“颠覆认知”策略在《化工原理》教学中的应用

丁美丽 陈慕华 顾晓利 张雄飞 冯 艺 朱玉香 王 洁 姚建峰

(南京林业大学 化学工程学院，江苏 南京 210037)

《化工原理》是化学工程类及相近专业的一门专业基础课程，在公共基础课和专业课之间起到了非常重要的桥梁作用[1]。课程主要运用自然科学的原理考察、解释和处理工程实际问题，从理论上阐明化工生产中流体流动、传热、蒸馏等各个单元操作过程的基本原理，典型设备的结构、工艺尺寸计算和选型，探索强化过程的途径，通过课程学习、实验操作和课程设计，培养学生处理工程技术中一般问题的综合能力，为其以后的专业课学习奠定良好的基础。

本文基于对化工原理课堂教学现状的分析，探索“颠覆认知”策略在化工原理教学中的应用，旨在激发并充分发挥学生的主观能动性，引导学生理解该课程的概念、原理及典型化工设备的设计与选型，最终实现课堂教学整体效果与质量的提升以及学生实践意识、工程意识和创新意识的培养。

1 化工原理课堂教学现状分析

化工原理课程主要基于物理、化学、数学等自然科学基本原理，如质量守恒、能量守恒、平衡关系等，研究各化工单元操作的基本原理、典型设备的构造及工艺尺寸的计算或造型，并能用以分析和解决工程技术中的一般问题。该课程涉及到很多学生在公共基础课程中未接触过的基本概念、知识点以及工程计算公式，学生在课程学习过程中普遍认为该课程内容庞杂，符号和计算公式记忆难度大[2,3]，很快就丧失了对该课程的学习兴趣。传统化工原理课堂教学多以讲授法为主，教师通过叙述、描绘、解释和推论等方式对学生进行较为直接的课程知识灌输，这使得学生很难在整节课堂中都保持高度的注意力，长此以往还会造成学生对教师的依赖心理，从而在很大程度上抑制了其学习的独立性和自主性。不仅如此，由于化工原理课程每一章的知识关联性很强，学生在课程学习初期如果无法进入状态很容易对后面章节的学习产生畏惧心理，更无法做到对知识点的融会贯通和举一反三，进而严重影响学生各方面的能力培养。

2 “颠覆认知”激发学生学习动力，提高教学质量

美国著名教育心理学家奥苏伯尔将学校情境中的学业成就动机分为认知内驱力、自我提高内驱力和附属内驱力[4]。对于正值青年期的大学生而言，他们的学业成就动机主要为认知内驱力和自我提高内驱力。他们希望通过学习来理解事物、掌握知识、解决问题或是由自身学业成绩而获得相应的地位和威望。因此，打破传统课堂教学模式，通过合适的教学策略来激发学生的认知内驱力，调动学生的学习积极性，引导学生主动参与知识的建构，提升教学质量的同时加强师生之间的互动[5]，是目前化工原理课程教学亟需解决的一个重要问题，同时也是化工原理课程教学改革值得深入探索的问题。

有鉴于此，结合化工原理课程的特点，我们在考虑学生的认知发展水平和已有的知识经验基础上，利用“颠覆认知”策略从以下三个方面对该课程进行教学改革，让学生在学习过程中对自身原有认知出现颠覆，对课程内容产生浓厚兴趣，从而主动打破原有认知架构，并在教师的引导下积极主动地重新构建新的思维方式和知识网络，真正做到将“要我学”转变为“我要学”。

2.1 颠覆认知策略用于概念教学

化工原理课程涉及很多基本概念学习，而好的基本概念学习效果又为原理学习奠定了良好的基础。为改善概念教学的整体效果，教师可以在课堂教学的导课环节利用颠覆认知策略巧妙地吸引学生的注意力，引导学生对现象背后的原因或本质进行刨根问底式的追问和思考，然后自然过渡到概念教学，让学生更容易接受和理解很多基本概念。

以传热的三种基本方式为例，教师在课堂导入阶段提出问题：“我们用手触摸冰块都会觉得冰很冷，那么如果我们用冰块搭建房子是否会感觉很凉快？”多数学生会根据生活经验回答：“是的。”这时教师再提问：“如果用冰块建的房子令人感觉凉快，那为什么生活在北极的因纽特人还会住在冰屋内呢？”学生面对与自身以往认知完全不同的现象时会产生极强的好奇心。由此，教师告诉学生：“其实因纽特人用冰建造的冰屋内部是很暖和的，今天就让我们从传热的三种基本方式一起来揭示冰屋保暖的奥秘。”此时，学生对本节课程的学习内容产生了浓厚的兴趣，同时也希望通过学习相关知识了解传热的三种基本方式分别是什么以及这些传热的基本方式在冰屋保暖中又分别起到了什么样的作用。在整个概念教学过程中，学生学习的主观能动性被调动，会主动参与到概念的理解和分析中，并与教师给出的结论相比较，不断进行自我反思，课堂参与度大幅度提高，对于基本概念的理解也更加高效。

2.2 颠覆认知策略用于原理教学

原理教学往往需要建立在概念教学的基础之上，比起概念教学也更为复杂。因此，学生强烈的学习动机是原理教学得以有效进行的重要前提。化工原理是一门实践性很强的课程，倘若教师在原理教学中能够联系生活实例，利用颠覆认知策略使学生对自身无法解释的现象产生迫切的求知心理，就可以快速让同学进入最佳的学习状态，以达到较好的教学效果。以流体流动中的伯努利原理为例，教师在课堂中可以与学生一起完成小实验，尝试用几口气将一个气球吹大。实验成功后，教师提问：“如果将气球换成一个又长又大的塑料袋，我们还可以吹几口气就将塑料袋吹大吗？”即使不经过实验，多数学生凭借自身经验也会得出无法实现该目标的结果。这时教师可以亲自演示实验过程或直接利用相关网络视频资源告诉学生，这个目标其实是可以实现的，使学生产生认知冲突并对难于解释的现象背后的本质或因果规律产生强烈的兴趣。此时教师直接给出简单解释：“离袋口远一点吹塑料袋，会使得塑料袋口处因流体流动产生低压，大气压就会将气体压入到塑料袋中，因此我们只需几口气就可以将一个又长又大的塑料袋吹大，这其实利用到的就是我们今天要学习到的伯努利原理。”在学生对伯努利原理有初步印象后，再逐步引导学生学习和理解伯努利方程，最后通过伯努利方程再总结出相应规律即伯努利原理：等高流动时，流速大，压力就小。

通过创设丰富的情境使学生对已有生活经验的认知产生颠覆，可以让学生迅速对眼前的事物产生高度的兴趣，也更愿意主动了解相关原理[6]。教师在此基础上加以适当引导，让学生发现问题并利用所学知识分析问题，最后帮助学生深入理解相关原理并总结相应的基本规律。如此开展原理教学，有利于学生在牢固掌握相关原理的同时获得课程原理的学习方法。

2.3 颠覆认知策略用于化工设备教学

根据工程教育专业认证理念，化工原理课程近年来在教学大纲、教学条件、考核机制等多个方面都进行了全面改进，以期培养学生的工程素养以及创新、应用与分析能力[7]。其中，对于化工原理课程中的化工设备，需要学生在学完课程以后能够针对单元操作过程的特性，确定单元操作主体设备的类型和操作条件，并进行单元操作设备的设计优化。为了加强学生对于化工设备相关内容的理解，在化工设备教学过程中，教师可以适当设置问题障碍情境，使学生形成认知冲突，教师由此引导学生主动获取知识并解决问题，最后教师对该化工设备的相关原理与设计优化进行归纳总结。

如讲授流体输送机械中的离心泵时，对于离心泵基本方程，在了解叶片不同的弯曲形式形成不同大小的流动角对于离心泵理论压头大小的影响规律—当使用后弯叶片时流动角小于90度则理论压头值较小，而当使用前弯叶片时流动角大于90度则理论压头值较大的基础上，教师提问“根据此规律，我们应该在设计或使用离心泵时选择何种叶轮？”因为前面刚学习流动角对于离心泵理论压头大小的影响规律，大部分学生都会选择具有前弯叶片的叶轮。此时教师可以直接给出结论“事实上在工业生产中离心泵多用后弯叶片”。学生在面对与其分析结果不同时会产生求知悬念，基于此，教师从理论压头、静压头和流动角的关系曲线图引导学生分析三者之间的关系，与学生共同总结在流动角不断变化过程中离心泵理论压头与静压头的变化规律，最终由学生自主分析解决问题，并得到结论：虽然使用前弯叶片流动角大于90度时理论压头值较大，但其中动压头比例也较大，为了避免因过大动压头造成能量转换时产生较大的能量损失，应该使用后弯叶片。

如此，根据所学内容创设问题情境，用问题有效启发学生思考，在学生因实际结果感觉内心受到巨大冲击以后，引导他们主动参与教学过程，深入探究相关规律，从而准确理解典型单元操作设备的合理结构和设计计算等。

3 结语

不愤不启，不悱不发，学生在认识颠覆时产生的强大好奇心可以促使学生主动参与学习。因此，教师在充分考虑学生认知水平的基础上，利用颠覆认知策略适当设置认知冲突可以显著提高学生的求知欲望和对化工原理课程知识点的关注度，促使学生不断发现问题；此外，在教师的引导下，学生可以自主构建新的知识网络，提高其对课程知识的理解力，有效提升课程教学效果同时培养学生综合工程能力，为国家培养高素质应用型人才。