結(jié)合虛擬仿真技術(shù)和對(duì)分課堂的化工原理教學(xué)改革初探

郭芬芬王 平郭 磊李冠喜 劉柏玲

（1.曲阜師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 山東·曲阜 273165；2.曲阜市姚村鎮(zhèn)小學(xué) 山東·曲阜 273105）

隨著信息技術(shù)在教學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)成為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要組成部分。虛擬仿真技術(shù)是現(xiàn)代教育的一種新興輔助技術(shù)，可利用圖形、動(dòng)畫、視頻等計(jì)算機(jī)手段，依托虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)，構(gòu)建高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象，學(xué)生在虛擬環(huán)境中開展實(shí)驗(yàn)，達(dá)到提高實(shí)驗(yàn)技能的目的。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等教育信息化建設(shè)的重要內(nèi)容，經(jīng)多年努力，已建設(shè)數(shù)百個(gè)國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)與專業(yè)實(shí)驗(yàn)密切結(jié)合，與實(shí)驗(yàn)教學(xué)并不矛盾，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了重要補(bǔ)充，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革提供了新的方向[1]。

根據(jù)本科教學(xué)評(píng)估“以本為本”的要求，要求教師授課應(yīng)以學(xué)生為中心，避免以講授為主、師生互動(dòng)為輔的傳統(tǒng)教學(xué)模式。而復(fù)旦大學(xué)張學(xué)新教授于2014年提出的對(duì)分課堂正是體現(xiàn)以學(xué)生為中心、教師為引導(dǎo)的一種新型教學(xué)模式。對(duì)分課堂的核心理念是一半課堂時(shí)間由教師講授，一半留給學(xué)生討論進(jìn)行交互式學(xué)習(xí)。對(duì)分課堂強(qiáng)調(diào)先教后學(xué)，教師講授在前，學(xué)生學(xué)習(xí)在后。但它不僅僅是簡(jiǎn)單的一分為二，對(duì)分課堂教學(xué)模式的實(shí)施分為講授（Presentation）、內(nèi)化吸收（Assimilation）和討論（Discussion）三個(gè)過程，因此對(duì)分課堂也可稱為PAD課堂[2]，其關(guān)鍵創(chuàng)新在于講授和討論之間留給學(xué)生一定時(shí)間自主學(xué)習(xí)，針對(duì)性地內(nèi)化吸收。張教授率先在心理學(xué)研究方法與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)課程上嘗試此教學(xué)方法，得到不少師生的青睞[3]。對(duì)分課堂是“精講-留白式”講授，聚焦于知識(shí)結(jié)構(gòu)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，把細(xì)節(jié)留白給學(xué)生，學(xué)生在內(nèi)化吸收和討論中完成深入學(xué)習(xí)[3]。對(duì)分課堂教學(xué)模式在教師層面上可以降低課堂教學(xué)勞動(dòng)負(fù)荷，提高工作效率，是解放教師的一種方式；在學(xué)生層面上可以極大地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的成就感[4]。目前，對(duì)分課堂已被納為上海市新教師培訓(xùn)課程、中小學(xué)教師“國培計(jì)劃”（中小學(xué)教師國家級(jí)培訓(xùn)計(jì)劃）的國培項(xiàng)目和全國高校教師網(wǎng)絡(luò)培訓(xùn)中心的培訓(xùn)課程。全國數(shù)千名教師已將對(duì)分課堂應(yīng)用在實(shí)踐教學(xué)中，獲得了良好效果，得到了廣泛認(rèn)可[5-6]。

化工原理課程難度相對(duì)較大，對(duì)于化工、生工、食品類等專業(yè)，化工原理又具有由理及工、承上啟下的橋梁作用，對(duì)專業(yè)課程打基礎(chǔ)、培養(yǎng)學(xué)生工程思維起著至關(guān)重要的作用。如何培養(yǎng)并增強(qiáng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力、降低學(xué)習(xí)難度、提高學(xué)習(xí)興趣成了亟須解決的問題。而虛擬仿真技術(shù)的成熟和對(duì)分課堂教學(xué)模式的引入，對(duì)提高學(xué)生實(shí)踐能力和課程教學(xué)質(zhì)量具有重要意義。

1 化工原理教學(xué)中的問題

實(shí)踐操作能力是化工原理重要的課程目標(biāo)，但實(shí)踐教學(xué)的開展有著重重困難，如實(shí)驗(yàn)教學(xué)場(chǎng)所和設(shè)備數(shù)量的限制，學(xué)生多人一組，獨(dú)立動(dòng)手的機(jī)會(huì)少，甚至不敢動(dòng)手；綜合性實(shí)驗(yàn)從準(zhǔn)備到觀察記錄，耗時(shí)長，實(shí)驗(yàn)效果不理想，也無法讓每個(gè)學(xué)生都在設(shè)備上獨(dú)立完成；化工企業(yè)生產(chǎn)的高溫高壓易燃易爆的危險(xiǎn)性和生產(chǎn)過程的復(fù)雜性，不允許學(xué)生實(shí)習(xí)時(shí)動(dòng)手操作，企業(yè)講解時(shí)因時(shí)間有限無法做到詳細(xì)系統(tǒng)以及工廠環(huán)境嘈雜講授內(nèi)容聽不清等，實(shí)習(xí)走馬觀花，實(shí)踐效果有限。化工原理理論與實(shí)踐脫節(jié)，學(xué)生工程思維培養(yǎng)受限。

化工原理課程難度相對(duì)較大，重理解、重系統(tǒng)性的學(xué)習(xí)，課堂學(xué)習(xí)任務(wù)重。為了在有限的課堂時(shí)間內(nèi)詳盡完整地將知識(shí)講授給學(xué)生，教師將課堂時(shí)間占滿，導(dǎo)致學(xué)生課堂參與度低，缺少獨(dú)立思考的機(jī)會(huì)，不能發(fā)掘?qū)W習(xí)的樂趣，逐漸喪失學(xué)習(xí)的積極性。因此，引入虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)結(jié)合對(duì)分課堂的教學(xué)模式對(duì)培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力和改善課堂教學(xué)效果具有重要意義。

2 化工原理教學(xué)方法

2.1 虛擬仿真技術(shù)的運(yùn)用

虛擬仿真技術(shù)是現(xiàn)代教育的一種新興輔助技術(shù)，可利用圖形、動(dòng)畫、視頻等計(jì)算機(jī)手段，構(gòu)建高度仿真的虛擬環(huán)境，達(dá)到提高實(shí)踐技能的目的。化工原理和生產(chǎn)實(shí)踐聯(lián)系緊密，首先通過工廠視頻和圖片資料，讓學(xué)生對(duì)實(shí)際生產(chǎn)過程有完整系統(tǒng)的了解，然后通過3D技術(shù)真實(shí)全面地還原實(shí)際生產(chǎn)中的各個(gè)環(huán)節(jié)，使學(xué)生對(duì)虛擬環(huán)境有較真實(shí)的體驗(yàn)，對(duì)原料到產(chǎn)品的整個(gè)生產(chǎn)流程有全面系統(tǒng)細(xì)致的認(rèn)識(shí)。學(xué)生通過設(shè)定各個(gè)操作條件，開關(guān)閥門，物料參數(shù)，掌握原料從進(jìn)料開始，直至產(chǎn)品產(chǎn)出的整個(gè)生產(chǎn)工藝過程。不僅讓學(xué)生學(xué)會(huì)物料的流動(dòng)和流向，各工段的連接順序、各工段包含哪些單元操作及操作原理，用到了哪些設(shè)備及如何操作，各單元操作中物料的傳遞等，更重要的是學(xué)會(huì)當(dāng)遇到突發(fā)危險(xiǎn)事故，如突然溫度升高，壓力增大，怎么通過調(diào)節(jié)操作條件，開關(guān)閥門去解決實(shí)際問題，鍛煉了學(xué)生應(yīng)對(duì)突發(fā)事故的能力，而這些都是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)及工廠實(shí)習(xí)中很難學(xué)到的[7]。

對(duì)特定生產(chǎn)環(huán)節(jié)的典型設(shè)備和操作進(jìn)一步用動(dòng)畫生動(dòng)形象地展示單元操作中物質(zhì)傳遞或傳熱的過程，加深對(duì)課堂理論知識(shí)的理解和設(shè)備的了解。通過實(shí)驗(yàn)操作及相應(yīng)現(xiàn)象的展示和錯(cuò)誤操作的演示，鍛煉學(xué)生對(duì)設(shè)備的操作能力和對(duì)生產(chǎn)過程的認(rèn)識(shí)。通過3D交互操作，使不可視、不可及、高風(fēng)險(xiǎn)等化工生產(chǎn)過程直觀形象，人機(jī)交互，操作性更強(qiáng)，學(xué)生能親手操作，觀察現(xiàn)象，記錄數(shù)據(jù)。解決了學(xué)生不敢動(dòng)手、不能獨(dú)立操作的傳統(tǒng)教學(xué)弊端，更好地培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，并幫助消化和鞏固學(xué)生所學(xué)的化工原理理論知識(shí)，做到理論與實(shí)踐相結(jié)合。

2.2 和生活生產(chǎn)實(shí)踐相結(jié)合

實(shí)踐源于生活，在課堂講授中，從生活中熟悉的場(chǎng)景中選取案例，深入淺出，將復(fù)雜的知識(shí)點(diǎn)簡(jiǎn)單化，如揚(yáng)塵的沉降過程和原理，保溫瓶的保溫原理，暖氣加熱室內(nèi)空氣的傳熱過程，暖氣片不熱需要排氣的原因，夏天路面溫度高進(jìn)而可一定程度上減少霧霾的原理，瀝青路路面溫度較高的原因，過濾離心等基本實(shí)驗(yàn)操作原理等，讓學(xué)生切實(shí)感受到課堂知識(shí)和生活聯(lián)系緊密，對(duì)知識(shí)有具體化的認(rèn)識(shí)，并能學(xué)以致用。

在教學(xué)過程中，注重與企業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐結(jié)合。以工廠中遇到的實(shí)際生產(chǎn)問題為案例，通過小組討論、師生探討或指導(dǎo)學(xué)生查閱文獻(xiàn)，指導(dǎo)學(xué)生解決生產(chǎn)實(shí)際問題，真正做到學(xué)以致用，并能進(jìn)一步理解鞏固理論知識(shí)，做到理論與實(shí)踐相輔相成。

2.3 對(duì)分課堂的運(yùn)用

化工原理課程難度相對(duì)較大，重理解、重系統(tǒng)性的學(xué)習(xí)。教師一直講，學(xué)生難免一時(shí)注意力不集中導(dǎo)致跟不上而極大地降低課堂學(xué)習(xí)效率，影響學(xué)習(xí)興趣和積極性。采用對(duì)分課堂，可以留給學(xué)生獨(dú)立思考和理解消化的時(shí)間，從而系統(tǒng)性地掌握知識(shí)點(diǎn)，形成自己的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)學(xué)生的思維能力，提高課上學(xué)習(xí)效果。并能及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、解決問題，增強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)的培養(yǎng)。小組討論和師生討論提高了學(xué)生課堂參與度和思考能力，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，激發(fā)學(xué)習(xí)熱情，提高課堂學(xué)習(xí)效率。并通過思考題的設(shè)置和交互式探討，進(jìn)一步幫助學(xué)生深入理解、真正掌握課堂知識(shí)。

3 結(jié)語

化工原理課程難度較大，但同時(shí)和生活生產(chǎn)實(shí)踐聯(lián)系緊密，通過運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)彌補(bǔ)實(shí)踐上的短板，并結(jié)合密切聯(lián)系實(shí)踐的教學(xué)方法和對(duì)分課堂的教學(xué)模式提高課堂教學(xué)效果，從而達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐和學(xué)以致用能力的目的。通過實(shí)踐和創(chuàng)新，虛擬仿真技術(shù)和對(duì)分課堂教學(xué)模式在教學(xué)中的運(yùn)用將會(huì)更加成熟和完善。