基于翻轉課堂模式的化工熱力學教學方法

丁麗芹

[摘要]化工熱力學是化學工程與技術一級學科下屬各專業的專業教育核心課程。課題組倡導在化工熱力學翻轉課堂模式的教學設計中，應包括課前精心備課、課堂組織教學以及課后考核評估三個環節，“以學生為中心”。采用“設疑-解疑-答疑”的漸進式教學方法，強調基礎理論與工程實際的緊密結合，激發學生學習興趣，培養學生自主學習能力和創新能力，為高素質工程技術人才的培養奠定基礎。

[關鍵詞]化工熱力學;翻轉課堂;教學方法;自主學習;考核方式

[中圖分類號]G642

[文獻標識碼]A

[文章編號]2095-3437（2020）04-0109-03

作為一種新穎的教學方式，翻轉課堂（Flipped Classroom）就是指將授課教師的“教”和學生們的“學”徹底翻轉、顛倒過來，將學習的主動決定權從教師轉移給學生，以“學生為中心”進行教學，又稱為顛倒課堂（Inverted Classroom）。上課前，學生通過看視頻、聽播客、閱讀書籍等進行自主學習;課堂上，教師以學生提出的問題為引導，重點為學生答疑解惑，而無須系統講解相關知識;下課后，學生則自主規劃復習學習內容及其節奏。因此，翻轉課堂的教學方法實質就是將知識的傳播和知識的內化兩個教學過程進行顛倒，這種教學方法的應用能夠激發學生的學習興趣，極大地促進學生的主動學習。

化工熱力學是化學工程與技術一級學科下屬各專業（如化學工程與工藝專業、能源化學工程專業等）的專業教育核心課程，此課程基于數學、物理化學及工程基礎知識等，以熱力學基本定律為基礎，用熱力學函數（P、V、T、H、S等）分析某些化工過程達到平衡的條件、狀態和能量利用及其效率問題，制訂節能降耗措施，以提高過程能量利用率。對于化學工程與技術學科的學生而言，這是一門從基礎課過渡到專業課的橋梁課程，必須掌握其基本理論知識，才能具備分析和解決工程中有關化工熱力學問題的能力。然而，化工熱力學這門課的特點是理論性較強、概念抽象、公式繁多（多達106個公式），導致學生認為這是一門“焓焓”糊糊、“熵”透腦筋的課程而產生畏難情緒。此外，教師們在講授這門課時大多采用“填鴨式”的傳統授課方式，忽略了學生個性化學習、自主學習能力的培養。

2017年9月到2018年10月，筆者有幸到美國得克薩斯大學奧斯汀分校（The University of Texas at Austin，UT）以訪問學者的身份進修了1年。通過學習，收獲頗豐，在此結合化工熱力學課程教學現狀，闡述課程團隊教師需要精心重新構建化工熱力學的教學設計，包括課前精心備課、課堂組織教學以及課后考核評估三個環節，希望能對課堂教學注入一點活力，提供一定的參考。

一、課前精心備課

與傳統備課方式不同，要達到翻轉課堂的效果，教師在課前必須通過制作微視頻、制作“空白”型PPT、設置問題和疑點，督促學生查閱資料。

1.教學微視頻必須短小精悍。時長控制在學生能夠集中精力的范圍之內（如小于10min），可以通過動畫、圖片、文字等表達應該掌握的相關知識點。此外，微視頻的內容在基于理論教學內容的基礎上，必須密切聯系實際生產或生活中的實例。比如，在講授狀態方程的應用時，結合能源利用現狀，設置問題：同樣一罐壓縮天然氣，夏天跑的里程為什么比冬天的短？提示學生可以分別應用理想氣體狀態方程、RK方程等計算一定體積的儲氣罐在一定壓力（如20MPa）和不同溫度（冬天15℃，夏天為45℃）下壓縮天然氣能行駛的里程數。理論聯系實際，讓學生明白所學知識可以應用，這樣可大大提高學生的學習興趣和主動性。

2.制作“空白”型PPT。傳統的PPT內容翔實，問題及解決方法盡在其中，鼠標輕輕一點，公式映入眼簾，學生感覺眼花繚亂，沒有思考的時間和余地。而“空白”型PPT是一種設置了疑點的PPT。例如，UT的Ganesan教授在講授系統與環境相關知識時，學生課前拿到的PPT上僅有封閉系統的特點：“與環境之間沒有物質傳遞，但有能量傳遞”，而孤立系統和開放系統的特點需要學生自己總結。此舉極大提高了學生的自主學習能力，正應了“Tell me，I will forget;Show me，I may remember;Involve me，I will understand”這句話。

3.設置問題和疑點，督促學生查閱資料。針對課程概念抽象、公式繁多的特點，備課并不能完全局限于現代多媒體教學方法，也可以適當采用傳統方法，教師在上課前給學生設置問題和疑點，促使學生查閱資料，主動思考，學習新知識。美國高校的本科生教學大多數是沒有固定教材的，教材只是授課教師的參考資料，教學內容是由教師參考最新研究和一些經典教材自己組織的，并不局限于某一本教材。因此，為了解決教師提前設置的問題和疑點，學生不得不通過網絡、圖書館等查閱資料解決，大大提高了其學習的主觀能動性。

可見，課前精心備課、設置疑點是實現翻轉課堂的關鍵步驟，可以說，教師是學生學習過程的設計者。

二、課堂組織教學

在課堂教學中，教師們可以通過翻轉課堂的模式組織教學，聽取學生在自學過程中遇到的各種問題，采用啟發式教學、案例式教學和課堂分組討論等形式解決，并針對學生提出的問題進行重點講解和章節總結，深化知識點的關聯性，加深學生對課程內容的理解。另外，也可結合學生就業講授教學內容，強化與學生的交流和互動，注重使學生深入理解所學知識，提高教學效果。

1.采用啟發式教學，營造輕松安全的氛圍。在課堂教學中，教師應將傳統系統講授知識的精力用于精心組織課堂教學，以解惑和討論為主，注重通過翻轉課堂強化與學生的交流。這就要求教師需要提前收集學生在課前自學中遇到的問題，針對這些問題進行重點講解，答疑解惑，使學生聽后有種豁然開朗的感覺，同時通過隨堂測試、課堂提問、師生互換、單元測試等教學方式和手段，督促學生主動認真學習，以達到提高教學效率和效果的目的。由于實行翻轉課堂的授課方式，學生都是有備而來，在解決學生提出的疑點和授課過程中，可更多采用美國倡導的“以學生為中心”（Student-Centered-ness，SC）的啟發式教學方法。啟發式不僅體現在提出問題、解決問題、師生討論方面，而且與教室的布局、生生討論有關。美國高校的教室布置非常隨意，椅子是可以活動的，方便學生之間進行小組討論;也有的教室類似國內固定座椅的布局，學生坐著聽教師講課，但是授課教師講課時在教室里隨意走動，有利于學生集中精力聽課;每一間教室都有多媒體、各種投影儀等，教師通過投影儀邊寫邊講學生提出的各種疑點，有利于學生對疑點難點的消化和吸收。因此，面對國內教室布局，教師可以不拘泥于講臺而是通過在教室隨意走動督促學生集中精力，引導學生思考，鼓勵學生提問，并把積極提問的頻次作為判斷學生學習能力的一個重要標準之一，使學生成為教學活動的參與者和領跑者。課堂氛圍不僅需要輕松活潑，而且需要一種安全的氛圍，即學生可以毫無負擔地提出任何問題，甚至可以質疑教師的觀點，而不被斥責或在總成績中因此舉降低分數。

2.及時總結內容，深化知識點的關聯性。及時總結內容包括學生分組討論總結和教師總結兩部分。在講解相關疑點難點重點后，教師可以按照座位確定5～10人為一組，并用數字為每個小組編號，確定組長，通過集思廣益、各抒己見去總結本章節的內容，采取激勵措施，使各組之間形成競爭的氛圍，并通過總結使學生理解各知識點之間的關系。當學生在進行小組學習和討論總結時，授課教師在教室走動給予幫助和指導，這樣不僅培養了學生現代社會所需的合作學習能力和團隊協作能力，而且也為教師自己后續的總結收集、補充、完善資料，達到了教學相長的目的。在各小組總結的基礎上，教師還要對本節（或本章）內容進行總結，側重于對本節（或本章）內容承上啟下的作用進行講解，使學生感受到教材中的相關內容“放下了是一堆，提起來是一串”，始終有一條主線貫穿其中，深化各知識點之間的邏輯關系。例如，在講授立方型狀態方程的相關內容時，形式多樣的狀態方程，均可寫作通式P=RT/V-b-Attr，結合方程中的參數，可總結如表1所示。

這樣通過與最簡單的理想氣體狀態方程比較，得出“方程結構越復雜，精度越高”的結論，并通過后續的上機實訓進行驗證，培養學生通過軟件計算解決實際工程問題的意識。

3.結合學生就業，講授教學內容。面對抽象難懂、公式繁多的教材，提倡授課過程中穿插一些教師本人對本課程獨到的見解，如該課程在日后工作中的應用、就業方向以及職業生涯規劃等方面的內容。有工程實踐經驗的教師，可以該專業學生日后就業的煉油或化工廠等實際生產裝置為例，讓學生設身處地地思考：如果工作后領導需要進行裝置的標定，期間需要利用Aspen Plus等化工軟件進行計算，面對課堂上學習過的van der Waals、Redlich-Kwong、Soave-Redlich-Kwong、Peng-Robinson等狀態方程，如何選取一個合適的方程進行計算？任務的完成與否將會影響到本人的薪金待遇和職位晉升，如此現實的問題迫使學生不得不考慮如何解決，這樣教師就能引導學生思考并理解各個方程的適用范圍。此舉不僅傳授了知識，緩解了學生大腦壓力，而且使學生意識到課堂上所學知識和就業后的工作是息息相關的，勢必會影響他們的前途和命運，這樣會激發學生學習的興趣和欲望，教學效果也在不知不覺中得以改善。

總之，在課堂教學中，教師精心組織課堂教學，為學生解決疑點問題，教師的作用由講授知識轉變為引導學生學習，學生的學習由被動接受轉變為自主學習，可以說，教師是學生學習過程的引導者和合作者。

三、課后考核評估

課后的首要環節是檢測學生們的學習效果和學習質量，可以通過輔導答疑、在線開放課程平臺、期中期末考試等多渠道評定學習效果和質量。

1.改善輔導答疑的內容和形式。目前盡管課程設置了每周的輔導答疑時間，但每次前來問問題的學生寥寥無幾，若我們將單元測試、期中考試等與學生最終成績息息相關的教學環節穿插于此，結合網絡在線平臺的建設，線下線上有機結合，問題也就迎刃而解了。例如，UT的Maynard教授的助教在每周一次的答疑課上，不僅為學生講解作業中的疑點，而且不定期地設置小測驗，測驗成績計入總成績中，此舉督促了學生按時參加答疑活動。

2.考核方式多樣化。目前，化工熱力學課程的考核方式比較固定，一般期末考試成績占總成績70%～80%的比例，平時作業成績占總成績的20%～30%，且考試內容大多數都是課堂上所講的，學生習慣考前復印記錄完整的筆記，考前臨陣磨槍，考試照樣可以順利通過。這種制度造成了學生不注重平時的學習過程，更談不上自主學習和創新性學習。因此，期末考試成績所占比例一定要較小，以便杜絕考前突擊的現象。美國大學教師對于考核模式有很大的自主權，同樣一門課程，不同的授課教師考核方式及各環節所占比例各異，但共同點都是側重于學習過程，而期末考試成績所占比例均僅為20%左右。比如UT的Maynard教授提供的一份化工熱力學教學大綱顯示，最終成績由家庭作業（9%）、隨堂測試（15%）、平時考試（每次占19%）和期末考試（19%）組成，完全顛覆了考核側重點觀念。該校的教學非常注重學習過程，學生們在學習的同時，及時消化吸收，避免了將疑點堆積至期末難以下咽的問題。

3.采用半開卷考試方式。目前對于化工熱力學課程期末考試，有的學校采用閉卷考試，有的則是開卷考試。閉卷考試的弊端是公式太多，在短時間內記憶困難，可能會導致夾帶等作弊現象的發生;開卷考試的弊端是學生完全依賴教材和作業，考場上很多時間用來翻閱資料而不去認真審題思考，還會出現相互傳送資料的現象。UT的Ganesan教授和Maynard教授均采用了半開卷的考試方法，允許學生攜帶一張規定尺寸（如3英寸×5英寸）的“小抄”（cheat sheet），而教師則提供可能會用到的公式、方程及圖表等資料，這樣避免了學生死記硬背公式，減輕了考試負擔，促使學生將學習的重心放在理解和應用知識方面，體現了以學生為中心的教學理念和教書育人的教育宗旨。

總之，考核評估應包括平時作業、隨堂測驗、課堂提問、師生互動、生生互動、單元測驗以及實驗上機等，還應該結合大數據、相關軟件等，減少教師的工作量，盡可能客觀公正地評價學生的學習，讓教師成為學生學習過程的輔導者。

綜上所述，翻轉課堂的模型如圖1所示。

四、結語

誠然，我國的大學教育模式經過多年的探索，擁有了自己的特色，能夠使學生系統掌握知識，但是，這種教育模式不利于培養學生的自學能力和創新能力。因此，我們可以取長補短，借鑒和學習美國高等學校的教育模式，改變教學觀念，認識到課程教學模式改革的必要性，學習和掌握多種多樣的教學手段、教學方法和考核方式等。我們可以從翻轉課堂的教學模式著手，貫徹“以學生為中心”的教學理念，以工程教育專業認證為契機，采用“設疑-解疑-答疑”的漸進式教學方法，使教師成為學生學習過程中的設計者、引導者、合作者和輔導者，促進教師積極主動提高自身的教學業務水平。希望通過上述改革和探索，持續改進，培養學生的自主學習和創新能力，為高素質工程技術人才的培養奠定基礎。

[責任編輯：鐘嵐]