化工专业课研究性教学的探索与实践

刘伟 刘丽英 刘清雅

摘 要：针对新时期化工类专业创新人才培养对研究性教学构建与实施的需求，结合核心课程“化工原理”的教学目标、教学模式、教学活动和考评体系，进行了研究性教学的探索与实践，提出了“课前主动获取知识，课堂以问题为中心传授知识，课后研究性探究学习”的复合模式。实践结果表明，这种复合模式对逐步培养和提高学生创新思维与创新能力是行之有效的。

关键词：研究性教学;创新思维;创新能力;化工原理

培养创新人才是我国高等教育重要任务之一，本科人才的培养尤为重要，如何提升本科生自主学习能力、创新能力及适应未来社会发展能力，很多研究学者和教育专家开展了大量的研究工作。目前我国高等学校对于本科生的教学形态多为知识灌输型，学生以教材或课件为中心，以课堂为主，接受教师传授的书本知识，形成了“接受式学习”的思维定式，学生主动思考和探究问题意识薄弱，严重缺乏知识应用和创造性应用的能力和素质。近年来，我国高等学校开始推广研究性课程和教学，大家一致认为对培养学生创新意识和创新能力是有利的，但对于不同类型课程和不同层次的本科学生，在具体实践过程中，其教学活动的内容、模式、方法等还有待进一步探讨与研究。从2017年开始，北京化工大学化工学院每学期都设置化工原理研究性教学，探索适用于化工专业培养目标的课程教学模式、教学内容、教学活动及考评体系等，获得了良好的教学效果。

一、研究性教学的教学目标

近年来，很多教育工作者指出研究性教学可以解决创新人才培养，并有大量的探索与实践[1-3]。化工原理作为化工及相近专业的核心课程，在化工人才培养方案中极为重要，其教学知识目标通常包括：使学生掌握解决复杂化工问题所需的基本原理和计算方法，培养学生应用所学知识对化工过程进行分析、计算的能力，以及综合考虑技术及经济等因素，对主要单元设备的选型和设计能力;培养学生对化工过程进行分析，确定其制约因素，提出强化过程的途径和措施。但上述知识目标并不能有效地培养出化工创新人才，为此我们又提出高阶（能力）目标，包括：培养学生对已学知识达到融会贯通的能力;培养学生根据问题独立获取相关知识并整合的能力;培养学生独立识别问题并能提出解决问题的方案的能力，以提高学生创新思维意识、能力和素质，为学生今后学习、工作和发展提供终身服务。

二、适应研究性教学的教学模式构建

化工原理课程具有很强的工程性，培养学生分析问题和解决问题的能力，始终是该课程的重点和教学改革的目标。课程坚持以学生为中心的成果导向式教育（OBE）教学理念，把激发学生的学习热情，培养学思结合、知行合一作为课堂教学的理想境界。本着教学内容为王的准则，在以“三基”为主的基础上，融入与时俱进的现代化教学内容，采用灵活的教学方式、有效的教学方法，并坚持教学改革与创新效果要靠学生实践检验的理念，为学生知识、能力和素质全面发展打造具有鲜明特色的高阶性课程。

1.坚持培养学生良好的学习习惯，提高学生学思结合的能力

作为传统的专业基础课，为了实现知识目标和能力目标，需要对传统的教学模式进行改革。我们提出课前主动获取知识模式，在“北京化工大学在线教育平台”上设置课程导读，引导学生了解课程及学好课程。在线平台还为学生提供课前思考题，便于学生带着问题去看书。这一模式的设计目的在于使学生了解教材的结构、原理和规律，培养学生对化工问题的兴趣和对知识的求知欲，逐渐养成良好的自觉学习习惯，在看书过程中主动获取或发现问题，然后带着问题进入课堂。

2.坚持培养学生分析问题和解决问题的能力，提高学生对知识融会贯通的能力

尽管有人认为培养学生创新意识和精神，要摒弃知识传授式教学，但传授式教学方式并非就是“填鸭式”教学。从课程内容的性质和学生素质考虑，研究性教学单纯从研究课题出发，不考虑学生在高中形成的思维惰性，没有牢固地掌握课程基本概念、基本原理和应用技术等，在研究性探究阶段学生会遇到很多困难，达不到相应的效果，学生会畏惧和厌倦。我们这里所说的知识传授，不是以知识为中心，而是以问题为中心，与概念和原理相关的知识点完全是为分析问题和解决问题服务的，即课堂上以教师为主导、以学生为主体、以问题为中心的知识传授模式。围绕教学的知识目标，采取问题导入、案例教学、学生参与式研讨、阶段测试、知识总结的授课方式开展，使学生深刻掌握课程内容，学会分析问题和解决问题的技术和方法，达到极大提高教师教学效率和学生学习效果的目的。

3.坚持以学生为主体的学习实践活动，提高学生知行合一的能力

纵使学生对课程概念和原理掌握得很熟练，但面对复杂的化工问题，如果不亲自实践，对学到的知识和技能就会掌握不牢或不深，时间长了就忘，更谈不上未来工作和研究时利用所学知识和技术解决实际问题。为此我们在课后采用研究性探究式学习模式，设立若干与课堂内容密切相关的研究载体，学生分组完成。尽管国内外对研究性课程有多种不同角度的定义和争论[4-5]，但有一个观点是一致的，即研究性课程是在教师指导下学生独立思考、探索的实践活动。所以，我们在课后通过研究性探究模式，在教师的指导下，围绕课程重点内容，通过系列化典型工程实际的研究性课题或载体的实施，锻炼学生独立思考、提炼问题、制定方案以及解决问题的能力。最后，依据学生对研究性教学的反馈意见和学生作品质量，不断完善教学模式、研究内容、组织方式、考评系统等，以推动复合研究性教学模式的持续发展。

三、研究性教学三阶段复合模式的实践

研究性教学采用三阶段复合教学模式，依次为主动获取知识阶段、以问题为中心传授知识阶段以及研究性探究式学习阶段。

1.主动获取知识阶段

通过教师制作的课程导读视频、教材、参考书等资料，学生了解课程总体结构、知识目

标;通过在线教育平台上每章的学习思考题，学生带着问题和目标，通过看书去主动获取知识。在这个阶段学生的学习效果是否达到，可以通过学生是否能解决在第二阶段课堂传授知識所涉及的问题来检查。学生常常为自己能独立分析问题而自豪，其成就感会大大提高其学习兴趣，并随后逐渐改善自我学习方法，养成读书、思考问题、获取相关知识的学习习惯。这里需要教师对思考题与传授知识内容精心设计，既要考虑知识和问题的发展进程，又要掌握学生学习知识的达标程度。

2.以问题为中心传授知识阶段

学生带着问题进入课堂，在教师的引导下，铺垫所需的基本概念和原理，针对具体的工程案例展开分析。学生参与解决实际问题，并总结和归纳这一问题的规律性结论。例如关于离心泵安装高度是否有限制？这是流体流动过程非常实际的问题，以此工程问题为中心，回顾离心泵的工作原理和汽蚀现象，介绍离心泵性能之抗汽蚀性能参数——必需汽蚀余量，并让学生利用已学的机械能守恒规律推导出含有必需汽蚀余量参数的允许安装高度计算式，学生到这里就能水到渠成地判断出实际安装高度若超过允许安装高度，离心泵就会发生汽蚀现象，因此离心泵安装高度是有限制的。另外，从汽蚀余量概念也能判断离心泵是否发生汽蚀，同时发现离心泵是否发生汽蚀不仅与安装高度有关，也与操作温度、吸入管路流动阻力等因素有关，在此基础上让学生判断吸入管路中阀门的作用，以及理解离心泵输送热力脱氧的水容易产生汽蚀问题，自然就信手拈来了。课堂中间加入测试手段以考查学生对概念和工程问题的掌握程度以及最后的总结，都有助于提高学生对这一节所传授知识的应用能力。这一阶段的教学需要教师从工程实际出发，提炼大量的工程案例融入教学。案例教学是工程性强的课程的“润滑剂”，有助于学生树立工程观点和提高技术创新意识。学生在此阶段也可以相互交流工程案例或生活案例，训练自身发现问题、分析问题和解决问题的能力。因此，以问题为中心的知识传授阶段并非传统意义上的知识传授，而是一个培养学生学思结合能力的阶段，是一个促进学生开放思维的阶段，也是一个奠定善于思考问题基础的阶段。

3.研究性探究式学习阶段

研究性教学具有提高学生创新思维和创新能力的作用，其重要环节必须包括学生的体验过程。在体验和实践过程中，学生对掌握的知识有更深刻的认识，对具体的复杂化工问题能独立分析、确立方案、解决问题。为此，教师拟定若干个研究性课题，这些课题具有如下特点。（1）以课程讲授的重点内容为基础，挖掘潜在的研究性课题;（2）课题具有研究价值或实际应用价值;（3）课题必须是与工程实际密切相关的真实问题;（4）具有一定的挑战性，学生在掌握课堂知识后，需经进一步努力才能够完成;（5）各研究性课题对学生的能力训练方面不重复。

以典型的化工单元操作为例，我们设立了五个研究性课题。（1）流体输送过程中减少流动阻力措施的文献综述：主要锻炼学生查阅文献获取知识、归纳整理和逻辑写作能力;（2）校

园中水回用过程中双泵并联调节流量节能方案的研究：训练学生面对复杂化工问题，确立研究目标，制定相应实验方案，对实验数据归纳并分析，做出科学性结论;（3）多种类型换热器传热性能的比较研究：让学生根据传热设备结构特点，预判相应传热特性，并通过实验加以印证，锻炼学生印证已有结论的科学思维和动手实验能力，对已学知识实现知行合一，加深对知识的理解;（4）由吸收过程中采用吸收液多段循环技术而延伸到循环技术在其他化工过程的应用随想：使学生掌握处理化工复杂问题的方法论，培养学生对知识融会贯通，在未来学习和研究中能达到事半功倍的目的，形成终身学习系统;（5）乙醇—水混合液精馏分离过程中操作参数的优化：化工单元操作的操作问题是化工原理课程学习目标之一，但实际化工过程不局限于课本内容中单一参数的优化设计，所以学过线性代数和ASPEN等流程模拟软件后，实现多操作参数优化设计，同时也是综合应用所学知识的一次有价值的实践，经过对参数优化结果分析，学生能充分体会化工设计与操作的经济观点。

学生完成上述课题是在课堂授课之后分小组进行的。在课题实施过程中，学生针对教师提出的宏观课题自拟论文题目，内容开放，发挥学生的个性。当然整个过程中教师也会给学生具体的引导和建议，促进学生思维拓展和实践活动的开展，保证课题能按时完成，并力争学生论文达到较高的质量。例如在流动过程中减阻措施文献综述课题中，有的学生从产生阻力的根本原因是流体具有黏性出发，集中论述了各种减阻剂的开发与减阻性能对比的研究，也有的学生从流体产生阻力受到材料表面的影响出发，论述管道表面各种处理技术的应用研究。学生的作品在我校在线教学平台展示，然后用PPT集中展示所做的工作，各组之间相互交流，互相借鉴和启发，共同进步。课题实施过程极大地提高了学生发现问题、分析问题、解决问题的能力，培养了创新意识和创新能力，也提高了科研素质。这是一个知行合一的阶段，是学生对所需知识深层次认识的阶段，是检验学生利用科学方法和手段解决问题能力的阶段，是研究性教学实现课程高阶性必不可少的环节。

四、与研究性教学模式相匹配的全方位考评体系

学生在新教学模式下是否能积极参加研究性教学活动？学习效果如何？因此，建立相应的课程综合考评体系变得非常重要，可以讲考评制度就是实现新模式下教学方式转变的“指挥棒”和“风向标”。建立考核评价体系不仅要考虑对知识的量化程度，还要重视学生研究性创新实践过程与成长过程，以及创新潜力的挖掘，即考评理念为综合全面地考核学生的学习效果和学习过程，考评方法需要实现共性与个性的结合，形成全方位的考评体系。经过几年的实践，我们将学生的总评成绩定为：期末卷面成績占60%，平时测试与研究性课题实施过程考核的成绩占40%。过程考核在考评体系中发挥重要作用，形式包括各组互评、个人评价和小组评价;内容包括研究性课题研究内容的完整性与难度、实验或设计方案的可行性、数据处理或计算过程的正确性、结论的科学水平、论文的写作水平以及课题演讲表达水平等，教师由过去注重期末分数向考核学生学习实践过程倾斜。该考评体系极大地激发了学生对新模式下学习的热情与投入，由此可持续进行的研究性教学最终可实现化工原理研究性课程的教学目标。

五、研究性教学的成效

目前，我们的研究性教学已实施4年，通过对2016—2018级这3届学生进行的问卷调查，并根据学生的学习成绩、问卷反馈的意见、学生的研究性作品和后续跟踪调查，我们总结出以下三点成效。

1.三阶段复合研究性教学模式提高了分析问题和解决问题的能力和素质

创新教学模式培养了学生自主学习的习惯，实现了以学生为主体的知识传授理念，学生体验了主动分析问题和解决问题的过程。新模式提升了教与学的效率，学生达到了掌握知识、提高能力和素质的目标。从三届学生关于研究性教学效果问卷中可以看出，学生对研究性教学提高学习能力和素质认可度最高，达100 %。在最早一批采用研究性教学的学生中，部分学生获得了国家留学基金委资助赴海外硕博连读，研究课题横跨多个学科。

2.多元化的教学模式相融合，逐步培养了学生创新思维意识与创新能力

通过主动获取知识模式、以问题为中心的知识传授模式和研究性探究学习模式相融合，以及对几届学生的实践，证明多种模式下的教学过程可大大激发学生学习的兴趣和积极性，学习惰性大有改观。经过主动获取知识过程的训练，学生们再经问题为中心的知识传授阶段，尤其注重方法论的实践应用，即使面对多、广、深的教学内容，也能做到触类旁通，基本掌握每部分的精髓。進入研究性探究阶段，学生通过几个课题的实践，提炼出自己要解决的问题，确立做什么为目标，查阅有价值的资料，确定实验方案，独立动手做实验，总结出有科学意义的结论，少数学生有学术论文发表，他们看到自己的成就被认可，更坚定今后对专业和研究工作的热爱。每一种模式或阶段的实施，教师和学生都深刻体会到学思结合与知行合一是十分必要的，只有多种模式融合，学生才会逐步提高学习知识的能力以及解决问题的能力和素质，才会在创新思维意识和创新能力和素质方面有明显的飞跃。例如2019年一名学生在保研面试时，谈研究性教学对他学习的助力，受到评委老师的赞誉，他很兴奋地反馈给我们，这也更加证明了研究性教学的意义，坚定了我们长期开展下去的信念。

3.研究性探究模式的实施，深化了教学内容，构筑了高阶性课程

研究性探究教学实施过程中，对教师的挑战及影响主要有两个方面：一方面是需要教师依靠多年的教学经验和科研素养，确定合适的研究性课题，实施后更加深了教师对教学内容把握;另一方面是需要教师对科研、工程实际和前沿知识有深入的研究，同时也促进了教师对科研产生新的想法。学生在此阶段成为真正意义上的学习主体，例如学生在“离心泵流量节能调节”研究课题中，采用批判性思维方法，通过实验设计并证明流体流量波动大时，同频同型号双泵并联操作流量调节节能方案，推翻了大泵与小泵并联方案，撰写了《离心泵流量调节节能比较研究》的论文，并将其充实到新版《化工原理实验》教材中，作为今后化工原理实验课的创新实验内容。科研促进教学，教学反哺科研，推动了化工原理课程向高阶性课程发展。

以培养创新人才为目标的研究性教学在我校化工原理课程中已经实施了四年，经历了教学目标调整、教学模式探究、教学内容完善和教学活动实施等过程。研究性教学实施效果说明这种复合教学模式适合化工专业培养方案中工程性强的课程，其教学效果显著，有推广价值。

参考文献：

[1] 卢德馨. 研究型教学20年：理念、实践、物理[M]. 北京：清华大学出版社，2008：19-101.

[2] 姚玉环. 教师教育一体化视野下“研究型”教师的职前培养[J]. 中国高等教育，2009（9）：22-24.

[3] 别敦荣. 研究性教学及其实施要求[J]. 中国大学教学，2012（8）：10-12.

[4] 夏正江，梅珍兰. 对研究性课程内涵的一种解读[J]. 教育研究，2001（6）：66-70.

[5] CARK B.R. The modern integration of research activities with teaching and learning[J]. Journal of Higher Education， 1997（68）： 241-255.

[项目资助：北京化工大学教改项目“化工原理研究性教学示范课建设”（H-BUCT20170010），教育部第二批新工科研究与实践项目“新经济形势下传统化工专业多学科交叉复合改造的途径探索与实践”（E-HGZY20202001）]

[责任编辑：余大品]