化工熱力學線上線下混合式教學改革與實踐

關紅玲 , 侯翠紅 , 李松杰 , 任保增 , 詹自力

(鄭州大學 化工學院 , 河南 鄭州 450001)

化工熱力學主要從化學工程的角度分析并給出化工過程經歷的實質性的變化,利用熱力學原理和計算方法指導各種化工過程的進行和優化。它是化工過程研究、開發與設計的理論基礎[1]。

化工熱力學課程的設置是為了使學生能夠掌握其基本概念、理論和計算方法的知識;利用化工熱力學原理和模型分析化工反應及過程的物質利用極限和能量利用極限。在當今提倡綠色化工和節能減排形勢下,其課程知識體系顯得尤為重要。

1 線上線下混合式教學改革的必要性

1.1 化工熱力學在教學過程中存在的問題

化工熱力學作為化工制藥類專業重要的專業基礎課和核心課程,設置在第5學期,共48學時。課程上接物理化學、高數和物理,下聯分離工程、反應工程和化工設計,在化工類課程體系中承上啟下,是從理論到實踐、從化學到化工的橋梁。

傳統教學的問題在于課程過于理論化,公式過于繁瑣,同時教學方式和模式過于單一,缺乏與學生興趣點的共鳴,很難調動學生的積極性,導致學生只能被動地接受知識,僅僅為了應付考試而學習,對于專業知識的廣度和深度理解不深,同時獨立思考問題和解決問題的能力也不強。教學過程應更注重從專業課程角度出發,對學生進行思想政治教育,加強對學生人生觀、價值觀、職業觀的正確引導。同時,需要更加重視對學生綜合能力的培養,包括溝通與表達、檢索追蹤分析理解文獻信息、自主提出問題與解答問題等綜合素質能力的鍛煉。除此之外,學生學習效果的評價方式過于單一,只以期末考試為準,缺乏過程性評估和考核,無法全面反映學生的學習成果和能力[2-4]。

1.2 線上線下混合式教學的優勢

隨著信息技術以及移動互聯網的飛速發展,基于“互聯網+”模式的線上教學法受到國內外教育界的廣泛關注。線上線下混合式教學模式是基于MOOC平臺,結合學校、教師、學生和課程實際情況,安排 20%～50%的教學時間實施學生線上自主學習,與線下面授有機結合開展混合式教學的新興模式[1]。混合式教學結合了線上和線下的優勢,符合“以學生為中心”的教育理念。線上資源豐富多樣,可提高學習興趣,拓寬知識和專業視野;同時線上教學也不存在時間和空間限制,便于學生根據自身情況靈活安排學習時間。教師可利用線上學習數據隨時調整教學安排,提高師生之間的交流。

2 線上線下混合式教學的設計與實施

教學設計是根據教學要求和教學對象的特點,有序地安排教學各要素,確定適合的教學方案的規劃和設想。通常,教學設計涉及教學目標、教學對象、教學任務、教學內容、教學方法、教學實施以及評價反饋等要素。

2.1 課程教學目標的改革

傳統教學模式設計教學目標僅著重于知識層面的掌握和理解,不符合現代社會對于綜合性人才的需求。在進行混合式教學設計時,課程目標中除了包含知識與技能目標,還應突出學習過程與方法以及情感態度與價值觀的培養。

化工熱力學混合式課程教學目標包括:①知識目標。理解課程基本內容,掌握研究思路和方法。探討過程進行的方向和限度,評價能量的合理利用,指導混合物有效分離,解決化工過程熱力學性質計算、能量有效利用、物質高效轉化、以及相平衡和化學反應平衡的計算等工程實際問題。②能力目標通過本課程的學習,要求學生理解并掌握化工熱力學的基本內容,模型化方法等,培養學生運用化工熱力學的基本原理、觀點和方法,分析、解決有關工程實際問題的能力。③思政目標引導學生認識化工專業、樹立工程觀念,培養節約資源、合理利用能源的意識,樹立并踐行建設美麗中國、節能減排、生態環保的綠色高質量發展理念。

2.2 課程教學設計的改革

教學設計發揮傳統課堂教學體系嚴謹、師生互動即時高效的優點,并利用微課、慕課、翻轉課堂等新型教學方式的開放性、資源廣闊性、選擇多樣性、即時性等優點為課堂教學過程中學生自主性和個性化學習提供支持,探索基于“互聯網+”智慧教學的線上線下混合式教學模式,借助豐富的課程教學資源,建設了線上開放課程,并進行實踐。

教學設計分為3大模塊:①課前學生線上自主學習反饋:利用自建的慕課資源,學生線上自主學習,設置有討論區和微信群進行反饋,將基礎知識層次的學習交給網絡信息化媒介。②課中課堂集中講授+翻轉課堂模式,覆蓋化工熱力學8章,采用多媒體課件和板書相結合方式剖析課程重難點內容。在導入新課時,根據預習反饋、測試結果等教師會開展課堂教學,精講預習中存在的問題,并引導學生提出在預習中遇到的疑惑或難點。同時,教師在講解過程中也會借鑒微課的時長,每10～20 min設計一次隨堂測試,以激發學生的學習興趣。③課后鞏固拓展深化+探究學習,學生在課后鞏固復習完成作業,并利用線上資源拓展學習,完成探究式作業,深化理解化工熱力學在科學研究和工程實踐中的應用;教師在課后對隨堂測驗、課堂討論、教學探究以及學生反饋等內容進行數據統計和分析,以深入了解學生情況,并為下一步的教學工作提供基礎。同時,教師還開展在線師生或生生交流,對教學過程進行總結和反思,以促進師生共同成長,提高教學質量和效率。

此外,課程團隊積極探索化工熱力學課程與思想政治理論課同向同行、形成協同效應的有效途徑,通過對學生進行以愛國、敬業、誠信、友善等為主要內容的品德教育,以安全生產、節能減排為主要內容的工程倫理教育及增強學生的家國情懷的文化自信教育,將課程轉化為社會主義核心價值觀具體化、生動化的有效教學載體。

2.3 教學活動和內容的改革

①針對化工熱力學課程理論性強、公式繁多的難題,在教學中強化工程應用,弱化理論推導和公式記憶,防止學生本末倒置。②以學生為中心,以PBL(基于問題的學習)學習法為導引,結合生產生活實例,提出問題,啟發學生思考,利用所學知識分析解決問題,再進一步總結反思,回歸實踐應用,幫助學生理解抽象的知識點,理論聯系實際。③為解決學生專業思想問題,提升內在學習動力,堅持立德樹人,將課程思政無痕融入,將價值塑造、知識傳授和能力培養融為一體。針對性地解決學生思想學習問題,激發學生專業熱情、使命感和責任感,從“要我學”變為“我要學”。④針對計算量大的問題,鼓勵學生編程計算,利用計算機軟件如Aspen計算模塊進行模擬,制作微課分享學習,激發學習興趣和潛能,培養創新實踐能力和團隊協作精神;⑤線上線下融合,課堂內外互動,注重學生學習成效,拓展課程創新性和高階性。采用“課前學生線上自主學習及反饋、課中課堂教學及翻轉課堂、課后鞏固拓展及探究學習”的三步法線上線下混合式教學模式。課堂教學充分利用教學體系嚴謹、師生互動即時高效的優點,發揮多媒體課件和板書相結合的優勢,智慧教室上課,使用信息化手段。采用案例教學、探究式學習、翻轉課堂等,加強師生互動,提高學習主動性,培養學生解決問題和審辯式思維能力。

2.4 課程評價方式的改革

在過去的化工熱力學課程中,考核方式主要是依賴期末考試成績,這對于學生的學習效果缺乏有效的監督。為了推進課程改革,嘗試了多元化考核評價模式,包括線上和線下的融合,以及形成性評價和終結性評價的結合。這樣的多元化考核模式可以促進學生的自發性學習、過程性學習和體驗式學習。改革后,考核形式為70%為期末考試卷面成績,增加形成性評價(30%)。形成性評價中課程小論文和翻轉課堂表現占10%,線上自主學習占10%,課堂表現和課后作業占10%。

3 課程改革特色及建設計劃

3.1 課程建設特色

①課程思政有機融入,激發學生專業興趣。教師牢記“為黨育人、為國育才”的教育初心,立德樹人,關注學生專業思想,無痕融入思政教育。②線上線下混合教學,培養學生創新潛能。以提高學生學習興趣及學習效率、培養創新實踐能力及科學思維方式為目標,融合傳統課堂教學和慕課、微課、翻轉課堂等教學手段,開展案例教學、探究式學習,拓展課程的創新型和高階性,引導學生在學習中創新,在實踐中成長。③理論密切聯系實際,科教融合協同。課程教學中注重理論密切聯系實際,從生產生活中實際問題出發,運用熱力學理論方法解決實際問題,同時主講教師均承擔國家及橫向項目,注重科研融入教學,指導學生開展研究,將成果轉化成教學案例;帶進課堂編進教材,結合真實“情境”開展教學,增進學生對技術創新的熱情和認知。理論與實際結合,科研與教學互促,融合新工科建設理念和實踐,培養卓越化工人才。

3.2 課程建設不足與持續改進計劃

盡管課程改革已取得一定成效,但也帶來了新的問題。例如,線上課程部分存在學習氛圍不夠濃厚的問題,這導致學生學習效果不佳。此外,我們需要增加對于線上課程內容掌握程度的評估和學生的討論參與度。

后續建設中,繼續堅持立德樹人,以學生為中心,致力于開啟學生內在潛力和學習動力,在課程的高度、寬度、廣度上下功夫,深化課程建設,緊扣科技及學生的進步,提升學業挑戰度、增加課程難度、拓展課程深度,借助數字化技術持續改進,促進學生創新能力培養,建設國家級一流課程,將課程在全國范圍內推廣。具體如下:①加強課程教學團隊建設。通過學習培訓交流等,提升專業課教師的思政素養和專業素養,建立教學案例庫,向全國同行共享,將思政融入課程教育,實現立德樹人潤物無聲,著力提升學生專業興趣,挖掘專業潛力,激發內生學習動力。②加強課程教學資源建設。收集課程相關領域國內外的科技前沿,新成果、新動向,豐富和更新教學內容,建立課程教學案例庫;在原有自建慕課的基礎上,提升信息化技術與教學融合度,開發和引入數字化教學資源并舉,豐富微課和MOOC資源,建設數字化習題和試題庫,使用圖形(圖像)、音頻、視頻、動畫和虛擬仿真等各類素材,制作新的教學視頻,增強課程知識性、趣味性和高階性。③完善課程多元化考核評價。按照工程教育專業認證的理念,以學生學習效果為導向,圍繞目標達成、教學內容、組織實施等,進一步完善課程多元化考核評價,促進學生自主學習、過程性學習和體驗式學習。