混合式教学在“化工原理实验”中的应用与探索

陈霞，王亚琴，金杰

（安徽建筑大学材料与化学工程学院，安徽合肥230022）

“化工原理实验”是“化工原理”课程的实验部分，属于工程实验范畴，也是工程实践教学的开始。课程内容包括与“化工原理”课程密切相关的各个单元操作的实验部分，一般基于动量传递、热量传递、质量传递多方面多层次的开设演示、验证、综合、创新等类型的实验。通过本课程的学习，希望学生巩固和深化“化工原理”课程的理论知识，熟悉现有生产过程中的各种单元操作，掌握“化工原理实验”的基本技术和操作技能，深化对传递过程的理解；并且具备分析和解决单元操作中各种问题的能力，在科学研究和生产实践中对设备应具有操作管理、设计、强化与过程开发的本领。但在教学过程中存在学生主动性不足，训练效果不佳等诸多问题。如何帮助学生顺利进行化工原理实验，达到教学预期目标，就必须对课程教学进行研究，在教学方法和教学手段方面进行改革，结合化工生产与发展实际，提高学生的学习兴趣和热情，进而提高教学质量。

目前，基于教育信息化的要求和发展，国内高校都十分重视线上课程的教学，最近利用网络的实验教学改革也相应增加，应运而生的虚拟仿真实训系统是教育信息化建设和实验教学示范中心建设的重要内容。虚拟仿真实训系统的开发有利于提高学生的创新和实践能力，推动信息化条件下自主学习、探究学习、协作学习等实验、实践教学方法改革，提高教学能力，丰富教学内容，拓展实践领域；又对于学生的团队协作精神、吃苦耐劳和坚忍不拔的毅力培养起到了积极作用，满足化工行业对工程技术人才越来越高的要求。

本文首先对本校“化工原理实验”教学中存在的普遍现象进行分析，在此基础上，鉴于该课程的目标，提出结合虚拟仿真实验和实体实验的线上线下混合式教学手段，打造在线课程与课堂教学、线上实验与线下实验相融合的混合式实验课程，从而开拓出一条适合化工类专业技能人才培养的“化工原理实验”课程模式。

1 “化工原理实验”课程教学中存在的问题

工科类专业的“化工原理实验”课程教学中存在以下一些共性的问题：

（1）实验前预习效果不佳，虽然每个实验均配备了对应的实验报告及预习计划，但多数学生仅根据实验教材进行了抄写工作，不仅没有对实验背景理论知识进行深入思考，同时因未能到实验室对照设备进行观察，其对实验设备结构和操作过程一知半解甚至一无所知。

（2）实验过程中主动性不够，实验教学目前大多采用传统模式，即强调教师讲授，学生按照老师所教的步骤一步一步进行操作，很少有同学主动思考其过程步骤，对实验过程提出不同的操作可能性和后果分析。且“化工原理实验”自动化程度高，多数学生只需要记录数据等机械地完成实验流程，并不能理解前后各操作的目的和原因，以及对应的知识点。更有甚者，少量学生上实验课时完全不关心过程，仅等待同组同学的数据。这些必将导致学生对实验课程的学习效率和学习热情不高；而教师由于要演示和指导学生使用设备、记录数据，难以调动每一位同学的积极性。

（3）实验考核方式不够严格，实验报告流于形式，目前实验考核方式不够细化，虽然有预习、过程和报告分，但不能体现出差距，教师也无法精准掌握每一位同学实验前后的过程情况。同时，学生的实验报告质量较差，一是雷同性过高，3～4位同学一组，其报告相似，甚至部分学生在实验过程中未参与到操作中去，最后撰写实验报告时就只能照搬照抄；二是多数同学对实验数据的处理不够完善，或者处理的方法有误，最后的思考和讨论更是流于表面。

（4）实验设备多数较为简单，因为场地、学时等限制，实体实验设备多数对应知识点单一，结构和操作过程较为简单，无法进行化工过程中常见的综合大型实验过程。这不仅不利于拓宽学生的视野，培养学生自主思考的创新精神和团队合作精神，也无法体现学生之间的差异。

因此，为了满足学科专业发展的需要、社会的需要和学生的需要，对“化工原理实验”进行教学内容和教学手段的改革非常迫切和有必要。

2 线上线下混合式教学的改进

根据教育信息化的要求和发展，学院针对性地购买了虚拟仿真实验，打造线上实验与线下实验相融合的混合式实验课程，推动信息化条件下自主学习、探究学习、协作学习等实验、实践教学方法改革，提高教学能力，丰富教学内容，拓展实践领域，降低成本和风险，开展绿色实验教学，最终培养实用和科研结合型人才。

2.1 教学内容更新，提高学生预习的有效性

本学院购买的虚拟仿真过程不仅包括常见的流体输送、热交换操作、精馏、萃取等化工原理实验项目，还包含丙烯腈3D虚拟现实仿真、乙醛氧化制醋酸工艺仿真、双塔精馏单元3D仿真、多效蒸发工艺3D仿真等综合大型工艺过程或典型高温高压化工传递过程。其实用性和复杂性可以更好地对应课程知识点，激发学生的学习积极性，鼓励学生提出一些工艺流程实验方案的改进，培养其良好的创新能力和科研素养。除了这些新增的综合实验仿真中具备的完善的背景知识、预习及操作内容，教师也可以利用线上资源，通过录制视频等手段，指导学生全面了解实体实验设备的使用，实验主要操作技术等，与虚拟仿真过程进行对照分析，使学生可以不受时间和场地的限制。同时，根据虚拟仿真能更细化预习指标，在线上提交各种不同的预习结果并与老师进行交流互动，提高预习的有效性。

2.2 教学手段改革，增强学生实验操作兴趣

根据虚实结合、相互补充的建设原则，依托学院提供的解决复杂问题的大型工艺过程和典型传递虚拟仿真学习资源，“化工原理实验”课程采用线上虚拟仿真实验和线下实体实验相结合的混合式教学手段，探索复杂工段的机理与深层次问题的可靠、安全和经济性，模拟真实实验难以完成的复杂先进化工工程系统分析、验证与预测，以适应工业化、信息化融合训练和创新训练的教学需要。如精馏综合实验，既包括与实体实验相同的开车、停车，全回流和部分回流操作，还包括液泛、雾沫夹带等异常处理，进料温度、回流比、不同压力等参数变化操作。让学生通过“理论授课-虚拟实验-实物实验”相融合的学习，深刻体会化学工程与工艺生产各个环节的核心内容，达到更深入、更好的教学效果。尤其是在网上虚拟仿真实验过程中，可以进行完整工段的学习和具体设备的操作，并依据提示，逐步完成从原料到产品生产的整个过程操作，极大地增加了学生实验过程的兴趣。

2.3 完善考核手段，培养学生创新、协作意识

传统的实验课堂考核手段主要是基于学生实验前的预习报告和实验课后的实验报告，中间操作过程只有含糊的实验过程总分，不仅无法具体实时了解学生的学习掌握情况和差异性，还使得学生更注重结果和报告撰写而忽略了具体实验过程，导致学生为了刻意追求正确的实验结果而失去了对科学性和非稳态工况的探讨，甚至通过抄袭获得高分。采用线上线下相结合的混合式教学，可以改变以往的考核方式，不仅利用线上资源进行预习，根据视频学习和答题情况实时获得预习分。以精馏综合实验为例，其课前预习包括知识点讲解、题库训练和拓展考试、设备仿真练习等部分，在实验过程中，操作步骤可按工段、按步骤操作给分，结合线下实验，可提供实际的结果记录及处理过程，加强了学生之间的协作与差异；最终的实验报告更侧重于对实验的分析、思考和总结。这样的考核方式可以加强学生实验过程中的参与度和整体实验后的创新协作能力。

2.4 提高教师素质，实践教学改革

以学生为主体，采用线上虚拟仿真和线下实体实验相结合的综合性、创新性实验对教师自身素养具有不断审视的作用，将会促进教师改变教学观点，不断加强教学基本功，积极参加本学科的教学研究。同时，通过学生在实验过程中对知识的掌握程度，发现在理论课堂教学中可以进行加强或改进的地方，促进教师以学生发展为主，改变知识的单向传播方式，注重个性差异，最终在传授学生知识技能的同时培养学生自我学习的能力。

3 结束语

根据虚实结合、相互补充的建设原则，将化工原理常规实体实验转变为真实工程背景下的系统工程集成实验，采用线上虚拟仿真和线下实体实验相结合的混合式教学，让学生学习和理解复杂先进大型工艺等前沿技术，进而培养学生应用虚拟仿真技术和工具解决复杂工段实际问题的工程实践能力，培养学生创新思维与系统思维能力，努力培养能力与素质相结合的复合型人才。