从化工原理角度探讨在线教学平台的优化

2023-01-11叶菁睿何光裕陈海群

云南化工 2022年12期

叶菁睿，何光裕，陈海群

(常州大学石油化工学院，江苏常州 213164)

《化工原理》是常州大学化学工程与工艺、应用化学、制药工程、食品科学与工程、能源化工、材料化学、生物工程和资源与环境等化学化工相关专业的基础必修课程，在工程学习中占据着重要地位[1]。《化工原理》以化工生产中常见的单元操作为主要研究对象，以三传一反(动量传递、热量传递、质量传递和化学反应过程)为理论基础，重点讲述各个单元操作中的基本原理、工艺计算、设备结构及选型等内容。作为化工相关专业体系中的重要一环，《化工原理》是连接基础课与专业课之间的重要桥梁，是在高等数学、大学物理和物理化学的基础上进行工程知识学习的必由之路[2]。因此，长期以来化工原理课程一直是化工相关专业的重点课程。

为应对疫情形势，保障高校师生的身体健康安全，多所高校都制定了相应的线上教学措施，由任课教师通过线上教学平台进行授课。以常州大学为例，在2021—2022学期，共经历三段线上教学时间：一是于2021年9月份在新学期返校之际开展为期4周的线上教学；二是于2022年11月份鉴于疫情势态开展1～2周的线上教学；三是于2022年3月份在新学期返校之际，根据省教育厅及学校疫情防控要求开展长达数月之久的线上教学。针对常州大学2019级生物工程专业在线学习的不利因素进行问卷调查，结果如图1所示。其中，36.7%学生反映，教学平台使用不方便。由此可见，为了应对疫情常态化防控新局面，搭建功能结构完整的在线教学平台，保障教师线上授课质量及学生线上学习效果，具有十分重要的意义。

图1 线上授课的不利因素

1 现有教学平台的优势及不足

根据教师授课方式(录课型或直播型)，可将现有的线上教学平台分为两种类型：一是具备教学辅助模块的录课型平台。如由网易与高教社携手推出的在线教育平台“中国大学MOOC”，该平台承接教育部国家精品开放课程任务，面向大众开放优秀教学资源。但同时需要注意的是，MOOC上的课程强调精品性，面向全体平台用户，需要耗费较多时间、精力来构建一门课程，且课程往往以教师提前录制视频，学生观看视频为主，互动性较低。此外，还有如教师自主建立班级并实现跟踪管理的学堂在线和超星学习通等录课型平台。授课教师可提前上传课程视频，并在指定时间通知学生在线观看，上传习题资料供学生查阅作答，同时，此类平台一般为教师提供查看学习进度和答题情况等教学辅助功能，但学习进度只以学生观看视频时长为准，标准较为单一，且仍然存在互动性较低的缺点。二是不具备教学辅助模块的直播型平台，如腾讯会议和QQ群课堂等。此类平台要求教师在线实时面对学生授课，通过屏幕共享放映PPT。相对于另一类平台来说，此类平台互动性较强，可实时与学生交流，实现教师在线提问和学生在线作答。但需要注意的是，此类平台并非出于教学目的而建立，功能较为单一，缺乏下发测试习题等教学必备模块。

出于以上考虑，本文以线上教学需求为出发点，以化工原理课程授课特点为基础，讨论线上教学平台亟需增加的功能模块，从而进行优势化开发，旨在提高线上教学中教师的授课质量和学生的学习效果。

2 线上教学平台的功能优化设计

2.1 人形检测模块

对于线上教学，首先需要保障学生的出勤率及参与度。在线下授课时，通过点名和随堂小测等方式确认学生出勤率，同时在授课过程中观察学生面部表情及肢体动作确认课堂参与度，但在线上教学时实现这两点较为困难。目前对于录课型授课方式，只可观察学生的视频播放进度，无法确定学生是否真正观看授课视频。对于直播型授课，一般不要求学生开启摄像头，且即使开启摄像头，教师屏幕主体一般为PPT画面，难以及时观察到所有学生的学习状态。因此，在线上教学时增加有效的监督措施是十分必要的。具体操作是教学平台通过增加人形识别模块检测学生在线情况，在观看视频或直播时由系统自动对学生是否在线学习进行自动监督和记录。人形识别是以人的体型、动作等形态信息作为标准识别图片或视频中个体的在线或离线。在教学平台中增加人形识别模块捕捉摄像头中的形态信息，系统自动判断学生此时是否在屏幕前观看录课视频或者直播授课，在检测不到人形时可自动发送提醒给教师和学生。合理设计并使用人形检测模块可以有效帮助教师掌握学生出勤率及参与度，从而对学生学习进度进行有效跟踪。

2.2 随堂问答及小测模块

线下授课中随堂问答及小测是提高学生注意力、检测学生学习进度及教学效果的有效工具，目前部分线上教学平台也提供此类教学辅助功能。以超星学习通为例，可在上传课程视频的同时提供习题资料，在学生观看课程视频完毕后进行作答。但是这类习题模块往往是单独存在，与实时授课过程不能很好的结合在一起，无法体现随堂问答及小测的机动性及灵活性。因此线上平台通过增加随堂问答及小测模块可以进一步提高线上授课时学生的注意力。针对随堂问答，由老师在授课视频中或直播时提出问题，此时系统随机生出一个数字(例如本班级学号尾数为1～60，则此随机数字范围应设为1～60)，由对应学号的学生进行作答。录课型授课情况下，学生在系统所给出的答题框中进行作答。直播型授课情况下，学生打开麦克风进行实时作答。针对随堂小测，参考“云考场”系统中的“下发试卷”模块，在系统中提前上传习题材料并合理编辑为试卷形式，在合适时间选择下发试卷即可让学生在线答题，最后点击提交汇总至教师处评阅。合理设计并使用随堂问答及小测模块能够最大程度还原线下课堂气氛，为学生营造学习动力。

2.3 虚拟黑板模块

板书又称为教学书面语言，是指教师授课时在黑板上所书写的文字、符号及示意图等信息。优秀的板书在教学过程中帮助教师更生动、形象地传递信息，并帮助学生更充分地理解所授知识，强化重点记忆。随着教学工具的更新换代，目前部分学校已经可以实现数字化板书，但是往往需要专用硬件才能发挥作用。而目前面对普通用户的线上教学平台仍然缺乏相应的虚拟黑板功能，一般都是教师在自己电脑中新建空白页面用于书写内容。这种情况下，PPT的显示效果将受到影响，特别是在直播授课时，板书内容与PPT画面无法有效结合，使得板书所传达的信息较为单调。因此，通过线上平台增加虚拟黑板功可推进PPT与板书相结合。具体操作是在系统中增加一块自由移动并自由编辑内容的空白文档，类似于Windows系统中自带的“便笺”组件。虚拟黑板在PPT上层显示，教师在使用虚拟黑板模块时无需最小化PPT。通过在虚拟黑板上自由编辑(包括输入字符、公式及自由绘图等)补充并强调PPT中的内容，向学生传达更为凝练的信息。并且对于公式推导类教学内容，将虚拟黑板与PPT相结合可以更好地呈现知识脉络和逻辑结构，强化学生对公式的记忆和使用。合理设计并使用虚拟黑板模块能够实现板书与多媒体内容的相辅相成，呈现出更好的教学效果。

2.4 小组讨论模块

与单一讲授式教学方法相比，小组讨论更能活跃学生的思维，吸引学生的注意力，是现代教学方法的重要组成部分。以化工原理课程体系为例，在化工原理课程设计和化工原理实验等课程的教学过程中，需要将学生分为数个小组，通过小组讨论环节完成指定学习任务。线下教学时，各个小组在教室内进行自由讨论，并针对难点、薄弱点实时向教师寻求指导[3]。教师通过旁听和问答了解各小组讨论内容和进度，从而掌控课堂节奏。线上授课时小组讨论操作较为不便，因此往往在教学过程中受到忽视。常见方式是由学生在课堂外通过社交软件联系，无法接收教师的监督和指导。通过在线上教学平台中增加小组讨论模块可改变这一情况，从而有效活跃课堂气氛，提高学生积极性。具体操作是由教师发出小组讨论指令后，根据小组数量，系统生成指定数量的聊天房间，由学生申请进入，在房间人数达到要求后不再受理申请。教师具有进入所有聊天房间旁听并发言的权限，可随时了解各小组的讨论进度并有效督促学生专心进行相关讨论。合理设计并使用小组讨论模块能够打破线上教学的僵化现象，活跃课堂气氛并提高学生团队合作能力。

2.5 翻转课堂教学模块

翻转课堂又称颠倒课堂，目的是使学生成为学习的主导角色[4]。传统的翻转课堂一般是指学生在课外通过观看授课视频、查阅资料等方式完成学习，而在课堂上则通过教师设问、针对性讲解和引导讨论等方式强化学习效果。线上教学存在固定的学生自主学习时间，强化了学生自主学习角色，因此为翻转课堂提供十分切合的应用场景。将翻转课堂教学模式与线上教学相结合，能够优化教学环节、精简教学内容、提升教学效率。具体操作是由教师提前上传授课视频或其他优秀教学资源并布置课后习题，由学生根据系统提示进行观看和学习，之后完成相应测试。系统自动统计习题完成度及错题分布反馈给教师，从而协助教师开展有针对性的内容讲解。其中最重要的一环即是系统收集信息并进行大数据分析，这也是翻转课堂教学模块设计的重点所在。合理设计并使用翻转课堂模块可以关注学生学习中的薄弱环节，协助教师提高教学质量。

2.6 课程网络模块

作为化工相关专业的一门专业课，化工原理是高等数学、大学物理、物理化学等课程的后继课程，同时是开启化工设计、化工设备和化工技术经济等专业课学习的前继课程。为了让学生建立牢固的知识框架，形成完备的化工知识体系，梳理各相关课程脉络，建立清晰的课程网络是十分必要的。相比于线下教学，线上教学在建立课程网络方面具有得天独厚的优势，可通过网络链接便捷地找到所需的前备知识。具体操作是在与其他课程内容相关的章节部分附上其他课程的学习网址并标出对应学习需求，由学生自行进行回顾或预习。进一步可由多名不同课程的授课教师联合梳理出课程脉络，将各课程之间有关联的部分连接起来，有助于学生理清课程逻辑。合理设计并使用课程网络模块可以提高学生学习效率。

2.7 在线仿真实验平台

化工原理实验在化工原理课程体系中占据十分重要的地位，但是随着线上教学的开启，实验类课程逐渐成为教学的一大难题。通过增加在线仿真实验平台一定程度上可以帮助学生熟悉实验操作技巧，提高实验技能并巩固实验理论知识[5]。目前已有学校(如华中师范大学)提供此类虚拟仿真实验平台开展线上实验教学，由学生通过鼠标键盘进行实验操作，实现沉浸式、互动式的操作体验。但是这一功能的实现较为困难，需要授课教师、实验中心和专业软件团队付出大量时间和努力，并非一蹴而就。理想情况是在进行实验课程规划、实验室设计和实验设备搭建时同步创建在线仿真实验平台，构建兼备线上线下的新实验类课程的教学体系。合理设计并使用在线仿真实验平台能够突破教学时间、空间限制，帮助学生掌握实验操作知识。

2.8 企业在线直播模块

对于工科专业学生来说，认识实习(包括企业参观、实习等活动)的目的是帮助学生将专业理论学习与企业实践行为相结合，从而为理论知识奠定实践基础，做到学以致用、知行合一。然而，目前大规模线下聚集活动较为不便，对此可通过企业在线直播帮助学生了解实际生产情况，从而在实践中进一步巩固专业知识。具体操作是与指定企业进行合作，由负责人员与老师协调并确定直播内容(如厂区情况、生产设备、产品研发和生产的基本流程)，之后通过在线教学平台进行相应直播。在直播过程中，学生与企业负责人员进行自由交流。合理设计并使用企业在线直播模块有助于扩宽学生视野，加深理论知识与生产实践相联系的认知。