刘 志， 鲁福身

(汕头大学 理学院化学系，广东 汕头 515063)

自2017年教育部“复旦共识”“天大行动”“北京指南”系列会议确定积极推进新工科建设以来，高等教育工程类课程改革已成为高校能否更好培养新型工科人才，助力国家产业变革、转换、升级，服务国家创新驱动发展重大战略的重中之重[1-3].汕头大学于2017年3月就成为教育部新工科研究与实践项目地方组的牵头高校之一.近年来,学校始终发挥教育部、广东省、李嘉诚基金会三方共建的办学优势，利用信息技术与教学深度融合，积极探索和发展各类线上、线下教学模式，不断使教师讲授、学生被动接受的传统教学模式与微课、翻转课堂、手机APP学习平台、大型开放式网络课程平台等新兴信息技术支持的教学手段相融合，弥补学校教学师资力量不足，激发学生学习兴趣，多学科交叉提高学生学习效率，进一步增强学生主动学习和探索能力.

本文结合汕头大学新工科背景下课程建设的要求，以应用化学专业《化工原理》课程教学为例，以培养目标为导向，不断完善基于超星学习通线上学习平台的混合式教学模式，对《化工原理》课程进行教学改革实践探索.通过创建项目制的实验课题，探索新型教学模式，更好地为国家培养创新型化工类人才.

1 《化工原理》课程教学现状

《化学工程技术与原理》(简称《化工原理》)是化工、制药、生物、环境、能源等工科专业的一门必修基础课，承担着培养化工类专业工程科学与工程技术创新人才的双重教育任务，具有十分重要地位和作用.不同于传统四大化学专业课，该课程并不包含化学学科学习内容，而是综合运用高等数学、物理化学、计算机技术等基础知识，分析和解决化工生产过程中各种物理操作中的基本问题，是学生今后走上化工工程技术领域岗位后广泛应用的技术基础课[4-5].目前，该课程实施过程中主要问题可归纳如下：(1)课程内容多，各章节之间关联度不高，延续性不强.内容以“三传”理论为基础，多以解决工程实践问题为研究目标，知识点繁、细、杂.课程由十余个纷杂众多的基本物理单元操作有机组合而成，只有对各种不同的化工生产中的单元操作逐一进行研究，阐述各单元操作的基本原理、过程计算及典型设备才能揭示其共性的本质、原理和规律.因此，该课程与工程实践联系极为广泛，研究对象复杂，基本概念、基本定理和公式繁多，计算范围涉及面广，需用到众多工程计算标准和单位，与学生学习过的常规数、理、化各相关课程计算过程有很大不同.(2)课时少任务重.根据后续专业学习具体内容和方向以及未来考研的需求，汕头大学应用化学专业的学生至少要学会《化工原理》中遵循流体动力学、热量传递、质量传递三个基本规律的单元操作，包含流体输送及机械、沉降、过滤、传热、蒸馏、萃取等多个分支.但按照教学计划上述内容要求全部压缩在64学时以内.学生课堂学习时间短、学习内容多，课后自学、复习具有很大难度，教师也无法全面介绍知识点背后的理论体系.(3)授课对象工程知识薄弱.授课对象学习长期限于书本范围内，授课前无任何校内实验和校外实习实践积累，缺乏所学知识点理论与实践结合的锻炼，结构和工程计算体系认知匮乏.很多学生在大一、大二的《高等数学》《物理化学》学习存在挂科情况，操作单元计算和公式推导必须使用的微积分、动力学、热力学基础知识很多学生掌握不好，甚至遗忘.(4)被动学习.通过调研并结合多年教学实际发现，由于授课内容多课时量少，授课教师疲于追赶教学进度，授课速度快，学生学习基本处于被动填压的方式，几乎无任何主动学习意识，造成学生被动，学习效果不好.

2 教学模式改革实践

分别对线下课程和线上课程进行设计，如图 1 所示.对课程内容进行梳理，较为简单易懂的内容，如：流体静力学方程、连续性方程、流体流动系统机械能衡算；离心泵的操作原理、基本构造、性能和基本操作方法；传导传热和计算；两组分连续精馏的计算和应用等知识点采取线下教学，完成课后作业、随堂测试等模式.对相对难理解和掌握的内容，如：管路计算、离心泵的气缚和气蚀、过滤架桥现象、对流传热过程、闪蒸、精馏进料热状况等知识点采取线上主、线下辅的混合式教学.使用超星学习通APP在线上构建多种功能模块，包括：基本概念、重点难点、虚拟仿真、在线测试等，通过线上学习→测试→奖励平时成绩，线下答疑的方式激发学生自主克服学习困难、探究难点、解决问题的能力.最后引入具体工程生产实践模型，结合所学知识点引导学生进一步深化对相关内容的理解.

图1 化工原理教学体系Fig.1 Teaching system of Chemical Engineering Principle

2.1 课程教学设计思路

为提高课堂学习效率，授课教师在课前备课后将线上预授课程提前录制成小视频，结合生产生活实践操作突出本章节内容的重点难点部分.例如：在第二章流体输送机械离心泵，教师通过播放离心泵构造拆解动画，结合工程应用清晰地给学生展示了离心泵的正确安装和使用步骤，通过动画了解离心泵安装和使用过程中的气蚀和气缚现象产生的过程，新颖的内容展示方式吸引学生听课注意力，抓住学习重点，课上能全神贯注听教师讲解.

2.2 课堂设计

超星学习通是一款多功能的线上教学、学习平台，可在手机端、平板电脑端进行操作，方便学生随时查看.在教学过程中教师利用超星学习通的课堂实施流程如图2所示.在授课过程中，依托学习通平台将信息技术手段融入教学设计，丰富线上授课、自学内容，构建集章节内容、教学资源、作业和小测试、讨论区等模块，形成完整的教师教学、学生自学、师生互动、在线答疑课程结构.通过上传PPT课件、视频动画模拟与实际生产实践过程展示、音频课件以及精品课程等学习内容，为学生提供个性化、多样化的学习资源.通过学生的出勤率、难点重点内容学习情况、完成作业情况、参与讨论情况、小测试等各方面来进行教学过程的综合评价.具体评价方案如表1所示.

图2 基于超星学习通的课堂实施流程Fig.2 Classroom scheme based on super star learning system

表1 学习通线上学习评价方案Table 1 Online teaching module and proportion of super star learning system

2.3 教学实施过程

课前线上：教师通过超星学习通布置课程预习任务.主要包括：(1)学生阅读与课程相关的学习辅助资料，了解学习重点及难点；(2)思考并回答预设的相关问题等.通过查看学生签到及回答问题反馈，教师掌握学生自主学习的落实情况及有效性.例如第四章对流传热机理，教师通过上传自拍透明热水壶烧水视频，清晰地给学生展示了冷水是如何通过热传导和热对流的方式加热至沸腾状.在这一过程中,学生可以非常直观地观察到冷水在逐渐加热过程中因水层温度差而产生内部密度差引起热对流的全过程.吸引学生眼球，通过生动、真实的生活实践画面，吸引学生听课注意力，提高学习效率.根据学生预先学习的基本情况，教师要做好线下课堂教学的充分准备，有利于线下课堂教学的高效实施. 在这一过程中，教师需把重点放在帮助学生掌握和理解单元操作的原理、过程分析和实际工程应用案例上.注重德育教育，融入家国情怀，激发学生学习热情，进一步夯实所学课程内容的基础.

课中线下：除课堂对重点、难点内容精讲外，教师还可以结合课程所学理论与实践相结合组织学生对学习分容进行分组讨论、汇报，教师依据学生的汇报情况进行总结补充.学生通过提前线上在超星学习通对重点、难点内容预习和自主学习，弥补了单一课堂学习内容枯燥、学生被动填压、照成认知浅薄的学习缺陷，充分调动和发挥了学生学习的主体性和自主性，督促学生学习，提升总体学习效果.通过对单元操作及其设备的设计、计算、操作、优化及过程强化等问题的讲解，加深学生综合利用数学、物理等基础知识分析和解决问题的能力.继续挖掘课程德育元素，如：意志品格、耐挫能力、职业素养、厚植工程伦理等.

课后线上：课后学习任务的布置依旧借助超星学习通开展.要求学生以小组为单位合作完成作业，测试和主题讨论等.超星学习通的利用不仅帮助教师检验教学效果，考察学生对所学知识的掌握情况，尽可能发挥教师的主导性和学生的主体性；也为教师与学生之间以及学生与学生之间的互动交流搭建了有效的平台，拓宽了课堂交流的局限性.通过这些学习活动，学生在获取知识的同时可充分领悟《化工原理》课程的科学思维和研究方法，在提高了学习工程问题的归纳、演绎、推理等能力的同时也掌握了解决工程问题的数学模型法、分解与综合法、量纲分析法等科学研究方法.最后形成课程总体教学效果评价，为下届学生学习提供依据和参考.相关数据、结果经多届学生学习累计后可作为《化工原理》教学数据统计、教案的修改和完善依据.

3 教学实践案例——以精馏进料热状况为例

下面以精馏进料热状况教学内容为例来详细描述超星学习通平台的混合式教学模式.精馏是蒸馏这一章中最重要的一节，更是化工企业生产必不可少的基础操作单元.精馏进料热状况对接实际生产操作，通过改变进料在进料板上、下各流股的热状况，直接影响精馏操作的效果和生产成本.进料热状况的多样性和影响课本只以简单抽象的线图来说明，学生不易理解，2个课时课堂抽象讲解完成预定教学目标的难度较大，因此将学习内容提前在学习通发布给学生提前预习、自学，便于教师提高课堂授课效率.具体教学过程如表2所示.

表2 精馏进料热状况超星学习通混合式教学设计Table 2 Mixed teaching design of thermal condition of the distilled feed assisted with super learning system

4 结 语

基于超星学习通的《化工原理》教学研究经过2年的实践，取得了较好的教学效果，表现在：(1)学生的学习积极性得到显著提高，从以前的“被动学习”逐渐转变为现在的“主动探索式学习”，总体成绩稳步提高，例如：2018级某同学在2022年硕士研究生入学考试中《化工原理》考取了132分(满分150分)，成功被浙江大学化工专业录取. (2)增强了学生学习团队协作能力，团队内互相学习，团队间学习互相促进和督促，同时进一步提高了学生参与《化工原理》实验课程的积极性.(3)有效地弥补了由于师资力量不足、专业教师数量有限、讲授课程内容多课时少使得一部分教学内容无法全面讲授的缺陷，为后续学校应用化学专业学生培养数量的稳步增长打下良好基础.