以学生为中心的化工原理实验课程改革实践

武莉娅 杨宗政 贾原媛 郝庆兰

(天津科技大学化工与材料学院，天津 300457)

《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010—2020年)》指出，高等教育的“重点是面向全体学生、促进学生全面发展，着力提高学生服务国家服务人民的社会责任感、勇于探索的创新精神和善于解决问题的实践能力”[1]。化工原理实验作为化工原理系列课程中一门重要的实践必修课程，是加深理论知识、培养学生实际动手能力的关键环节，具有典型的工程实践性和创新性[2-4]。在化工原理实验课程的教学中，充分发挥学生的主观能动性，通过设计实验思路、运用实验手段、分析和解决问题的过程，培养学生的实验技能，提高实践创新和解决实际工程问题的能力。2020年10月，中共中央、国务院印发《深化新时代教育评价改革总体方案》，强调改革学校评价，推进落实立德树人根本任务[5]。实验课程的教学评价是学校评价的重要组成部分，对促进学生全面发展和教师专业发展以及提高学校教育质量有着重要影响。做好化工原理实验课程的评价，对促进学生能力培养及开展以学生为中心的实验教学至关重要。优化实验考核方法，完善实验教学评价指标，是推动实验课堂革命的必然要求。

一、本科化工原理实验教学现状及存在问题

1.以“教”的范式为主，教学目标相对单一

原有的化工原理实验课程以“教师讲解+学生操作+结果分析”的验证性实验为主，学生单纯地模拟和验证实验结果。传授式教学没有体现以学生为中心，实验内容简单，教学目标单一，只起到帮助学生巩固所学理论知识的作用。这种教学方式不能充分激发学生在实验环节自主学习的兴趣和独立思考的思维习惯，不利于培养学生的创新能力、解决问题的能力及综合素养，不能引导学生全面发展。

2.以结果性考核为主，过程考核比例偏低

原有的化工原理实验课程采用的“预习报告+实验操作+实验报告”的实验项目考核形式，目标明确且操作简单，以结果性考核为主。在整个实验过程中，学生学习主动性差，严重依赖老师、同伴和教材。考核方式注重小组考核，将学生知识、能力及素养方面的考核混为一谈，明显不能满足对个体过程考核、多点能力考核和区分度考核的要求，不能全面有效评价学习效果。

二、化工原理实验教学改革

本研究以化学工程与工艺专业的化工原理实验教学为例，以教学目标为导向，通过突出能力培养、融入信息技术、强化过程考核三位一体的实验教学改革，真正实现“以学生为中心”的实验教学。改革后的化工原理实验教学模型如图1所示。课程目标1对应知识目标，课程上标2和3对应能力目标，课程目标4对应素养目标。根据布鲁姆教学分类法，对教学目标进行分层。以目标为导向，设计实验过程，细化实验考核要素，量化课程评价，反映目标达成情况，持续改进优化实验教学。实验中开放式组织实验教学，合理运用“雨课堂”软件与虚拟仿真平台，形成多课堂协同完成教学任务的实验教学方法，培养与提高学生的科学实验素质和创新能力。通过引导学生在实验前、实验中、实验后自觉参与学习，培养学生自主学习和主动学习的能力，帮助学生养成“会学-会用-创造-再学习”的终身学习习惯，促进学生实现知识、能力、素养的提升，培养学生解决复杂问题的综合能力和高级思维模式。

图1 以学生为中心的化工原理实验教学模型

1.根据课程认领的工程认证毕业要求观测点制定课程教学目标

首先应该在教学目标上进行改革。分知识、能力和素养3个培养层次制定教学目标，合理细分应用、分析、创建、协调等实验教学素质培养要素，便于考核学生能力的达成程度。通过学习本课程，学生能达到3个层次的教学目标。课程目标对应不同支撑强度的毕业要求观测点，以帮助学生达到毕业要求。

2.突出学生主体地位，有效支撑课程目标达成

实践内容决定学生在实验中的参与度和学习效果，因此教师要精心设计化工原理实验内容，激发学生的学习主动性，让学生感受到课程的重要性，获得认同感。

(1)增加综合性与应用型项目，培养学生解决问题的能力

根据“一流课程”要求进行“分阶段、分层次、模块化”的化工原理实验教学改革。执行中遵循由浅入深、由简单到综合的顺序，建立由基础性实验、开放性实验、综合性实验、创新性实验构成的实验教学体系。只有综合性及创新性实验才能真正调动学生积极思考[6]。优化实验教学，培养学生的团队合作和工程创新能力，满足社会和行业对各类人才的需求。改革后，增加了综合性与应用型项目，拓展了化工原理实验的深度、难度和广度，更加注重培养学生的工程实践能力及创新科研能力。

如在大三上学期开展的吸收综合实验中，深度调研吸收单元操作在石油工业、化学工业和环境治理行业的重要作用，紧密结合新工科建设要求及天津科技大学化学工程与工艺专业工程认证的需求，挖掘设置不同层次的实验内容。从学生的成长需求和发展出发，采用从易到难、从简到繁、多方位拓展的递进式教学方法，构建分层次分模块教学实验体系。具体安排见表1。

表1 吸收综合实验内容安排

以具体实际工程中突发情况的课程设计激发学生兴趣，增加学生的知识获得感，通过分析问题和解决问题，提高学生的工程实践能力，促进教学目标达成。在今后的实验课教学开展中，要不断将先进科研成果用于项目的后续开发和更新，持续改进，获得更好的实验效果。

(2)内外课堂结合，多课堂协同组织开展实验教学

移动互联时代，教育领域信息技术的大量运用使教育教学环境变化巨大[7-8]。新时期出现新学情，学生的学习习惯、学习态度及学习方式出现新特点，趋于知识获取碎片化、价值取向多元化及信息来源丰富化等发展方向。为了提高学生学习主动性和创造性，改进实验教学手段与方法迫在眉睫[9]。以“一流课程”建设为突破口，推动教学走出课堂、超越知识、突破时空，这就需要强化课前、课中和课后部分的有机衔接与融合。通过打造信息技术与智能终端等组成的智慧型教育环境，整合实验室、网络、虚拟平台等学习资源，建立全方位立体教育系统[10-11]，把学生的目光和心思真正吸引到课堂学习上来。

实验操作前，“雨课堂”软件推送实验目标及预习要点，让学生准备预习报告。预习后，学生在虚拟仿真平台进行仿真实验，模拟故障处理等特殊情况，通过虚拟仿真操作分析和解决具体问题。实验课上，小组成员相互协作共同完成实验项目，练习基本操作技能，通过具体操作分析和解决复杂工程问题。教师准备化工原理实验“雨课堂”题库，题目分“原理”“设备”和“操作”三大类，题型分选择题和讨论题两种。每个综合实验项目均有15道选择题。实验结束后，教师先在题库中抽取针对某个实验项目的选择题组成试卷，通过“雨课堂”微信小程序发放试卷，学生答题并提交。然后教师选择与实验相关的工程案例讨论题，通过“雨课堂”微信小程序推送问题及相关资料。

改革后，课程难度加大，需要学生和老师一起探索思考才能完成实验内容。师生课堂互动频繁，经常进行激烈的思维碰撞，学生能批判性地提出问题。整个过程中，教师始终是以导师的身份参与其中，不再只是课堂的讲授者，仅起到引导学生学习、组织研讨的作用。学生作为学习主体，自主学习能力、组织讲解及研讨能力均有所加强，自身综合素质明显提高。实验教学中，教师需要提前认真备课，加强知识储备，扩展视野，挖掘授课知识的广度和深度，深刻理解把握实验内容，正确指导学生解决具体问题。学生通过操作化工原理实验装置，巩固所学的理论知识，通过课内与课外多平台学习，丰富完善知识体系。通过多课堂协同培养，体现课程的创新性和挑战度。

(3)增加过程考核，建立积极有效的实验考核体系

实验内容整合和教学模式改革需要相应的考核体系做支撑。建立积极有效的实验考核体系，要强化过程考核，注重激发学生实验兴趣，提倡科学严谨的工作态度，将动手能力、综合分析能力及创新能力作为主要考核内容。实验改革的评价体系应该能客观评价学生的实验过程和效果，需要根据实验的内容，在总成绩构成中给出相关的权重，具体指标如图1所示。

课程考核办法针对课程目标进行设计，考核内容与课程目标的能力要求相对应，课程考核分为预习报告(10%)、虚拟仿真实验(10%)、雨课堂测试(10%)和实验操作(10%)和实验报告(60%)5部分进行。其中预习报告支撑课程目标1的达成，虚拟仿真实验支撑课程目标2的达成，实验知识测试和实验报告支撑课程目标3的达成，实验操作支撑课程目标4的达成。化工原理实验课程目标达成的期望值设定为0.7。

综合学生的预习报告、实验操作前教师批改及小组内学生互评给出的预习报告成绩。虚拟仿真平台后台记录学生操作设备情况，实时记录成绩。实验中，教师根据学生实验情况，针对性提出问题，学生通过具体实验操作解决问题，教师根据学生操作过程的准确性及合理性给出操作成绩。通过“雨课堂”小程序发放选择题试卷，软件根据标准答案在后台统计学生的答题情况。实验后，学生将数据处理过程、图、表及开放性问题整理成实验报告，交给指导教师批阅。教师根据数据处理过程的准确性、完整性及开放性讨论题答题思路的合理性，综合给出实验报告成绩。开放性讨论题考核内容体现“开放性”，不局限于“唯一”和“标准”答案，注重考查学生独立思考的能力，培养学生开放性思维。教师对每位同学进行认真考核，从互动的学习过程中了解学生，教学相长，形成良性循环，促进师生共同进步，提高课程教学质量。

考核中应用课堂内与课堂外相结合的教学手段，强化过程考核，采用丰富和拓展形成性评价的方法，实现非技术能力达成度的定量评价和定性评价，跟踪非技术能力的达成过程[12]。改革后的实验考核体系，形成了全周期、全过程、全角度学生考核，强调考核的过程性和阶段性，真正实现对学生知识传授、能力锻炼及价值塑造的全方位培养，实实在在落实立德树人的根本任务。

(4)落实课程评价，持续改进，促进教学目标达成

以天津科技大学2020—2021学年第一学期化学工程与工艺专业180337和180338两个班级50名学生的化工原理实验成绩为例，进行课程评价。分别对每位同学预习报告、虚拟仿真实验、实验操作、“雨课堂”实验相关知识测试和实验报告，按满分百分制统计成绩。根据每项过程考核权重，计算每个目标达成度，如图2所示。实行改革后，两个班级4个课程目标的达成度均高于设定值0.7。说明本课程能有效支撑毕业要求观测点，进而达到毕业要求。

图2 学习效果评价

通过课程评价，教师可直观把握实验教学效果，客观分析学情变化，实现对实验教学的持续改进。但目标达成度难以直观反映每个实验项目中每部分实验过程对目标达成的贡献程度，量化过程考核后可弥补这一不足，这样有利于教师根据情况因材施教，督促指导，有针对性地指导学生提升学习效果。以吸收综合实验为例，预习报告、虚拟仿真实验和实验报告成绩散点图如图3所示。预习报告中大部分同学完成很好，虽然有个别同学没有认真完成预习报告，成绩偏低，但几乎所有同学虚拟仿真实验成绩都很高，说明虚拟仿真平台的使用有效激发了学生兴趣，学生在“闯关式”实验与“刷分式”操作中，提高了对实验装置的熟悉程度，弥补了前期预习的不足。课程目标1的达成，说明学生能应用理论知识安全开展实验，通过预习结合虚拟仿真操作能够完全实现“知识”层次目标。实操实验中教师增加了工程拓展型和综合设计型的内容，增加了实验的难度，在实验报告中学生成绩略有降低，趋于集中。课程目标2和课程目标3的达成，说明虚拟仿真实验与实际操作结合才能真正将理论知识灵活应用到分析问题和创造性解决问题的实践中，达到“能力”层次的目标。课程目标4的达成并且学生成绩集中，说明协调性较好，达到“素养”层次培养目标。

图3 吸收综合实验散点图

三、结语

立德树人是教育教学的根本任务。具体到化工原理实验，就要培养学生的化工相关素养，这是课程育人的价值所在。“工程教育专业认证”和“一流课程”建设，都要求在向学生传达知识的同时，以学生为中心，精心设计实验，培养学生解决问题的能力。教改实践中，分层次细化教学目标，丰富教学内容；分阶段开展教学，引导学生自主学习探索；拓展课堂内与课堂外的实验教学，扩充课堂容量和提高课堂效率；融入非技术能力的培养，强化过程考核及多点能力考核；量化教学评价，持续改进促进目标达成。通过闭环设计实现系列化的教学改革，助力培养德才兼备的工程技术人才。