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基于综合能力培养的化工原理课程教学改革


化工原理课程主要研究化工生产过程中质量、动量、热量传递所遵循的基本规律,讲述了重要单元操作的基本原理、工艺计算、设备结构等内容,可以很好地解决实际生产中遇到的设计型和操作型问题。该课程属于工程学科,它是基础理论课向工程专业课过渡的桥梁,是解决实际生产问题的基础。
化工原理课程涉及大量数学、物理中的知识,研究对象是复杂的生产过程,研究方法多为实验研究和数学模型研究,难度相对较大,而学生此时往往缺少对化工过程及相关设备的了解,所以该课程的学习对刚接触工程学科的学生来讲是一个挑战,往往会造成学生学习积极性不高的情况。仅靠教师单方面的知识灌输会显得课程枯燥乏味,很难使学生积极主动地投入学习。特别是在当前“新工科”背景下,传统的化工原理教学已经很难适应当前社会产业变革与高等工程教育自身发展的需求,学生的分析和解决问题的能力、创新能力、表达能力、合作能力、跨学科知识应用能力等在新经济、新产业的背景下显得愈发重要。加强化工原理课程教学方法的改革,以企业需求为导向,精准提高学生综合能力与素质是当前化工原理教学的重点。
一、同伴教学法与“雨课堂”结合,辅助课堂教学
同伴教学法是指教师使用专门设计的用于揭示学生错误概念和引导学生深入探究的概念测试题,组织大班课堂教学,在课堂教学中实现学生自主学习、合作学习、师生互动、生生互动的创新教学模式。这种方法让学生更多地参与教学过程,使得课程内容更易被学生接受,有利于通过课程改革培养学生的综合能力。
在化工原理的授课中教师基于“以理论为基础,以问题为核心”的思想系统设计教学过程。上课前教师先通过“雨课堂”发送预习题目,此类题目一类为概念性问题,使得学生对即将学习的内容有大概的认识,一类为具有一定挑战性的实际应用问题,让学生带着疑问和兴趣进入课堂;课堂上教师每讲解一段知识后,及时在“雨课堂”发送题目,实时了解学生的学习情况,调整自己的上课内容;教师适时发送一些需分析推理才能解决的有难度的问题,如流体流动章节中供水塔高度选择等问题,留时间让学生分组讨论,然后选取一组成员为同学们讲解讨论结果,其他组学生补充或提问,之后教师对学生的讲解情况进行点评,再次强调此知识点。通过以上环节既让学生在讨论过程中加深对问题的理解,又培养了学生的批判性思维,启发自己进一步思考问题,提高了学生的自学能力,同时达到活跃课堂气氛的效果,让学生更加积极地投入化工原理的学习。
二、制作动画,形象展示化工原理知识点
化工原理课程往往在大二下学期或大三开设,大部分学生此前并未接触过化工生产过程,所以对涉及的单元操作原理、现象、设备结构和工艺等没有直观的认识,仅仅通过文字和静止的图片很难让学生充分理解某些化工原理知识,且真正反映化工原理知识的实物实验较少且陈旧,不能很好地满足教学需求,部分原理不能通过真实的实验现象直接体现,如间壁传热过程、中央循环管式蒸发器工作原理等。而Flash、PPT或草图大师等软件可以根据教学需求制作简单且生动的动画,用这种形式展示化工原理知识点是一种非常合适的授课途径。
在化工原理的教学中教师可以给学生布置一个任务,要求学生以团队的形式,通过Flash、PPT或草图大师制作动画,演示1~3个化工原理单元操作过程或设备工作原理,同时安排1节课的时间进行动画作品汇报,教师根据实际情况进行点评和打分,学生根据建议将作品修改完善并交给教师收集。通过动画的制作能促使学生积极地查阅资料,在解决问题的过程中加深了对单元操作及设备原理的理解,特别是复杂单元操作过程或现有资料有限时,学生会主动联系指导教师探讨并反复改进动画;同时增加了学生的计算机相关技能的学习,除了Flash、PPT外,一些学生甚至利用草图大师、C4D、Revit等难度较大的软件进行动画制作,更加直观地展现了化工原理的知识点。通过化工原理动画制作环节,学生的分析问题的能力、计算机制图能力、团队合作能力、汇报表达能力均得到了一定的提升,同时扩充了教师的教学素材库。
三、自学并汇报化工单元操作知识
化工原理课程主要是讲解一些经典的化工生产经典单元操作相关内容,教师并未着重对最新的、前沿的化工原理知识进行讲述。同时在设备部分的讲解上教师并未对设备类型进行完全覆盖,大部分常用的、主流的设备工作原理及流程讲解较细致,但仍有部分重要设备讲解较简单,如蠕动泵、磁力泵、柱塞泵、膜分离设备、喷雾干燥机、冷冻干燥机、沸腾干燥机、蒸发器等,这些设备在制药工程、生物制药专业有着广泛应用,但在书本中却未重点提及。这导致学生所学内容不能紧跟信息时代的发展,与部分企业的实际生产脱节,同时学生学习的兴趣也会降低。
在化工原理授课中教师将一些热门、前沿领域的单元操作知识留给学生研究讲解,如其他类型泵、气体输送机械、搅拌、蒸发设备、超临界流体萃取、吸附、膜分离等,课本上这些内容有限,需要大量资料文献加以充实。教师可以按小组的形式将题目在学期初分配下去,每组针对一种单元操作或设备进行文献资料收集查阅及PPT制作,在相应授课阶段进行PPT汇报。小组成员一起完成PPT的制作,围绕该单元操作原理及设备结构和工作流程,所有成员均进行上台汇报,不严格限制汇报时间,有部分学生的汇报技巧和状态比在动画作品汇报时有了明显的进步。汇报完后学生根据汇报内容提出问题,由汇报小组回答,最后教师对此内容进行补充和总结。部分学生制作的PPT覆盖面广、内容前沿,可用作以后教学。通过此环节,教师将授课的主体交给学生,极大地提高了学生学习化工原理的积极性和主动性,同时锻炼了学生文献资料的查阅能力、团队合作能力、分析解决工程问题的能力、语言表达能力等。
四、引入“一张纸”半开卷考试模式,优化考核标准
化工原理课程有较深的理论知识,同时又具有很强的工程实践性,涉及相当多的公式。授课中教师通常会结合例题和工程实践反复强调这些公式的应用,但正是因为公式的复杂和繁多,很多学生会忽视对公式的持续学习,导致考试前死记硬背公式,缺少对公式的理解[6],甚至只能针对一种类型的题目套用公式,却不能灵活应用公式解决其他类型的题目。化工原理题库丰富,学生往往针对教师讲解的重要类型题目搜索答案,然后死记硬背解题流程,这与传授学生工程科学技术知识、培养学生分析和解决实际工程问题能力的初衷背道而驰。为了改变以上局面,提高学生对化工原理知识的理解、分析和应用能力,我们在今年考试中引入了“一张纸”半开卷的期末考试模式。
半开卷模式具体实行情况如下,考试前教师利用一节课的时间对整本书的重点知识进行梳理,在PPT上展示需要学生着重理解的公式等知识点,并将一些难点公式通过例题进行讲解。接下来教师要提醒学生务必把公式理解,然后将自己认为重要的知识点和公式写在一张A4纸上,内容不限,要求这张A4纸内容必须手写,不能打印,不能多层覆盖,同时在纸上写上自己的姓名和学号。考试前1~2天学生将这张纸交给授课教师检查,若合格则教师用醒目的笔签字,若与要求不符则没收纸张并让学生重新写。考试时学生只能带这张由授课老师签字的A4纸进入考场,可随意查阅此A4纸内容,不得翻阅其他资料,若有翻阅除此A4纸外其他资料则视为作弊。监考教师考前查看学生带的这张A4纸是否符合要求,若不符合则没收此纸。考试结束后将此纸和试卷一起收走。
为了使半开卷考试更能体现学生对化工原理知识的理解程度,教师重新建立了试卷库,力求题目内容覆盖面广、解题方式灵活并尽可能与以往题目不同,难度与之前闭卷考试相比有了一定的提升,可更客观、全面地体现学生化工原理知识的掌握水平。
通过此次半开卷考试的实行,考试成绩和之前闭卷考试相比方差明显变大,两极分化变得严重。少部分学生分数会有明显的进步,取得较高分数,但同时有部分学生分数很低。可见对于平常学习态度端正、能对知识进行理解的学生而言,“一张纸”半开卷考试模式会减小他们的记忆压力,并能通过半开卷资料的准备进一步加深对内容的理解,对成绩的提高起到一定的促进作用;而对于部分依赖死记硬背记忆公式,而平常对公式没有系统的学习理解的学生而言,试题难度加大,成绩则会偏低;对于平常不学习的学生来说,两种考试模式成绩都很低;总体的平均分有所下降。通过“一张纸”半开卷考试可培养学生归纳总结、灵活应用知识的能力,有助于学生工程技术能力的养成和提升。
修改后的考核标准为半开卷考试分数占60%;动画制作及汇报分数占10%,“雨课堂”成绩占10%,考勤占10%,前沿知识汇报占10%。此标准能准确地反映学生在整个化工原理学习过程中的质量,让学生的综合能力得到全方位的体现。
五、结语
经过以上对化工原理课程教学的改革探索,能够让学生对化工原理课程的学习有了更多的热情,同时使学生多方面的能力获得提升,特别是绘制设备原理动画的过程,让部分学生“如鱼得水”,并自学了相关专业的其他知识。有部分学生将此动画加以文字说明,并创作成科学文章上传自己经营的微信公众号中,这对教学的开展提供了新的思路。在以后的教学中,教师会进一步在以上方面进行有益探索,同时增加教学内容的整合和优化,使学生的积极主动性得到更大程度的发挥,进一步有针对性地提升学生的综合素质和能力。


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