結(jié)合虛擬仿真技術(shù)和對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，虛擬仿真實驗教學(xué)成為實驗教學(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、動畫、視頻等計算機手段，依托虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機交互、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驗環(huán)境和實驗對象，學(xué)生在虛擬環(huán)境中開展實驗，達到提高實驗技能的目的。虛擬仿真實驗教學(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)百個國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心。虛擬仿真實驗教學(xué)與專業(yè)實驗密切結(jié)合，與實驗教學(xué)并不矛盾，為實驗教學(xué)提供了重要補充，為實驗教學(xué)改革提供了新的方向[1]。

根據(jù)本科教學(xué)評估“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。對分課堂的核心理念是一半課堂時間由教師講授，一半留給學(xué)生討論進行交互式學(xué)習(xí)。對分課堂強調(diào)先教后學(xué)，教師講授在前，學(xué)生學(xué)習(xí)在后。但它不僅僅是簡單的一分為二，對分課堂教學(xué)模式的實施分為講授（Presentation）、內(nèi)化吸收（Assimilation）和討論（Discussion）三個過程，因此對分課堂也可稱為PAD課堂[2]，其關(guān)鍵創(chuàng)新在于講授和討論之間留給學(xué)生一定時間自主學(xué)習(xí)，針對性地內(nèi)化吸收。張教授率先在心理學(xué)研究方法與實驗設(shè)計課程上嘗試此教學(xué)方法，得到不少師生的青睞[3]。對分課堂是“精講-留白式”講授，聚焦于知識結(jié)構(gòu)的重點和難點，把細節(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)勞動負荷，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，增強學(xué)生學(xué)習(xí)的成就感[4]。目前，對分課堂已被納為上海市新教師培訓(xùn)課程、中小學(xué)教師“國培計劃”（中小學(xué)教師國家級培訓(xùn)計劃）的國培項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)千名教師已將對分課堂應(yīng)用在實踐教學(xué)中，獲得了良好效果，得到了廣泛認可[5-6]。

化工原理課程難度相對較大，對于化工、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)并增強學(xué)生的工程實踐能力、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)的成熟和對分課堂教學(xué)模式的引入，對提高學(xué)生實踐能力和課程教學(xué)質(zhì)量具有重要意義。

1 化工原理教學(xué)中的問題

實踐操作能力是化工原理重要的課程目標，但實踐教學(xué)的開展有著重重困難，如實驗教學(xué)場所和設(shè)備數(shù)量的限制，學(xué)生多人一組，獨立動手的機會少，甚至不敢動手；綜合性實驗從準備到觀察記錄，耗時長，實驗效果不理想，也無法讓每個學(xué)生都在設(shè)備上獨立完成；化工企業(yè)生產(chǎn)的高溫高壓易燃易爆的危險性和生產(chǎn)過程的復(fù)雜性，不允許學(xué)生實習(xí)時動手操作，企業(yè)講解時因時間有限無法做到詳細系統(tǒng)以及工廠環(huán)境嘈雜講授內(nèi)容聽不清等，實習(xí)走馬觀花，實踐效果有限。化工原理理論與實踐脫節(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間內(nèi)詳盡完整地將知識講授給學(xué)生，教師將課堂時間占滿，導(dǎo)致學(xué)生課堂參與度低，缺少獨立思考的機會，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，引入虛擬仿真實踐教學(xué)結(jié)合對分課堂的教學(xué)模式對培養(yǎng)學(xué)生工程實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、動畫、視頻等計算機手段，構(gòu)建高度仿真的虛擬環(huán)境，達到提高實踐技能的目的。化工原理和生產(chǎn)實踐聯(lián)系緊密，首先通過工廠視頻和圖片資料，讓學(xué)生對實際生產(chǎn)過程有完整系統(tǒng)的了解，然后通過3D技術(shù)真實全面地還原實際生產(chǎn)中的各個環(huán)節(jié)，使學(xué)生對虛擬環(huán)境有較真實的體驗，對原料到產(chǎn)品的整個生產(chǎn)流程有全面系統(tǒng)細致的認識。學(xué)生通過設(shè)定各個操作條件，開關(guān)閥門，物料參數(shù)，掌握原料從進料開始，直至產(chǎn)品產(chǎn)出的整個生產(chǎn)工藝過程。不僅讓學(xué)生學(xué)會物料的流動和流向，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)會當遇到突發(fā)危險事故，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)閥門去解決實際問題，鍛煉了學(xué)生應(yīng)對突發(fā)事故的能力，而這些都是傳統(tǒng)實驗及工廠實習(xí)中很難學(xué)到的[7]。

對特定生產(chǎn)環(huán)節(jié)的典型設(shè)備和操作進一步用動畫生動形象地展示單元操作中物質(zhì)傳遞或傳熱的過程，加深對課堂理論知識的理解和設(shè)備的了解。通過實驗操作及相應(yīng)現(xiàn)象的展示和錯誤操作的演示，鍛煉學(xué)生對設(shè)備的操作能力和對生產(chǎn)過程的認識。通過3D交互操作，使不可視、不可及、高風(fēng)險等化工生產(chǎn)過程直觀形象，人機交互，操作性更強，學(xué)生能親手操作，觀察現(xiàn)象，記錄數(shù)據(jù)。解決了學(xué)生不敢動手、不能獨立操作的傳統(tǒng)教學(xué)弊端，更好地培養(yǎng)了學(xué)生的實踐能力和創(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，做到理論與實踐相結(jié)合。

2.2 和生活生產(chǎn)實踐相結(jié)合

實踐源于生活，在課堂講授中，從生活中熟悉的場景中選取案例，深入淺出，將復(fù)雜的知識點簡單化，如揚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，過濾離心等基本實驗操作原理等，讓學(xué)生切實感受到課堂知識和生活聯(lián)系緊密，對知識有具體化的認識，并能學(xué)以致用。

在教學(xué)過程中，注重與企業(yè)生產(chǎn)實踐結(jié)合。以工廠中遇到的實際生產(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，指導(dǎo)學(xué)生解決生產(chǎn)實際問題，真正做到學(xué)以致用，并能進一步理解鞏固理論知識，做到理論與實踐相輔相成。

2.3 對分課堂的運用

化工原理課程難度相對較大，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。采用對分課堂，可以留給學(xué)生獨立思考和理解消化的時間，從而系統(tǒng)性地掌握知識點，形成自己的認知結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)學(xué)生的思維能力，提高課上學(xué)習(xí)效果。并能及時發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、解決問題，增強學(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，進一步幫助學(xué)生深入理解、真正掌握課堂知識。

3 結(jié)語

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