需求出發，建立一套適應學生心理特點、認知規律和學習習慣的教學新模式，讓學生“反客為主”，積極參與到教學全過程中。

3.1 線上與線下相融合，推動終結性考核向全過程性考核轉變

自全球性的新冠疫情爆發以來，迫使很多課程的教學經歷了從線下到線上的轉變。但也正是通過這次疫情，以雨課堂、釘釘等為代表的線上教學手段的優勢被越來越多地認可。在線簽到、課堂答題與討論、視頻連線、留言互動等功能的時效性、靈活性和便捷性為沉悶的課堂教學注入了活力。因此，為既能保持線下課堂教學主陣地地位不動搖，又充分發揮線上信息化平臺的優勢，線下線上互動混合式教學模式應運而生，并且這種模式已經在高校很多課程中實踐，并取得很好的教學效果[7,8]。本課程將繼續探索這種線上線下混合式教學模式，并結合教學實際構建多元化全過程的課程學習評價體系。如圖2所示，我們改變了以往單一的“考勤+作業+期末考試”的考核評價模式，依據學生的認知規律和心理特點，設計了多樣化的考核內容和考核形式。具體包括：線上學習任務完成度、線上討論活躍度、隨堂測驗、虛擬仿真、實驗操作、翻轉課堂、課程項目、課程論文、調查問卷和期末考試。

圖2 全過程教學評價考核方式

線上自學與線上討論主要是培養學生的學習習慣；隨堂測驗主要考查學生低階認知目標(記憶、理解、應用)的達成情況，夯實專業基礎知識；通過模擬仿真和實驗操作使抽象的理論知識具體化、形象化，考查學生的動手能力和解決問題的能力；翻轉課堂和線上討論則是訓練學生的團隊意識和人際溝通能力；課程項目則是對學生高階創新思維能力的訓練，學生能夠根據項目要求提出合理化的方案，將專業知識轉化為創新成果。同時，通過項目案例分析，進一步提升學生發現問題、分析問題和解決問題的邏輯思維能力。由于期末考試是檢驗學生學習效果最直接的方式之一，因此依然在考核評價體系中占重要地位。但期末試卷的題型不再是選擇、填空、判斷和計算等客觀題型。而是在保留一部分客觀題的基礎上，試題題型升級為融入了課程思政的案例分析、結合了工程案例的創新性設計等主觀題型。比如論述題：在“雙碳”目標背景下，研究精餾過程的強化和節能問題，對于降低化工生產過程能耗、降低碳排放量具有重要的現實意義。請結合課程知識討論未來精餾技術的發展方向。這樣的題型安排不僅能反映學生對知識點的識記情況，還能體現學生的學習態度、價值觀、知識構建的效果及知識運用能力等。在學期末，通過精心設計調查問卷的題目，可以迅速獲得學生對于課程教學的意見或建議。同時，調查問卷反饋的信息，又可以指導教師進行教學模式和教學方法的調整。

顯然，這種多元化的全過程考核評價模式，充分調動整合了線上和線下資源、兼顧了理論教學和實際應用，更重視對學生自主學習能力和高階思維能力的培養和鍛煉。相對于一錘定音式的終結性考核，多元化的全過程學習評價強調學生的主體地位，考慮到學生的個體差異，并能充分挖掘學生的潛力[9]。

3.2 專業教育與思政教育相融合，推動被動學習向主動學習轉變

《左傳·襄公二十四年》：“太上有立德，其次有立功，其次有立言，雖久不廢，此之謂三不朽。”立德被古人稱為“三不朽”之首，立德樹人也是新時期教育的根本任務。立德樹人，思政為先。同時，臨沂大學化學化工學院一直在推進化學工程與工藝專業的工程教育認證工作。在專業認證的畢業要求中，明確指出專業培養的12條要求。其中的“工程與社會要求”“環境與可持續發展”“職業規范”“個人與團隊”“溝通和終身學習”等要求與課程思政內涵有明顯的融合點。因此，以工程教育認證理念和課程思政教學目標為指引，化工分離工程課程的教學應該注重專業知識與思政內容的融合。

如何結合課程特點進行課程思政的設計是需要探索和研究的內容。以往專業課融入思政元素沒有形成系統的教學體系，流于形式，機械融合，學生接受度不高。由于學時偏少，絕大多數學時都在進行傳統的專業知識授課，課程思政教育不充分，往往蜻蜓點水，很難拓展和升華。另外，由于缺乏有效的思政育人評價機制和激勵措施，學生主動參與思政融合的積極性不高。針對這些問題，本課程在課程思政教學設計中重視使用賞識激勵法。比如在學生作業或者課程論文中填寫賞識激勵性評語；在課堂討論環節，對學生的觀點進行賞識評價。通過科學的課程思政教學設計和完善的教學評價體系，才能切實發揮專業課程的育人功能[10]。化工分離工程主要有六個章節的內容，包括緒論、多組分分離基礎及嚴格計算、精餾、氣體吸收和解吸、分離過程及設備的效率與節能、新型分離方法。課程雖然包含大量的模型、公式和理論，但是更強調理論聯系實際，具有工程應用性強、經驗性強等特點。因此，在課程講授的時候可以采用“案例-原理-模型-應用”的模式進行。比如引入工程案例“醇胺法處理含硫化氫廢氣”[11]。首先結合圖片和視頻介紹該方法的操作流程，然后介紹其基本原理，引出吸收和解吸的概念。同時結合文獻中的模型，讓學生深入理解吸收和解吸的原理和特點，吸收劑再生的方法等。最后，引導學生將吸收與解吸聯用過程與其他工業廢氣處理相結合。

在“案例”和“應用”模塊為課程思政元素的融入提供了有力的切入點。此外，化工分離工程理論廣泛應用于石油化工、食品醫藥、能源環境等領域，隨著科技的迅猛發展，新的分離方法、新的分離設備等不斷涌現，為思政教學提供了豐富的素材。比如在吸收章節，我們結合國家的“雙碳”目標進行課程思政設計(圖3)。在化工生產中，氣體吸收操作廣泛應用于化工產品的直接生產(比如鹽酸、硫酸)，氣體混合物的分離，以及廢氣的回收凈化等，是非常重要的傳質單元操作。在本章上課前，通過雨課堂或者釘釘等線上教學手段，給學生推送上課用的PPT課件，以及相關的MOOC視頻，指導學生提前預習。同時發布關于“雙碳”目標的討論話題，學生主動去深入了解雙碳目標；了解減少CO2排放的途徑和工業廢氣中CO2的處理方法，在潛移默化中具備工程倫理意識和社會責任感；引導學生思考化工行業面臨的機遇與挑戰，樹立綠色化工發展的理念，并將低碳環保的理念深入內心，切實踐行低碳行為。在課堂上，采用BOPPPS教學模式，在導入環節(B)結合課前的線上討論結果和小組發言，導入吸收單元操作在碳捕集中的應用。同時結合實際的電廠廢氣處理等工程案例，引出吸收操作的原理，培養學生的工程思維習慣。在參與式學習環節(P)，講授吸收塔尾氣濃度控制的時候結合《大氣污染防治法》，讓學生了解與化工行業相關的法律法規。從而具備較好的職業素養和強烈的社會責任感。在課下繼續專業知識與思政教育的融入，發布高階的學習任務。比如擬定參加“全國大學生創新創業大賽”的項目主題和簡介，培養學生的創新意識；鼓勵學生進行實驗操作，鍛煉動手能力和團隊協作能力；引導學生進行最新科技文獻的檢索和閱讀，激發學生對科研的興趣。

圖3 課堂思政教學設計

如上所述，通過線上與線下的結合，課內與課外的結合，專業課與課程思政的結合，最終形成系統化、穩定化的教學模式，學生全過程參與到每個環節。學而不思則罔，思而不學則怠。教師不僅是知識的傳授者，更應成為教學的組織者和促進者，在進行專業知識傳授的同時，引導學生勤于思考，激發學生的創新性思維。學生則由課堂的傾聽者升級為探索者，變被動學習為主動學習。

3.3 理論與實踐相融合，推動低階課堂向高階課堂轉變

布魯姆將教育目標分為認知領域、情感領域和動作技能領域三大領域。認知領域又分為六個層次，即記憶、理解、應用、分析、評價和創造，前三層次屬于低階認知，后三層次屬于高階認知。以往授課和考核，更傾向于強化學生的低階認知，而忽視對學生高階創新能力的培養。尤其是互聯網技術的普及帶來的知識大共享，很多學生習慣了“拿來主義”，通過網絡獲取碎片化的知識，對問題的自主分析能力和創新創造能力較差。而分析、評價和創造這些高階思維能力，卻是新時期應用型創新性人才應具備的關鍵能力。

實踐是檢驗真理的唯一標準。我們通過多種實踐形式，推動低階課堂到高階課堂轉變。首先，我們配備了臨沂大學化工虛擬仿真實驗中心和化工分離實驗室，實驗室現有吸收、反應精餾、萃取精餾、恒沸精餾、轉盤萃取等儀器設備，并建有京博控股、魯南制藥集團股份有限公司等11處校外實習基地，以滿足校外實踐教學的需求。在課程教學過程中，定期組織學生進入實驗室進行現場操作或仿真。實踐表明，通過實驗操作可以直接反映出學生對基礎理論的掌握情況，也能折射出學生分析問題、解決問題的能力。其次，我們鼓勵學生參與相關競賽，每學期都推選學生參與“全國大學生化工設計競賽”“山東省大學生化工實驗技能大賽”及各類創新創業訓練項目。近3年來，先后有51人次在全國大學生化工設計競賽、山東省大學生化工實驗技能大賽及各類創新創業項目中獲獎。通過各類競賽也推進了學風建設，提升了學生對專業知識的領悟力及創新能力，實現了“以賽促學、以學促能”。能夠增強學生的專業認同感，以及對專業知識的感性認識。

4 結語

基于BOPPPS理念的“三融三變”教學模式已進行了教學實踐，學生與教師形成有效的互動，學生的學習主動性、學習效果顯著提升。“課前-課上-課后”全過程鏈條式教學任務的發布，激發了學生的學習熱情和學習潛力，培養了學生良好的學習習慣。“三融三變”教學模式將線上教學與線下教學有機融合，既保持線下課堂教學主體地位不動搖，又利用了豐富的信息化資源，提高了教學過程的效率。以工程認證和思政育人理念為指引，不斷優化教學設計，將自主實踐和思政教育貫穿教育教學過程始終，專業教育與思政育人同向同行，培養學生分析、評價和創造等高階思維能力。展望未來，我們將在不斷的實踐和摸索中，對現有的“三融三變”教學模式進行持續改進，培養更多適應新時期要求的創新性應用性人才。