基于小規模限制性在線課程的化工原理實驗混合教學模式探析

＊吳登峰 曹東 李仲 田維亮

（1.北京化工大學 化學工程學院 北京 100029 2.塔里木大學 化學化工學院 新疆 843300）

小規模限制性在線課程（Small Private Online Course，簡稱SPOC）是繼MOOC后出現的一種新型課程教學模式，其既繼承發揚了MOOC的諸多教學特點，又融入了線下課堂的教學優勢[1]。目前，SPOC在理論教學課程教學中大量推廣和使用，其中哈佛大學、麻省理工學院、清華大學等國內外高校進行了多年的教學改革和探索，并在SPOC教學模式的基礎上總結出了SPOC混合教學模式，其主要突出特征為線上線下結合、教與學交融、開放與規范引導相融合，這種新型教學模式既能賦予學生個性化的、完整的和深度的學習體驗，又有助于優化教學設計、創新教學模式[2-4]。特別是在當前教育創新改革浪潮下，傳統的實驗教學由于學習資源少、教學空間有限等制約因素，已經無法適應當前人才培養要求，急需推動實驗教學創新和改革以適應當前教育發展需要，而將SPOC混合教學模式引入到實驗教學中是一種有效的改革路徑[5-6]。

化工原理實驗是一門工程性、實踐性很強的課程，是聯系化工理論與生產實踐的橋梁，是高等學校化學工程與工藝等相關專業的必修實踐類課程。課程旨在通過實驗操作、數據整理與分析，加強對化工單元操作基礎理論的理解，培養學生從事實驗研究的能力、訓練學生分析和解決問題的能力，使學生養成理論聯系實際和嚴肅認真的學習態度，提高學生的獨立思考能力和創新能力。根據SPOC混合教學模式特點，可以看出SPOC混合教學模式相比其它教學模式更適合一些專業性較強、難度較大、實踐性強的實踐性課程，尤其適合存在著缺乏先進教學理念和優質高水平教學資源、師資隊伍建設較薄弱、實習條件不充足等諸多問題的高校實驗實踐類課程[7-8]。因此，將SPOC混合教學模式應用于化工原理實驗教學，可以很好地緩解化工原理實驗教學難度大、效果無法保證的問題，進而推動實踐教學模式改革與創新。

1.化工原理實驗SPOC混合教學模式教學路徑

依據化工原理實驗教學實際，提出對化工原理實驗課程進行教學模式和教學環節的改革與創新優化，實現線上自主學習和線下課堂教學有機融合交互，將傳統課堂化工原理教學模式轉變為課前線上學習+課堂線上線下實訓+課后線上線下鞏固強化“三位一體”的SPOC混合教學模式，如圖1所示。其主要路徑如下：

圖1 化工原理實驗SPOC混合教學模式

課前線上學習部分主要是借助北化在線、MOOC等在線平臺建立包含化工原理實驗室安全教育視頻、化工原理實驗項目及其實驗原理、實驗目的、實驗操作、注意事項等基礎知識、實驗項目儀器設備及操作視頻講解、實驗項目設備操作動畫演示以及化工原理實驗題目等模塊內容，本部分學習的目的是強化和鞏固學生的基礎理論知識。

課堂線上實訓部分主要是借助北京東方仿真平臺、北京歐倍爾云平臺以及國家虛擬仿真實驗教學課程共享平臺等線上資源，開展化工原理實驗虛擬仿真項目，這些線上仿真項目同后續開展的實驗項目一一對應，學生通過仿真項目訓練可以進一步熟悉實驗步驟和實驗操作流程，可以為后續實驗項目實際操作奠定良好基礎以及避免誤操作帶來的安全風險。課堂線下實訓部分是在化工原理實驗室進行，主要開展化工原理實驗實訓，通過這些實訓操作，使學生熟悉化工單元操作以及實驗儀器設備的流程、結構等，使學生能夠運用所學的化工原理基礎知識分析實驗過程，使所學理論知識得到進一步理解和鞏固。課后線上線下鞏固強化主要是指學生完成實訓后可以在交流討論區對實驗過程、實驗數據以及實驗中存在的問題進行互動交流，也可以參與教師發布的討論話題進行討論分析，以實現對實驗知識的鞏固和強化，同時撰寫實驗報告和課程總結，進行知識梳理、數據處理及現象分析。

2.精餾實驗案例教學

精餾實驗是化工原理實驗課程中重要的基本單元操作，其主要涉及到能量平衡、物質平衡以及相平衡等化工基本原理知識，因此，本教學案例基于SPOC混合教學模式開展教學實踐，其主要內容包括學情分析、實驗教學目標、實驗教學過程等部分。

(1)學情分析

知識分析：學生在學習本課程前，已經學習過《無機化學》《物理化學》《高等數學》《化工原理》等基礎課程，學生已經基本掌握了本課程所需的基本原理知識，通過本課程學習，能夠使學生的理論知識得到進一步的理解和鞏固，增強學生的理論結合實踐能力。

學生分析：本課程主要面向的是00后新時期大學生，他們思路敏捷、思想開闊并且異常活躍，但是動手實踐能力偏弱，因此本課程采用SPOC混合教學模式，以學生學習為主題，發揮學生的積極能動性，同時又可以讓學生認識到自己的不足。

(2)實驗教學目標

本實驗的教學目標為：熟悉精餾這一重要化工單元操作的工藝流程，掌握精餾實驗的具體操作方法和過程，了解板式塔的構造，能夠測定全回流時的全塔效率及單板效率等，同時我們的教學目標不僅僅包含這些知識目標，還包括引導學生多層次思考，如何運用理論知識解決實驗過程中遇到的問題，以及如何改進及設計，以提升全塔效率及單板效率等。

(3)實驗教學過程

首先，學生可以通過手機、電腦等媒介登錄北化在線、MOOC等在線平臺開展課前線上學習部分，其中精餾實驗需要學生學習的內容主要有精餾實驗原理、實驗目的、操作要點、注意事項等基礎知識講解視頻（約20分鐘），板式塔設備操作演示視頻講解（約10分鐘），化工原理實驗指導書實驗五（電子書）閱讀以及精餾實驗知識題庫50道題。在學習過程中，學生可以發布討論話題或問題，指導老師或其它學生都可以在話題中答疑和討論，也可以直接回答問題，通過這種學習討論鞏固學習知識、活躍學習氣氛以及增加學生學習熱情。等學生完成本部分學習任務后，必須參加化工原理基礎知識通關考核，只有通過考核的學生才能進行下一步的課堂教學環節，否則學習需要重新開展預習學習，直至通過考核并記錄成績。

其次，學生通過課前線上學習部分后，進入虛擬仿真實驗室，登錄北京東方仿真平臺開展精餾仿真實驗練習，該仿真實驗主要內容有精餾設備及工藝的認知，精餾仿真單元操作的開車、運行和停車，異常情況及事故緊急處理、板式塔設備參數對精餾過程的影響等部分。虛擬仿真操作學習中，先開展指導性操作練習即根據系統提示完成操作，熟練后開展自主操作考核。學生自主操作成績在90分以上為通過考核，否則重新練習后參加考核直至考核通過。學生在練習過程中遇到問題，可以現場咨詢指導老師，也可以在每個實驗仿真項目的討論區發布話題或問題。

再次，學生通過虛擬仿真練習后，進入化工原理實驗室開展實訓操作進行，本部分主要內容有熟悉精餾塔裝置及構件組成、回流分配裝置及構件組成、測控系統、物料濃度分析和數據處理。學生在前兩部分學習的基礎上，由指導老師再次講解實驗設備操作流程、注意事項、演示操作并進行答疑，然后學生隨機分組（每組2～3人）開展實驗操作。實驗操作過程中，只允許組內人員討論交流，各組獨立完成實驗操作，由指導老師根據實驗操作、實驗記錄、實驗結果以及團隊協作情況，對個人按照進行過程評分。

最后，學生根據實驗數據，開展實驗結果分析并撰寫實驗報告，教師根據實驗報告總結評分標準進行考核評價，同時將結果通過線上平臺反饋給學生，學生可以根據反饋結果進行反思和鞏固強化相應內容。同時學生若認為實驗評價結果不理想，可以申請重新開展實訓部分重新評價，從而實現學習專業知識的反復鞏固強化和動手實踐能力提升。

3.化工原理實驗課程教學實施成效

通過在化工原理實驗課程中引入SPOC混合教學模式的教學實踐實施，學生在學習效果和創新能力方面有了較為明顯的提升。

我們通過分析化工原理實驗教學實施前后學生的成績分布情況，如圖2所示，其中實施前教學班級學生樣本為88名，實施后教學班級學生樣本為49名。從成績分布上來看，學生成績整體有了明顯提高，其中學生平均成績從69.3分提高到了76.6分，最高分由89分變為了93分，及格率由93.2%提高到了95.9%。在教學實施過程中也明顯感受到了學生的積極性和主動性比以前有了明顯提高，特別是在實際設備操作中，學習操作的流暢度和交流明顯增多，教室中除了設備的轟鳴聲增添了更多交流討論的聲音。通過教學實施，可明顯感受到學生對化工原理知識的興趣明顯增加，學生的動手實踐能力有了明顯增強。

圖2 教學實施前后學生成績分布圖

4.結語

基于SPOC混合式教學模式的特點優勢，通過將其融入到化工原理實驗教學全過程，將以傳統實驗操作為主的實驗教學模式轉變為課前線上學習+課堂線上線下實訓+課后線上線下鞏固強化的“三位一體”SPOC混合式教學模式，把學習由被動變為主動，讓學生自覺融入到化工原理實驗課程中，同時該教學模式可實現教學全過程評價，真正讓學生動起來、忙起來，從而促進學習效果和提升教學質量。通過該模式教學實踐促使化工原理實驗實現“理論知識—理解—實驗實訓—理解”的良性循環，不斷提升學生理論知識水平以及實踐創新能力。因此，該教學模式是推動化工原理實踐教學創新和改革的有效方式之一，也可為其它實驗課程教學提供新思路、新模式、新路徑。