新工科背景下化工设计信息化教学改革与实践*

2023-08-20赵云鹏

广州化工 2023年8期

赵云鹏，林喆

(中国矿业大学化工学院，江苏徐州 221116)

近年来，为了满足国家重大战略和“四个面向”对高素质人才的需求，教育部积极推进新工科建设，先后形成了“复旦共识”、“天大行动”和“北京指南”[1]。新工科注重学科的交叉性、实用性和综合性，培养具有创新能力、家国情怀、工程实践能力和国际竞争力的卓越工程技术复合型人才，如何通过教学改革适应新工科人才培养需求，已成为高校教学研究与改革的重点[2]。新工科内涵转化和培养目标实现过程中，必然要求与之相适应的教学模式进行重大改革创新。目前，信息技术已渗透经济发展和社会生活的各个方面，个性化学习和终身学习已成为信息时代教育发展的重要特征。信息技术和高等教育课程资源共享平台的飞速发展，不断推动教学模式向更加科学、灵活、高效、信息化和智能化方向发展。《中国教育现代化2035》和《加快推进教育现代化实施方案(2018-2022年)》都强调了基于信息化教学模式的重要性和对新工科人才培养的促进作用[3-4]。

信息技术结合大数据分析在教学中的广泛应用是未来教育的发展趋势，学生在学习过程中不再被动地接受外部信息和感知世界，老师也不仅仅通过课堂和作业掌握学生的学习效果。李玲等[5]利用多元信息化教学模式，将慕课和线上答题引入到无机化学的教学课程中，并结合动态慕课和静态的微信公众号上难点解析，发现信息化的教学方式不仅激发了学生的学习兴趣，也提高了教师的教学能力，增进了师生交流，获得了令人满意的教学效果。当代大学生已经习惯于手机移动阅读和获取信息，单纯的PPT课堂教学不足以吸引学生的学习兴趣，也较难帮助学生养成自主学习的习惯和充分利用碎片化时间学习。信息化教学强化了学与教的关联程度，增加了教学互动性和学习主动性，打破了传统课堂教学的时空限制。尤其是在新冠肺炎疫情爆发以来，基于信息化的线上线下混合式教学实现了“停课不停教、停课不停学”，保障了正常教学计划和教学培养目标的达成。

化工设计作为化工类专业本科生的核心课程之一，是一门综合性较强的交叉性课程，强调培养学生工程能力、创新思维和灵活运用化工化学及相关学科知识来解决复杂工程问题的能力，是化工专业大学生通向合格工程师的重要桥梁[6]。信息化教学能力是教师适应信息时代教育变革的必然要求，是教师职业发展和专业化发展的必然要求。传统“以教师为中心”的教学模式注重知识传授，对学生创新思维和能力培养不足，已难以适应新工科对人才素质和能力的新要求。利用信息化技术对化工设计课程教学进行改革与探索，将基于信息化技术的教学模式融入教学过程各个环节，对培养符合新工科要求的化工类人才至关重要。近年来，为适应新工科建设和疫情常态化防控需要，中国矿业大学化工学院将化工设计课程作为培养学生工程实践能力的重点课程进行建设，大力资助基于信息化的化工设计教学改革和教学资源建设。

1 化工设计教学常见问题分析

1.1 课程内容枯燥，教师教学方式单一

化工设计课程是通过系统学习化工厂设计各个阶段流程和规范，使学生具备通过现代设计工具进行工艺流程模拟，确定最佳工艺路线，进行设备设计和选型、车间和管道布置的化工厂设计能力，教学内容中设计规范和标准较多，学习过程比较枯燥[7]。知识传授和知识内化是传统教学过程的两个重要组成部分。化工设计教学过程中，教师往往采用板书或PPT演示的授课方式，仅仅“以教师为中心”完成了知识的单向传授，师生之间和生生之间缺乏沟通和讨论，学生是否完成知识内化很难评价。由于设计规范、通则等内容枯燥和抽象，学生学习主动性、积极性和创造性不高，学习效率低，不能有效培养学生的实践创新能力和工程应用能力。另外，在工程教育认证背景下，化工设计课程的学时大幅度减少，如何利用有限的课堂教学切实培养学生的设计能力和工程意识值得深入研究。

1.2 学生之间缺乏团队协作学习意识

团队协作精神是工程教育认证标准和新工科人才培养目标的重要方面，化工厂设计也需要各个专业之间密切配合才能完成。传统教学模式以个体学习为主，同学之间缺乏有效的沟通和协作，缺少团队工作的实际培养和训练，导致团队意识薄弱，沟通交流和语言表达能力不足，工程实践能力和创新意识不强，不能很好达到工程教育认证毕业要求中对工程与设计能力的要求。此外，单个学生被动接受“填鸭式”教学导致缺乏自主学习能力，依赖性较强。

在前几年的教学中，化工设计课程尝试基于团队项目设计的教学改革，一定程度上提高了学生的学习兴趣和团队协作能力，但多数学生还存在依懒团队其他成员，积极主动性较差等问题，不能体现工程教育认证培养过程全覆盖的要求。如何从“以教师为中心”的“教”转向“以学生为中心”的“学”是化工设计教学面临的突出问题。

1.3 教师信息化教学意识薄弱和教学资源不足

由于我校开设化工设计课程较晚，与其他化工主干课程相比师资力量相对薄弱，教学过程主要采用“投影仪+PPT”方式。教师对翻转课堂、雨课堂、慕课(MOOC)、微课、虚拟仿真教学等基于“互联网+教育”的信息化教学模式接受程度还不高，主动采用信息化教学以及进行信息化资源获取与建设的意识还不强。近年来，学校在信息化软硬件教学资源上已经加大投入，但化工设计教学过程中对信息资源的加工和教学设计，本校课程资源库建设方面还存在较大差距。化工设计教学团队亟待通过信息化资源整合、建设和合理利用，针对本校化工专业学生特点和化工设计课程培养目标开展信息化教学和资源建设。

2 化工设计信息化教学模式的构建和实践

新工科背景下的工程教育是基于产出为导向，以学生为中心的教育。因此，基于信息化的教学模式必须是以学生为中心，以培养学生能力为重点。将枯燥的设计规范和通则转化为生动形象多样的信息化教学资源，以多种形式的学习活动为载体，教师做好教学设计，充分利用线上线下和翻转课堂等教学过程将结果性评价转化为发展性评价[8]。近几年的教学过程中，化工设计教学团队利用“爱课程”中国大学MOOC课程资源共享平台、录制微课程、UMU互动学习平台和雨课堂+腾讯会议等信息化教学资源和平台，初步构建了基于信息化的化工设计线上线下混合式教学和翻转课堂教学模式。另外，结合专业建设的煤制甲醇全流程实物仿真实训平台，学生通过仿真实训平台进行开停车和事故处理操作以及VR环境体验学习，更加形象化化工设计的规范和标准要求，切实发挥实践教学在工程设计和创新能力培养中的作用。

2.1 基于信息化的课前自主学习教学模式构建与实践

课前自主学习是培养学生建立“以问题为导向”学习方法和独立形成知识体系的重要方法。基于信息化的课程教学为课前自主学习的教学模式提供了极大便利。在近几年的教学过程中，化工设计教学团队根据化工设计教学目标和要求，反复学习和筛选化工设计线上资源，如西北大学陈立宇老师在中国大学MOOC上的化工设计微视频，同时也根据选用的教材内容制作了微课件和微视频，通过推送方式布置课前学习任务和学习重点。

课前自主学习提供了碎片化的信息化学习资源，大大提高了学习效率。学生可以根据碎片化的课余时间进行课前学习，通过反复观看视频和微课，进行独立思考和同学之间的讨论发现学习难点，强化对知识点的理解，把自主学习遇到的难点和问题与教师通过网络平台进行交流互动，显著提高了学习的主动性和创造性。

2.2 基于信息化的课中研讨式和翻转课堂教学模式构建与实践

教师根据学生课前自主学习反馈和课程教学目标凝练出化工设计各章节重点和难点问题作为课堂的教学导入，进行研讨式和翻转课堂教学。利用雨课堂或UMU互动教学平台加强课堂教学的互动环节参与度，从传统教学的“以教师为中心”的“填鸭式教学”转变为全体学生参与的“以学生为中心”的研讨式学习。通过课堂讨论和教师启发式讲解，结合大量化工设计案例，对知识点进行归纳和梳理，逐一解决学生课前自主学习遇到的共性问题和课程教学重点，引导学生掌握原本枯燥的化工设计的规范和方法，促进了化工设计基本知识的内化，同时提高了独立思考和表达能力。

这种基于信息化的研讨式和翻转课堂教学模式使学生能够自我设计学习内容和学习进度，自我评估学习效果，实现“要我学”到“我要学”的学习模式转变，真正实现了“以学生为中心”的自主学习，提高了课程目标和专业培养目标的达成度。与传统教学相比，研讨式和翻转课堂课后学生提出问题的广度和深度也有很大提升。此外，为了让学生了解真实化工项目的设计过程，近年来专业邀请工程公司技术骨干线上或线下参与化工设计部分学时的教学活动，拓展了学生的视野。

2.3 基于信息化的课后团队协作式教学模式构建与实践

化工厂的设计是一个综合性的系统工程，在设计工作中需要大量专业内人员和不同专业之间的相互配合，因此课程目标强调培养学生团队协作精神。将学生分组开展团队协作式教学一方面可以进行课前自主学习小组讨论，课堂小组间研讨和竞赛来增加学习过程的趣味性和积极性。另一方面团队协作学习可以有组织的对自制力较差的同学进行干预，以先进带动后进，为教师及时了解学习困难同学情况提供便利，从而开展针对性的教学，提高课程目标的达成度。

我校化工设计课程安排大三下学期，与全国大学生化工设计竞赛时间契合度高。借助竞赛项目的小组协作式实践过程可以对化工设计软件进行系统的学习，从而使化工设计基础学习和应用具备具体实践载体和驱动力，知识点之间的衔接更紧密，实现教学过程的“学中用、用中学、学用结合”，也提高了学生参与学科竞赛的覆盖度。通过基于信息化的课后团队协作式教学提升了学生的学习主动性、系统性和创造性，更好地将理论知识转化为解决化工复杂工程问题的能力，实现了学生化工设计知识、工程实践能力和工程师素质的协调发展，为我校连续两次顺利通过化学工程与工艺专业工程教育认证提供了保障。