混合式教學在“化工原理實驗”中的應用與探索

陳霞，王亞琴，金杰

（安徽建筑大學材料與化學工程學院，安徽合肥230022）

“化工原理實驗”是“化工原理”課程的實驗部分，屬于工程實驗范疇，也是工程實踐教學的開始。課程內容包括與“化工原理”課程密切相關的各個單元操作的實驗部分，一般基于動量傳遞、熱量傳遞、質量傳遞多方面多層次的開設演示、驗證、綜合、創新等類型的實驗。通過本課程的學習，希望學生鞏固和深化“化工原理”課程的理論知識，熟悉現有生產過程中的各種單元操作，掌握“化工原理實驗”的基本技術和操作技能，深化對傳遞過程的理解；并且具備分析和解決單元操作中各種問題的能力，在科學研究和生產實踐中對設備應具有操作管理、設計、強化與過程開發的本領。但在教學過程中存在學生主動性不足，訓練效果不佳等諸多問題。如何幫助學生順利進行化工原理實驗，達到教學預期目標，就必須對課程教學進行研究，在教學方法和教學手段方面進行改革，結合化工生產與發展實際，提高學生的學習興趣和熱情，進而提高教學質量。

目前，基于教育信息化的要求和發展，國內高校都十分重視線上課程的教學，最近利用網絡的實驗教學改革也相應增加，應運而生的虛擬仿真實訓系統是教育信息化建設和實驗教學示范中心建設的重要內容。虛擬仿真實訓系統的開發有利于提高學生的創新和實踐能力，推動信息化條件下自主學習、探究學習、協作學習等實驗、實踐教學方法改革，提高教學能力，豐富教學內容，拓展實踐領域；又對于學生的團隊協作精神、吃苦耐勞和堅忍不拔的毅力培養起到了積極作用，滿足化工行業對工程技術人才越來越高的要求。

本文首先對本校“化工原理實驗”教學中存在的普遍現象進行分析，在此基礎上，鑒于該課程的目標，提出結合虛擬仿真實驗和實體實驗的線上線下混合式教學手段，打造在線課程與課堂教學、線上實驗與線下實驗相融合的混合式實驗課程，從而開拓出一條適合化工類專業技能人才培養的“化工原理實驗”課程模式。

1 “化工原理實驗”課程教學中存在的問題

工科類專業的“化工原理實驗”課程教學中存在以下一些共性的問題：

（1）實驗前預習效果不佳，雖然每個實驗均配備了對應的實驗報告及預習計劃，但多數學生僅根據實驗教材進行了抄寫工作，不僅沒有對實驗背景理論知識進行深入思考，同時因未能到實驗室對照設備進行觀察，其對實驗設備結構和操作過程一知半解甚至一無所知。

（2）實驗過程中主動性不夠，實驗教學目前大多采用傳統模式，即強調教師講授，學生按照老師所教的步驟一步一步進行操作，很少有同學主動思考其過程步驟，對實驗過程提出不同的操作可能性和后果分析。且“化工原理實驗”自動化程度高，多數學生只需要記錄數據等機械地完成實驗流程，并不能理解前后各操作的目的和原因，以及對應的知識點。更有甚者，少量學生上實驗課時完全不關心過程，僅等待同組同學的數據。這些必將導致學生對實驗課程的學習效率和學習熱情不高；而教師由于要演示和指導學生使用設備、記錄數據，難以調動每一位同學的積極性。

（3）實驗考核方式不夠嚴格，實驗報告流于形式，目前實驗考核方式不夠細化，雖然有預習、過程和報告分，但不能體現出差距，教師也無法精準掌握每一位同學實驗前后的過程情況。同時，學生的實驗報告質量較差，一是雷同性過高，3～4位同學一組，其報告相似，甚至部分學生在實驗過程中未參與到操作中去，最后撰寫實驗報告時就只能照搬照抄；二是多數同學對實驗數據的處理不夠完善，或者處理的方法有誤，最后的思考和討論更是流于表面。

（4）實驗設備多數較為簡單，因為場地、學時等限制，實體實驗設備多數對應知識點單一，結構和操作過程較為簡單，無法進行化工過程中常見的綜合大型實驗過程。這不僅不利于拓寬學生的視野，培養學生自主思考的創新精神和團隊合作精神，也無法體現學生之間的差異。

因此，為了滿足學科專業發展的需要、社會的需要和學生的需要，對“化工原理實驗”進行教學內容和教學手段的改革非常迫切和有必要。

2 線上線下混合式教學的改進

根據教育信息化的要求和發展，學院針對性地購買了虛擬仿真實驗，打造線上實驗與線下實驗相融合的混合式實驗課程，推動信息化條件下自主學習、探究學習、協作學習等實驗、實踐教學方法改革，提高教學能力，豐富教學內容，拓展實踐領域，降低成本和風險，開展綠色實驗教學，最終培養實用和科研結合型人才。

2.1 教學內容更新，提高學生預習的有效性

本學院購買的虛擬仿真過程不僅包括常見的流體輸送、熱交換操作、精餾、萃取等化工原理實驗項目，還包含丙烯腈3D虛擬現實仿真、乙醛氧化制醋酸工藝仿真、雙塔精餾單元3D仿真、多效蒸發工藝3D仿真等綜合大型工藝過程或典型高溫高壓化工傳遞過程。其實用性和復雜性可以更好地對應課程知識點，激發學生的學習積極性，鼓勵學生提出一些工藝流程實驗方案的改進，培養其良好的創新能力和科研素養。除了這些新增的綜合實驗仿真中具備的完善的背景知識、預習及操作內容，教師也可以利用線上資源，通過錄制視頻等手段，指導學生全面了解實體實驗設備的使用，實驗主要操作技術等，與虛擬仿真過程進行對照分析，使學生可以不受時間和場地的限制。同時，根據虛擬仿真能更細化預習指標，在線上提交各種不同的預習結果并與老師進行交流互動，提高預習的有效性。

2.2 教學手段改革，增強學生實驗操作興趣

根據虛實結合、相互補充的建設原則，依托學院提供的解決復雜問題的大型工藝過程和典型傳遞虛擬仿真學習資源，“化工原理實驗”課程采用線上虛擬仿真實驗和線下實體實驗相結合的混合式教學手段，探索復雜工段的機理與深層次問題的可靠、安全和經濟性，模擬真實實驗難以完成的復雜先進化工工程系統分析、驗證與預測，以適應工業化、信息化融合訓練和創新訓練的教學需要。如精餾綜合實驗，既包括與實體實驗相同的開車、停車，全回流和部分回流操作，還包括液泛、霧沫夾帶等異常處理，進料溫度、回流比、不同壓力等參數變化操作。讓學生通過“理論授課-虛擬實驗-實物實驗”相融合的學習，深刻體會化學工程與工藝生產各個環節的核心內容，達到更深入、更好的教學效果。尤其是在網上虛擬仿真實驗過程中，可以進行完整工段的學習和具體設備的操作，并依據提示，逐步完成從原料到產品生產的整個過程操作，極大地增加了學生實驗過程的興趣。

2.3 完善考核手段，培養學生創新、協作意識

傳統的實驗課堂考核手段主要是基于學生實驗前的預習報告和實驗課后的實驗報告，中間操作過程只有含糊的實驗過程總分，不僅無法具體實時了解學生的學習掌握情況和差異性，還使得學生更注重結果和報告撰寫而忽略了具體實驗過程，導致學生為了刻意追求正確的實驗結果而失去了對科學性和非穩態工況的探討，甚至通過抄襲獲得高分。采用線上線下相結合的混合式教學，可以改變以往的考核方式，不僅利用線上資源進行預習，根據視頻學習和答題情況實時獲得預習分。以精餾綜合實驗為例，其課前預習包括知識點講解、題庫訓練和拓展考試、設備仿真練習等部分，在實驗過程中，操作步驟可按工段、按步驟操作給分，結合線下實驗，可提供實際的結果記錄及處理過程，加強了學生之間的協作與差異；最終的實驗報告更側重于對實驗的分析、思考和總結。這樣的考核方式可以加強學生實驗過程中的參與度和整體實驗后的創新協作能力。

2.4 提高教師素質，實踐教學改革

以學生為主體，采用線上虛擬仿真和線下實體實驗相結合的綜合性、創新性實驗對教師自身素養具有不斷審視的作用，將會促進教師改變教學觀點，不斷加強教學基本功，積極參加本學科的教學研究。同時，通過學生在實驗過程中對知識的掌握程度，發現在理論課堂教學中可以進行加強或改進的地方，促進教師以學生發展為主，改變知識的單向傳播方式，注重個性差異，最終在傳授學生知識技能的同時培養學生自我學習的能力。

3 結束語

根據虛實結合、相互補充的建設原則，將化工原理常規實體實驗轉變為真實工程背景下的系統工程集成實驗，采用線上虛擬仿真和線下實體實驗相結合的混合式教學，讓學生學習和理解復雜先進大型工藝等前沿技術，進而培養學生應用虛擬仿真技術和工具解決復雜工段實際問題的工程實踐能力，培養學生創新思維與系統思維能力，努力培養能力與素質相結合的復合型人才。