基于互聯網+的化工熱力學課程教學改革與實踐

何文靜，趙一博，趙躍強

(江蘇海洋大學 環境與化學工程學院，江蘇 連云港 222005)

0 引言

化工熱力學課程是化學工程與工藝專業人才培養的基礎與核心課程，是從事化工過程的研究、開發以及設計工作必不可少的重要理論基礎，為后續課程的學習和解決化工過程的實際問題打下牢固的基礎。該課程相對于其他課程而言理論性強、內容廣、涉及到化學工程的方方面面，而且公式多且推導復雜、概念多而抽象，因此在傳統的化工熱力學授課過程中存在諸多問題[1-3]，比如：(1)學生畏難情緒較重，全國高校的大部分本科生初次接觸本門課程，都反映本門課程如“天書”一般，晦澀難懂；(2)學生缺乏學習的積極性和主動性，而且不能做到課前預習，課后復習，往往是學著后面的，忘了前面的；(3)學生對生產缺乏感性認識，難以將熱力學的基本原理與實際的生產案例相結合；(4)缺乏有效的學習反饋機制和方法，導致在教學工作結束后教師并不能全面掌握學生學習程度及情況。

隨著信息技術的快速發展，“互聯網+教育”應運而生，讓廣大學生除了直接參加面對面互動課堂享受學習的樂趣外，還可以充分利用線上豐富的教學資源，學習環境更加個性化，教學內容和手段更加豐富，將“互聯網+教育”融入化工熱力學的課程教學中，采用線上線下相結合的教學方式，能有效解決傳統授課過程中存在的大部分問題[4]，本課程組通過對教學資源進行重新梳理重構，搭建合理的線上線下教學模式(圖1)，并制定有效的教學反饋和考核機制。

圖1 線上線下混合教學模式研究思路及方法

1 教學資源的收集、整理、制作及教學內容的重建

目前教學內容難度大，比較抽象，學生不容易理解。如果將這些知識點以動畫視頻的形式向學生傳授，將大大加深學生學習的興趣和對知識點的掌握。另外目前的教學內容主要以理論為主，缺乏與工廠實際或者與實際生活的聯系，在教學內容中引入工廠及生活的實際案例，并對案例分析可以增強學生分析問題解決問題的能力，強化理論與實踐的結合，增加學生學習興趣[5]。同時在教學內容中引入科研成果，比如在第二章流體P-V-T關系中可以引入超臨界萃取技術在中藥提取、污染土壤修復等的應用[6-7]，一方面加深學生對相關知識點的理解、掌握和應用，另一方面鼓勵學生要有科創精神。要實現以上，需要對教學內容進行梳理，根據知識點通過網絡對教學資源進行收集，整理，對缺乏的教學資源進行制作，然后以合適的方式傳授給學生。

首先根據教學大綱分類整理出需了解知識點，一般掌握的知識，重點知識點及難點。然后從中國大學MOOC(慕課)，Bilibili網站等收集相應知識點的視頻資料，其中大學MOOC有天津大學，南京工業大學和鄭州大學等推出的國家精品開放課程，限時開放，Bilibili網站也有清華大學、中國石油大學和天津大學的課程視頻，免費不限時開放，這些課程視頻將每一個章節按知識點劃分成若干個短視頻，每一個短視頻時間在15分鐘以內，幾乎涵蓋所要求的掌握的所有知識點，這些視頻可作為課前預習的重要資料。同時可以在網上尋找一些直觀的動畫視頻幫助學生理解掌握相應知識點，比如蒸氣動力循環和制冷循環，在網上都可以找到相應的動畫視頻，直觀且有趣，這個可以作為課堂講解的資料。如果網絡沒有相應的視頻資料，可以制作相應知識點的PPT進行課堂講解。另外對重、難點要收集相應知識點的實際案例及最新的研究成果，并在課堂與學生對實際案例進行展開討論，以蒸氣動力循環的改進這一知識點為例，發電廠就是蒸氣動力循環的一個實際應用，通過問題“如何提高發電廠能量利用的總效率？”來啟發學生對實際問題的思考及相應知識點的理解和掌握，通過對用超臨界二氧化碳代替或部分代替水蒸氣進行動力循環研究的介紹，進一步加深對知識點的掌握，并激發學生學習興趣。同時還要收集一些習題作為課前預習和課后復習的資料。以上資料收集全后，結合線上線下混合教學模式，對教學內容進行重構，了解和一般掌握的知識點作為學生線上學習的主要內容，重、難點作為線下教學的主要內容，對于了解和一般性掌握的內容，課堂講解一帶而過，重點講解重、難點，這樣可以節省出更多的教學時間用來與學生探討工程實際問題。

2 線上線下相結合的教學模式的搭建

該部分是教學活動實施的重要環節，主要分三大塊：課前預習，課堂教學和課后復習。課前預習和課后復習主要是以線上為主，通過教學管理平臺實現，課堂教學以線下為主。

2.1 課前預習

課前預習通過線上教學管理平臺來實施和監控，目前線上教學平臺比較多，比如超星、雨課堂及騰訊課堂等，近兩年，由于疫情原因，線上教學平臺的功能越來越完善，線上教學資源也越來越多，這為教學提供了很大的便利。上課前教師將預習資料(線上教學視頻、課件、習題、思考題)通過教學平臺發送至學生，教師可在手機端實時查看學生課前預習完成的情況，其中習題主要關注基本概念、理論的掌握情況，思考題大多與本章知識點在生產或生活中應用有關，比如為什么高原上煮雞蛋需要很長時間才能熟，可樂冷藏后為什么能形成可樂沙冰，等等[8]。學生在手機端可隨時查看預習資料，并根據自己的情況在規定時間內自主選擇學習的時間和學習內容，這樣能大大激發學生學習的主動性。教師根據學生預習反饋的情況，進一步安排課堂教學內容。

2.2 課堂教學

課堂教學是整個教學活動實施的重要的環節，在課堂上老師和學生可以面對面的溝通交流，可以就預習過程中存在的問題進行解答，對預習和將要講授的知識點進行梳理，著重對重點、難點進行講解，并結合實際的案例進行分析、討論等等，同時可以引入最新的科研成果與同學分享交流。

以蒸氣制冷循環這一知識點為例。課堂講解中，首先將蒸氣制冷循環的原理和過程通過動畫視頻的方式傳授給學生，然后通過課件講解制冷的原理、制冷劑選擇及蒸氣制冷循環的應用，由于該部分內容學生已提前預習，所以講解的時候以重點、難點為主，基本概念一帶而過。再結合蒸氣制冷循環的應用加深對相關知識點的掌握，蒸氣制冷循環最常見的應用是冰箱，空調，要求學生能夠根據所學知識描述出冰箱、空調制冷的原理及過程，并就以下問題展開討論：夏天打開冰箱門能否當空調使而使房屋內溫度下降?冰箱的制冷系數是夏天高還是冬天高，為什么？同時引入最新科學研究，比如氨制冷技術在輕烴回收工藝及在國內遠洋漁船上應用研究等[9-10]。最后通過本節課的學習，使大家認識到科技創新使得高科技產品進入日常生活，提供了很大的便利，作為當代大學生要明白學習科學知識和科技創新的重要性，要有創新精神、敢于突破，同時要做好知識儲備。

化工熱力學教學過程中還涉及到大量的計算，比如流體P-V-T性質的計算，混合物熱力學性質計算，泡點、露點的計算等等，這些計算往往涉及高次方程，有時還需迭代和試差求解，計算過程比較繁雜，工作量大，必須借助計算機完成，學生在學習過程中也是望而生畏，因此課堂教學中應注意該部分內容講解的同時，應將應用計算機求解的方法同時傳授給學生。Excel作為一種常見的辦公軟件，無需編程，沒有特殊的語言，幾乎所有的學生都會使用，而且通過Excel來進行熱力學數據的計算可以清楚的看到計算的過程，一些研究者已經將其應用到熱力學數據的計算中[11-13]。本課程同樣采用Excel軟件來進行相應的計算，在相應的知識點處通過課堂演示的方法傳授給學生，并布置相應的習題供學生鞏固練習。具體計算的方法可參見于志家[11]用R-K方程求算323 K與1.5 MPa下乙烷的摩爾體積、壓縮因子、剩余熵、剩余焓與逸度。

2.3 課后復習

課后復習同樣重要，否則即使已經學會的知識隔一段時間也會忘記。課后復習主要通過習題練習完成，傳統的做法是在相關知識點講授完之后會布置相應知識點的作業以加深認識。在本課程教學過程中，為了能使學生溫故而知新，在布置作業的時候除了布置本堂課相關的知識點以外，還可以增加少量的已學過的知識點的習題。為了考察學習效果，在每一章節結束做一個線上小測驗。

3 建立好學生的教學反饋機制

學生對教學的反饋是教師調控和改進教學的重要依據，傳統的教學反饋比較少，主要以面對面溝通、電話、郵件溝通等方式進行，方式單一枯燥效率低、覆蓋面窄、有效性真實性難以保證。除了日常的溝通交流以外，目前的教學平臺大都有一定的統計功能，教師在課前預習環節可以增加一些習題，軟件可自動統計學生習題作答情況，教師通過統計結果可直觀的了解學生對知識點的掌握情況，從而調整線下授課內容。通過對線下案例分析討論和課后復習及作業情況了解學生對重難點知識的掌握情況，教師根據學生掌握的情況制定下一步的教學計劃和內容，確保重難點知識點全部掌握。同時在期中和期末的時候通過問卷星各制定一份問卷調查表，匿名作答，教師可通過問卷調查情況進一步改進教學方式。

4 改變考核機制

以往的考核機制中，期末成績占比70%，平時成績(包括課堂參與情況，作業)占比30%。在新的教學模式中，為激發學生自主學習的動力，將線上學習參與及習題作答情況納入期末考試成績中，調整期末考試的成績占比，平時成績(包括課前線上預習、習題，課堂參與情況，課后線上復習、作業，每章節測驗)占比50%，試卷占比50%。同時期末考試的考核內容應進行相應的調整，既要包括對基礎知識的考核，又包括對理論知識的綜合運用能力和系統分析實際問題能力的考核，加強學生對知識和技能的掌握。

本文通過對化工熱力學課程授課過程存在問題總結與分析，提出基于“互聯網+”線上線下混合的教學模式，借助于信息技術來實現教師知識傳授和學生知識內化在時間和空間上的調控，學生線上自主選擇學習內容及進度以提升其主觀能動性，教師線下知識梳理，重難點分析，案例討論加深對知識點的理解與掌握，通過有效反饋機制在一定程度上實現分層次教學和因材施教，改進現有考核機制，激發學生學習內在動力，提高學習效果。