線上線下協同教學模式探索與實踐推進化工原理課程建設

管玉雷，趙彬俠

西北大學化工學院，西安 710069

化工原理課程是以數學、物理和化學等學科知識為基礎，以動量、熱量和質量傳遞過程原理和研究方法論為主線，分析、解釋和處理化工生產中各種物理過程問題的工程學科，擔負著由理及工、由基礎到專業(yè)的橋梁作用[1]。它是培養(yǎng)化工類專業(yè)本科生工程素養(yǎng)和創(chuàng)新意識的主要課程，注重工程計算、過程設計與強化，涉及大量的抽象公式。化工原理課程之前都是理科性課程，對于初次接觸工程基礎課程的學生來說有著較大挑戰(zhàn)。此外，隨著信息和互聯網技術的快速發(fā)展，線上教學大規(guī)模進入高校，雖然線上教學有著線下常規(guī)教學不可比擬的諸多優(yōu)點，但也需要師生面對面交流促使教學內容的吸收內化。西北大學教學團隊基于化工原理的課程特點及教學現狀，結合工程教育專業(yè)認證的教育產出(OBE)理念，對該課程進行了線上線下協同教學模式的探索與實踐。

1 化工原理課程特點

化工原理被認為是教師難教、學生難以理解和掌握的一門課程，這主要歸因于其課程特點[2,3]：(1) 知識體系復雜，涉及多門先修課程；(2) 包含諸多化工單元操作，各個單元操作過程相對獨立，知識點繁多且零散；(3) 理論知識抽象，涉及很多推導公式和經驗公式；(4) 課程具有較強的工程性，計算量大，多采用半理論、半經驗的研究方法。

2 線下課堂教學特點

(1) 化工原理課程以本科生對單元操作過程的計算、設備設計以及過程強化能力為培養(yǎng)目標。但受諸多因素限制，學生不能深入工廠一線，加之先導課程都是理科性課程，學生缺乏工程思維，習慣于數學推導處理理想模型，當轉向分析解決化工實際問題，需要理論聯系實際時，突感無所適從，思維方式不能相應轉變，如果某些知識點沒能掌握，極易挫傷學習積極性。有些學生的先修課程掌握較差，在進行原理講解、公式構建的時候，無法跟上課堂講授節(jié)奏。此外，由于課堂學時有限，常規(guī)化工原理課堂教學更偏向理論知識講授，許多知識點僅能淺表滲透，很難延伸拓展，學生往往感覺課程內容干澀抽象，難以理解掌握。

(2) 在傳統(tǒng)教學模式中，教師是教學活動的中心，承載著知識傳授者的角色，學生則處于被動接受的地位。教學的根本目的在于塑造學生，教學過程就是學生的認識和知識內化過程。常規(guī)線下教學模式忽視了學生的主體認知作用，不利于學生工程素養(yǎng)和創(chuàng)新意識的培養(yǎng)，因此需要正確處理教師的引導性與學生的主體性之間的關系。那么教師在講授化工原理知識的同時，更應成為學習過程的引導者，注重激發(fā)學生對化工單元設備的求知興趣，啟發(fā)學生對單元操作基本原理的積極思考，更多參與教學活動，使其在主動積極的心態(tài)下汲取化工原理知識。

(3) 在化工原理課程學習過程中，學生對知識的掌握和能力的發(fā)展不是同步的。知識是培養(yǎng)能力的基礎，能力的發(fā)展不等同知識的堆積，只有在不斷探索和運用知識的過程中才能使學生的工程素養(yǎng)得到提高。在化工原理的常規(guī)課堂中，學生和教師的接觸時間主要集中于課堂教學中，受繁重教學任務的限制，師生溝通互動不足，很多學生無法緊跟教師的課堂設計思路，缺乏質疑精神。如果加強課堂互動，而又要保證教學計劃，就需要學生課前通過預習熟悉相應的課堂教學內容。

(4) 課余時間學習效果欠佳。很多學生在進入大學后沒有養(yǎng)成良好的學習習慣，或者受化工原理學習資源限制，大多學生課前不進行針對性預習，不了解課堂教學進度，無法帶著疑問真正參與課堂學習。此外，在課余學習中遇到問題時，大多學生不會主動與教師交流探討，那些真正需要得到教師指導的學生反而更沒有勇氣，甚至直接關閉了面對面向教師請教的通道。既然化工原理課程本身難度就大，讓這些基礎較差的學生在課余時間自學將會更加困難。

(5) 考評方式單一，常規(guī)教學模式缺少對學生平時學習效果的系統(tǒng)評價。該課程原本的評價方式以期中考試+期末考試為主，學生不注重平時和課余積累，相當一部分學生依靠考試前突擊復習，以點代面，嚴重妨害了學習的主動性，化工原理課程知識體系結構難以建立，知識的吸收內化更是難以實現。

3 化工原理在線開放課程建設及線上教學特點

3.1 化工原理在線教學資源構建

(1) MOOC資源建設[4]：西北大學化工原理教學團隊在陜西省精品課程的基礎上，于2018年開始進行化工原理課程信息化建設。基于中國大學MOOC (Massive Open Online Course)平臺的框架，教學團隊組織并完善了課程介紹、課程介紹視頻、教學大綱、參考資料和教學安排等信息化材料；根據化工原理知識結構的系統(tǒng)性，將課程章節(jié)分解成67個知識點，以知識模塊為基本單元編排教學內容，每個單元模塊錄制配套教學視頻約10-20 min，組織并建立起豐富的慕課素材，其中授課視頻67個，單元測驗和作業(yè)題537道，期末試題82題，99個富文本(與知識點相關的課外學習素材)和67個PPT課件等；通過化工原理課程后臺管理設置課程團隊，發(fā)布課程介紹頁，將設計好的公告、評分方式和教學單元內容上傳至中國大學MOOC平臺，并設置討論區(qū)結構。該課程于2020年2月(正值疫情防控關鍵時期)在中國大學MOOC平臺上線開放，實現了化工原理課程網上教學，目前已開課3期。

(2) 慕課堂資源建設：慕課堂是中國大學MOOC平臺提供的線下智慧教學輔助工具，具有簽到、點名、隨堂練習、問卷、討論、公告、統(tǒng)計等多種教學功能，查閱數據方便，能及時獲取學生學習情況。我們針對每個知識點在慕課堂設置了實踐性很強的討論和練習以加強訓練和追蹤學生學習效果(慕課堂討論題126個，練習題485個，設定分值進行評價)。同時，慕課堂也為教師和學生之間增加了一座相互聯系的橋梁，定期在慕課堂進行問卷調查(21個)，對一些學生難以理解的知識點，根據學生意愿開設附加的習題講解。

(3) 課件開發(fā)：化工單元操作涉及很多設備，設備的結構及其在工程中的應用等內容采用圖像、三維動畫、錄像等素材以直觀、具體的形式呈現，可提升學生對化工單元設備結構的理解，有助于培養(yǎng)學生優(yōu)化設備結構的創(chuàng)新意識。

3.2 線上教學模式特點

教學團隊根據教學計劃，提前一周在中國大學MOOC平臺上發(fā)布化工原理教學視頻和PPT課件，布置學習任務，引導學生完成課前預習。在QQ群課堂(騰訊公司開發(fā)的在線直播授課程序)上盡量發(fā)揮學生的自主學習能力，教師對學生提出的問題進行釋疑解惑。針對每個知識點，通過慕課堂設置實踐性很強的討論和練習以加強訓練，統(tǒng)計學生在學習過程中遇到的問題，掌握學生的學習情況及效果。這種線上學習的時間大部分由學生自己靈活掌握，可以利用大量零碎時間進行線上學習，然而化工原理單純線上教學模式也存在難以避免的缺點。

(1) 學習狀態(tài)難以把控。2020年春季學期新冠疫情期間，全國大多數高校包括西北大學倡導了“停課不停學”，教學團隊采用QQ群課堂形式授課。由于線上視頻教學自身的局限性，教師通過視頻窗口很難捕捉到所有學生的反饋信息，不能真正掌握學生的學習狀態(tài)以及知識點的理解程度，只能依據課堂計劃講解，無法兼顧學生個體差異對課程內容掌握程度的不同而因材施教。此外，在線上視頻授課時，教師難以監(jiān)督所有學生真正而有效的參與。

(2) 學習效果不能及時了解。在線下常規(guī)課堂進行提問互動，只用一兩分鐘就可以掌握學生的理解情況，教師可以根據學生的課堂反應及時調整講解重點或者調整課堂進程，但是對于在線視頻授課，大多學生不會積極回答問題，需要等待很長的時間才能匯總得到大部分學生的反饋，大大降低了課堂效率，如果采用文本窗口交流，許多同學則會采用復制粘貼或者轉發(fā)的方式，那么教師收集起來的答案樣本將不具有代表性，不能依據現有學情統(tǒng)計結果指導課堂安排。

(3) 外界干擾影響顯著。在家中通過線上學習的學生極易受到周邊環(huán)境、家庭因素的干擾，很難做到專心投入到學習中去。此外，部分學生家中網絡信號不穩(wěn)定，時有網絡未連接或掉線情況發(fā)生，QQ群課堂的學習效果將很難保障。

4 線上與線下協同教學探索

西北大學化工原理教學團隊吸納線上教學和線下教學的優(yōu)點，對現階段化工原理課程的教學方式進行改革。隨著教學理念的不斷發(fā)展，翻轉課堂也引入我們線上線下協同教學模式中，通過學生觀看教學視頻自主學習與教師課堂釋疑解惑，實現了常規(guī)課堂中知識傳授與知識內化兩個階段的顛倒[5]，那么在常規(guī)課堂上，學生能更好側重于知識鞏固吸收，以及與教師同學的互動交流上。以下將從教學策略、教學過程、成效特色三個方面對化工原理線上線下協同教學模式進行分析。

4.1 教學策略

為了使學生打好理論基礎、建立工程思維、提高實踐能力、培養(yǎng)創(chuàng)新意識、拓展知識視野，基于OBE理念，結合對本科生知識結構和學情的分析，化工原理課程的教學設計如下：(1) 樹立教學理念：把傳授知識、培養(yǎng)能力和提高素養(yǎng)相融合；(2) 構建課程體系：注重關聯，整合共性，加強實踐，體現工程；(3) 豐富教學內容：跟蹤學科發(fā)展前沿，注重科研反哺教學，新增新型單元操作、新型單元設備教學內容，強調環(huán)保、安全、節(jié)能等理念，通過膜分離、吸附和分子蒸餾等新型分離方法、新型填料及其應用前景的介紹，拓寬學生視野[6]；(4) 創(chuàng)新教學方法：采用實體課堂+慕課+慕課堂+QQ群(以及微信群)的協同教學模式，借助現代信息技術，強化課堂教育；(5) 改革考評機制：注重多元過程考核。

4.2 教學過程

采用常規(guī)實體課堂與慕課、慕課堂及QQ群和微信群有機結合的教學模式。其中慕課(中國大學MOOC平臺)提供豐富的教學資源；慕課堂主要用來簽到、點名和發(fā)布公告、問卷、知識點的討論和練習，用于跟進學生課前、課中及課后的學習情況；實體課堂重在解決重、難點問題，使教學更有針對性；QQ群(微信群)用于增強教師與學生間的交流與溝通，隨時解決學生學習過程中遇到的問題。線上線下協同教學模式簡要實施方案如圖1所示。

圖1 協同教學模式實施過程

(1) 課前：教學團隊根據常規(guī)課堂教學計劃，提前一周通過中國大學MOOC平臺發(fā)布預習、復習課程內容，提出課前和課后的具體要求。學生充分了解教師安排的任務后，通過中國大學MOOC平臺上的西北大學化工原理慕課資源進行預習、復習以及配套練習，學有余力的學生可以拓展學習資源。提前發(fā)布教學視頻對學生的預習有非常好的幫助，因為化工原理課程難度很大，特別是一些現象原理的理解、公式的推導，對于沒有工程學習基礎的學生來說，很難建立工程思維方式。學生需要總結自己已掌握的以及存在的問題，并將疑惑難點在課堂教學前一天反饋給教師。教師根據課前學生反饋信息，完善教學設計、問卷、知識點的討論和練習，以便有的放矢地開展課堂教學。課前通過中國大學MOOC平臺完成預習不僅可以使學生提前了解并掌握知識點，還可濃縮實體課堂教學，使學生在課堂上帶著問題聽課，與教師進行高質量的互動交流。

(2) 課中：講解重點難點問題，教學更有針對性。課堂上注重為學生創(chuàng)設濃厚的學習氛圍，增加學生的課堂參與度，集中解決學生提出的問題。通過引入與教學內容相關的實際工程案例適當設疑，激發(fā)學生的思維能力，創(chuàng)造師生間良好的教學互動氛圍。理論分析揭示出隱藏其中的理論依據，實現激發(fā)學生求知欲、課程知識吸收內化的目標與效果，并鼓勵學生對問題進一步探索，擴展學習深度和難度。課堂尾聲梳理整堂課的教學內容，并通過慕課堂發(fā)布隨堂討論、練習題和問卷。課堂講解與交流互動同步進行，使學生專注于教師的釋疑解惑，不僅可以激發(fā)學生的學習興趣和積極性，而且可以加深學生對知識點的理解程度。

(3) 課后：學生課后通過慕課堂習題和課后作業(yè)鞏固拓展，引發(fā)思考討論，將課堂學習延續(xù)到課后的移動學習中，滿足個性化的學習需求，使學生牢固地掌握教學內容。學生完成習題提交后能及時獲取參考答案，便于對照自查。最后統(tǒng)計學情、問卷調查內容，匯總分析教學效果，及時調整教學方案，并根據學生反饋情況，在下次常規(guī)課堂上及時指出學生學習過程中的一些共性問題，以提高大部分學生的知識水平，對完成情況不好的學生及時通過微信、QQ溝通交流不理解的知識點和習題，敦促其學習。同時課堂教學與實踐環(huán)節(jié)需要緊密結合，要求學生及時到化工原理實驗室完成相關知識點的化工原理實驗，促使學生對理論知識的深度思考，達到學以致用、提升工程實踐能力的目的。

(4) 線上考核、線下考核同步進行，著重過程考核。除了重要的線下閉卷考試，平時考核也是包括線上和線下的多元考核。化工原理課程成績評定：期末成績占60%，中國大學MOOC平臺線上成績占20%，平時成績占20%。期末考試采用常規(guī)閉卷考試方式；中國大學MOOC平臺線上成績等于MOOC單元測試和期末測驗成績的加權平均；平時成績由課堂考勤、課后作業(yè)、章節(jié)總結或課堂討論、慕課堂線下參與討論和練習情況等構成，其中考勤僅占平時成績的10%，課后作業(yè)、章節(jié)總結、課堂討論、慕課堂線下參與討論和練習情況等占90%。利用慕課堂每周對于學生線下學習情況進行學情分析，實現學生考核前置化、日常化，進一步強化多元過程考核。

4.3 成效特色

經過兩個學年的教學實踐后，教學團隊發(fā)現化工原理的線上線下協同教學過程中呈現出了常規(guī)課堂教學不可比擬的教學優(yōu)勢，具體表現在以下兩個方面：

(1) 濃縮課堂加強實踐。通過中國大學MOOC平臺課前線上導學、自主學習效果反饋使縮減學時與拓寬學生知識面的矛盾得以緩解。問題前置的課堂教學模式，使教學更有針對性，大大提升了學生的學習興趣和主動性，課堂授課由教師獨白到互動再到部分知識點學生上臺“講課”，使得課堂的教學氛圍、學習氛圍更加濃厚，更有利于理論知識的理解和拓展。慕課堂對學生進行學習跟蹤，適時掌握每位學生課前、課中及課后的學習情況，夯實學生的專業(yè)基礎，更加準確地了解學生學習過程中遇到的困難，做出針對性的指導，為教學過程的持續(xù)改進提供了依據。

西北大學2017級化學工程與工藝專業(yè)化工原理課程實行常規(guī)課堂授課模式，由于新冠疫情影響，2018級實行完全網上教學，2019級開始使用線上線下協同教學模式。現通過三個年級春季學期期末試卷成績進行評價。由圖2可見，完全線上上課的2018級不及格率與2017級基本接近，然而71%的學生集中于60-79分之間，究其原因是大部分學生不能很快適應線上授課模式，加之自控力和自主學習性稍差。同時我們也發(fā)現2018級的優(yōu)秀率(＞ 90分)稍高于2017級，這表明具有良好學習習慣的學生受益于中國大學MOOC平臺上豐富的學習資源。實行協同教學模式的2019級不及格率明顯下降，而且成績良好和優(yōu)秀的學生人數也得以明顯提高，充分肯定了線上線下協同教學模式的教學效果。

圖2 不同教學模式實施效果對比

(2) 突出學生的主體性。化工原理線上線下協同教學模式踐行了工程教育專業(yè)認證“以學生為中心”的教育理念。學生可以根據自己的學習時間或習慣來安排課余學習，提高了自我管理意識；在課前通過中國大學MOOC平臺進行課前的預習，提高了學習效率；在課堂上的答疑和互動也使得他們的學習目的更加明確，拓展了學生的思路；在課后利用慕課堂平臺復習所學的內容，增強了學習效果。實體課堂、中國大學MOOC平臺與慕課堂的有機結合，實現了以學生為中心，引導學生自主學習，啟迪學生深度思考，強化了實踐，強調了工程應用。例如：2018級化學工程與工藝專業(yè)學生黃佳卓在課程評價頁面留言：“教師采取線上線下混合的教學模式特別好，在課堂上沒有理解的知識可以課后看視頻消化，課前也可以看視頻預習，大大地提高了我自主學習、自主思考和自主解決問題的能力，慕課堂的練習和討論題，也提高了我的工程實踐能力。”

5 結語

化工原理作為化工類專業(yè)的核心基礎課程，需要做到教學統(tǒng)合。本文基于工程教育專業(yè)認證OBE理念，結合化工原理課程特點，融合線下教學和線上教學的優(yōu)點，對西北大學化工原理課程進行線上線下協同教學的研究與探索。經過持續(xù)的教學改革，本課程成為一門教學素材豐富、知識更新有序、教學手段先進、課程與實踐緊密結合的具有鮮明特色的專業(yè)基礎課程，突出學生的主體地位，調動了學生的學習積極性，能有效提高化工原理課程的教學質量。