一流課程建設背景下“化工原理實驗”教學改革探索

劉 芬 柏 凌 向 程 楊 濤 嚴 平

(九江學院 化學化工學院,江西 九江 332005)

“雙一流”建設是從國家層面推動高等教育發展的頂層設計[1],課程建設是一流大學建設的基礎。2019年10月,教育部下發了關于一流本科課程建設的實施意見,正式啟動一流課程“雙萬計劃”,一流課程逐漸成為普通高校專業建設、教學改革的關注重點[2]。課程是大學與社會進步、科技發展相互溝通的橋梁,更關系到學生的個人發展。一流課程建設是新時代高等教育強國之路的重要舉措。因此,探索一流課程建設路徑具有重要的現實意義。

實踐教學是培養學生實踐能力和創新能力的重要環節,“化工原理實驗”是化工類專業學生必修的專業基礎課,是培養學生化學工程觀念及化學工程技術能力的重要實踐課程[3]。隨著社會和經濟的快速發展,“互聯網+”提供了重構教育教學生態環境的機遇,企業工藝裝備水平不斷更新,需要高校教學跟進最新技術。“化工原理實驗”傳統教學模式已不適應新階段的發展模式,因此,課程教學團隊從教學內容、教學模式和評價體系等方面對“化工原理實驗”課程教學進行改革探索,積極推進“化工原理實驗”一流課程建設,提高化工人才培養質量。

1 “化工原理實驗”一流課程建設需要解決的重點問題

一流課程又稱“金課”,建設基本原則是“兩性一度”,即提升課程的高階性,突出課程的創新性和增加課程的挑戰度。在一流課程建設背景下,“化工原理實驗”傳統教學的問題主要表現在如下方面。(1)教學內容局限。受限于教學場地、實驗裝置和指導教師等因素,傳統教學內容多以驗證型實驗為主,對化工前沿技術鮮有涉及;此外,傳統教學忽視課程育人功能,難以落實立德樹人的根本任務[4]。(2)教學模式僵硬。傳統教學以教師講授為主,信息化水平落后,學生往往處于被動接受狀態,實驗過程中學生只是機械模仿教師的演示操作,難以培養學生發現問題、分析問題和解決實際工程問題的能力。(3)評價體系單一。傳統考核形式多以期末考試為主,缺乏對學習過程的考核,不重視培養學生綜合素質和創新能力,評價體系不能全面反映學生的真實學習情況[5]。課程教學團隊堅持學生中心、產出導向、持續改進的教育理念,以九江學院化學工程與工藝專業為例,從教學內容、教學模式和評價體系等方面探討“化工原理實驗”一流課程建設路徑。

2 “化工原理實驗”一流課程建設的具體措施

2.1 重構教學內容

基于成果導向教育(OBE)理念,課程教學團隊重新修訂了教學大綱,從知識傳授、能力培養和價值塑造三個角度對教學內容進行重構,主要包括:(1)增加設計型和綜合型實驗。根據《全國工程教育專業認證標準》要求,對原有實驗內容進行拓展改進,驗證型實驗占比從60%降低至20%,建構了“基礎-綜合-設計”三個不同層次實驗課程教學體系,將前沿化工技術引入教學內容,增大課堂教學容量。另一方面,由于人工智能與自動控制技術在大中型現代化化工企業中被廣泛采用[6],因此該課程增設16學時虛擬仿真實訓以提高學生對復雜化工過程動態運行的分析和決策能力。(2)建立“家國情懷、科創精神、職業操守”三個思政方向的課程思政案例庫,將思政教育與專業教育有機融合,實現立德樹人的成效。

2.2 更新教學模式

近年來,混合式教學模式迅速發展[7-9]。這種教學模式是基于互聯網技術與“建構主義”教育理論發展起來的、結合傳統教學與網絡教學優勢的新型教學模式。課程教學團隊依托學習通和歐倍爾虛擬仿真云平臺開展線上線下虛實結合混合式教學,真正做到以學生為中心,達到因材施教的目的。課程教學過程包括12個環節(圖1),建設了豐富的線上教學資源,設計了有效的線下教學活動。以“過濾常數測定實驗”(4學時)為例說明課程教學具體實施過程。

圖1 “化工原理實驗”教學模式設計思路

(1) 課前自學。化工原理實驗由于實驗裝置管路復雜,實驗操作要求嚴格,操作步驟多,因此課前預習是必不可少的環節。課前教師在學習通發布相關教學資源和教學任務,學生根據學習任務單進行自主學習,教師根據學生反饋和教學前測試實時了解學生預習效果,及時調整教學難點內容。

學習通在線教學資源包括實驗原理、實驗操作和仿真實驗操作錄屏3個視頻資源(視頻總時長30 min),以及教學講義、PPT課件、拓展文獻、優秀實驗報告等5個文檔資源,還有習題總數為30道的客觀題及歐倍爾云平臺上發布恒壓過濾實驗3D虛擬仿真軟件(圖2)。課前學生需要完成實驗原理和實驗操作視頻學習(20 min);對課中將討論的話題提前查閱資料;由于學生之前沒有上過工程實驗課,為了使知識點可視化和形象化,增加對應的虛擬仿真實驗(簡稱“虛仿”),課前要求學生根據教學視頻完成歐倍爾教學云平臺上一個相應子項目訓練(10 min);最后在線下課程開始前完成預習報告、預習PPT和預習檢測習題(10 min)。

圖2 “過濾常數測定實驗”在線資源建設情況

(2) 課中實踐。通過參與式學習提高學生分析問題、流暢表達和深度學習的能力,線下課堂主要分為重難點回顧、實操實踐、小組討論和文獻導學四個環節(圖3)。

圖3 課中教學活動:分組匯報(A)、小組討論(B)、文獻導讀(C)

在重難點回顧環節,先隨機挑選兩組進行分組匯報,學生相互提問或老師提問(15 min),教師就學生在本次課程的重難點問題進行總結,再次提醒學生相關實驗注意事項(15 min)。通過這些教學活動,學生可以牢固掌握實驗流程和操作步驟。

在實操訓練環節,教師監控課堂實驗進程,指導學生操作細節,糾正學生的錯誤操作,評價實驗結果(90 min)。經過前期自主學習和重難點回顧等教學活動,學生在實操開始前對板框壓濾機的結構和過濾工藝流程已經很熟悉,此時再上實體裝置進行實操可以有效減少操作出錯的概率。相比傳統教學,教學改革后學生實操表現出更高的操作質量,相互配合度更高,因此混合式教學能有效改善“化工原理實驗”教學質量。

在小組討論環節,學生及時對理論知識和實踐操作過程中遇到的問題進行反思和總結,討論完成后提交實驗小結和討論評價表(30 min)。相比傳統教學中學生僅僅關注實驗操作,該教學環節能提高學生發現問題、分析問題和解決問題的能力。

文獻導讀可以幫助教師和學生進行探究式的學習[10],教師引導學生閱讀科技文獻——《光催化對多通道陶瓷膜錯流超濾去除腐植酸膜污染的影響》(30 min),該文是本學院楊濤老師發表的一篇核心論文,介紹了新型過濾技術——膜分離耦合光催化技術用于處理有機廢水的研究,鼓勵學生加入科研團隊進行科學研究,為發展江西生態經濟、保護鄱陽湖“一湖清水”作貢獻。學習該科技論文不僅使學生了解了化工前沿技術,而且以“如鹽入水,潤物無聲”的形式將思政元素融合到了專業課程中,提升了學生專業自信和責任意識。

(3) 課后延伸。課后學生需要完成實驗報告、拓展作業和虛仿軟件其他子項目訓練(30 min),回溯學習,拓展思維。鼓勵學生參加學科競賽和科研實驗,加強學生實踐能力和創新能力培養。

傳統實驗報告存在格式僵化、學生不重視和實驗結果造假等問題,而實驗報告包含了科研論文寫作的內容[11],課程教學團隊摒棄傳統固定書寫格式的紙質版實驗報告形式,采用了論文式電子化實驗報告(圖4),以期提高學生的綜合應用能力、寫作能力和科研能力。

圖4 論文式電子化實驗報告格式樣例

拓展作業不是學生能直接從教材上找到答案的習題,而是具有一定挑戰度的作業,學生需要查閱相關文獻才能完成,拓展作業有助于學生開展深度學習。

過濾常數的影響因素是該次課程學習的重點,受限于實驗裝置和課時,除了壓力外,學生無法在課堂上學習其他因素對過濾常數的影響,因此,學生課后通過虛仿軟件學習濾框直徑、懸浮液密度、清液槽質量和懸浮液組成等因素對過濾常數的影響(圖5),并將相關實驗結果寫進實驗報告中,拓寬實驗教學的深度和廣度。

圖5 拓展作業和虛仿項目內容

2.3 改革評價體系

課程教學團隊建立了多元化、多維度的考核評價體系,制定了詳細的考核量化表。課程成績由過程化考核和總結性考核兩個模塊構成,用于全面評定學生對課程內容的掌握程度。過程化考核包括線上學習、虛仿操作、翻轉課堂、實驗報告、實驗操作技能五部分。其中線上學習成績由課程視頻、學習次數、作業、線上考試、簽到、課堂互動六部分構成。翻轉課堂成績由小組匯報、文獻共讀和小組討論三部分構成。期末考試成績作為總結性評價,主要體現知識目標達成情況,期末考核分為理論和技能兩部分。為了激發學生學習積極性和提升學生的創新能力,課程成績引入加分項。發表期刊論文、申報創新項目、參加化工原理實驗比賽、改進實驗項目等均可作為加分項,根據學生完成情況的不同可以加1～5分。

3 “化工原理實驗”一流課程教學改革效果

分析最近一學期學生成績(圖6)可以看出教改班虛仿項目成績、實驗操作技能成績和實驗報告成績平均分超過80分,線上學習成績平均分為76分,翻轉課堂成績為79分,表明絕大部分學生能夠很好地完成過程性考核指標,學生學習態度認真,能積極參與到各種教學活動中。通過對學生成績橫向比較發現,教改班期末考試平均分為77分,最高分是95分,最低分是51.5分,傳統教學班期末考試平均分為72分,最高分是90分,最低分是36分,且教改班成績良好率明顯高于傳統教學班,說明混合式教學能有效提高學生學習參與度,教學效果良好。

圖6 最近一學期“化工原理實驗”學生成績分析

近年來,化學工程與工藝專業學生對科研熱情明顯提升,更多本科生深入科研實驗室進行科研實踐并取得了突出成績。學生主持16項省級及以上大學生自主創新實驗項目,獲批8項省級以上創新創業項目,發表5篇科技論文,申請6項實用新型專利。此外,學生在全國大學生化工設計競賽和化學實驗創新設計大賽等各類學科競賽中多次獲獎,通過參與科研實踐和學科競賽,學生的綜合素質和創新能力得到了有效提高。

課程教學團隊通過不斷學習和迭代打磨課程,有效提升了自身業務能力,在多次教學比賽中獲獎,基于課程獲批3項校級以上教改項目立項,2021年該課程獲得校級線上線下混合式一流課程建設立項。

4 結語

一流課程建設對推進教育強國建設具有重要意義,其對“化工原理實驗”的教學提出了更高的要求。課程教學團隊結合多年教學經驗,及時更新教育教學理念,構建了“基礎-綜合-設計”三個不同層次的實驗教學體系,深挖課程中蘊含的思政元素,充實課程教學內容;結合信息技術引入了學習通和歐倍爾虛擬仿真云平臺開展線上線下虛實結合混合式教學,靈活多變的教學手段為突出學生的課堂主體性提供了可操作性;建立了過程性評價和總結性評價相結合的考核評價體系,不僅使評價結果更科學規范,而且能調動學生學習的積極性和主動性。雖然教學改革取得了一些成效,但改革不可能一蹴而就,課程教學團隊將不斷深化教育教學改革,持續改進“化工原理實驗”教學質量,以期培養職業素養高、創新能力強的高質量化工技術人才。