新工科背景下以“互联网+”推动化工原理实验教学改革与建设的探索

2023-09-06徐迈刘庆旺王凤武胡云虎魏亦军梁铣

商丘师范学院学报 2023年9期

徐迈,刘庆旺,王凤武,胡云虎,魏亦军,梁铣

(淮南师范学院化学与材料工程学院,安徽淮南232038)

化工原理实验课程是将化工专业理论知识和实验技能相结合来培养学生动手能力的一门实践课程.这门课程以解决实际生产过程中的问题为培养目标,是化工原理这门化工重要基础理论课向实际应用的延伸,是搭建在化工原理与工程实践之间的重要桥梁.对化工技术人才的科学思维、科学探究能力、动手操作能力及实际应用能力的培养极其重要.

近几年,随着科学技术飞跃式发展,全世界都在经历新一轮的科技和产业深层次的变革[1].这些深层次的变革对高校人才培养也提出了新的要求.因此,为了应对这次变革,国家适时提出“新工科”这个新的建设理念作为高校教育改革的新目标,该目标以新科技、新技术和新产业为背景,科技创新为核心.在新工科背景下更加注重不同学科之间的交叉融合,强调理论知识和实践技能相结合,传统工科专业则可以结合新科技进行改革创新,从而进行新工科建设[2,3].同时,随着“互联网+”的技术不断进步,也为新工科建设和教学手段的革新提供了新的平台.

然而,随着新工科建设的不断推进,我们发现现有的化工原理实验教学理念和手段都已经不能满足现代化的化工厂对人才培养的要求.因此,作为化工专业核心课程的化工原理实验如何利用“互联网+”技术创新教学手段,将化工原理实验同不同课程知识点进行充分交叉融合;如何提升工科学生动手能力和科学素养,使学生毕业后能够快速适应新工科背景下竞争日益激烈的工作环境,是摆在我们面前迫切要解决的问题.

本文以淮南师范学院化工原理实验教学为研究对象,通过系统剖析化工原理实验课程在教学过程中存在的问题和挑战,在新工科背景下,以课程内涵建设为目标,通过“互联网+”技术创新教学手段,积极从多个维度进行探索,对现有实验教学模式进行创新和改革,构建系统的化工原理实验课程教学新体系.

1 化工原理实验课程教学现状及存在问题

(1)目前现有的化工原理实验装置功能单一,无法开设综合性实验,控制系统主要基于电气技术,智能化和信息化不足,而现在正在经历以物联网、5G、大数据、人工智能为代表的第四次工业革命,化工生产方式也发生了翻天覆地的变化,对高校化工人才的培养也提出了新的要求.现有实验装置无法和现代化工生产相接轨,使学生学到的知识脱离了实际,对学生实际操作能力的培养变为空谈[4].

(2)工程创新理念和工程能力的培养不足,实验过程中涉及化工安全内容较少,不利于学生化工安全意识的培养.实验教法单一,化工原理实验教学多数采用“满堂灌”的教学模式[5],学生自己主动学习意识不强,教学效果不好.

(3)课前预习缺乏监管,预习效果不好,造成学生在听老师的讲解后,在还没有完全领会和思考的情况下就开始实际操作,实验效果不佳.实验考核和成绩评定不合理,未能贯彻以工程为核心的课程导向.“课程思政”在教学环节中体现不足[5].

鉴于以上问题,在新工科建设大背景下,通过“互联网+”技术推动化工原理实验教学体系创新与改革已是大势所趋.

2 化工原理实验课程教学改革措施

2.1 更新设备,引入“互联网+”技术搭建线上与线下实验平台

现有的化工原理实验装置智能化和信息化不足,实验装置教学功能单一无法开设综合性的实验,同时与现代化工生产实际脱节,无法满足现代化工厂对学生能力的要求.新型现代化的化工原理实验装置主要包括PLC+触摸一体机+智能学习系统构建的模块化装置.实验过程中的数据监控与分析则通过智能控制系统,该控制系统采用全触摸与集成化,使用稳定且方便.模块化中的不同模块之间可以相互组合,可以充分锻炼学生多方面的能力.例如:化工工艺原理知识应用能力、化工工艺流程分析与理解能力、化工实践操作和解决化工工程问题的能力等.实验装置也可实现多个教学知识点的教学,可以开设综合性实验.因此,我校先后投入300多万元对旧的化工原理实验装置进行更新,添置新型智能化、模块化的化工原理实验装置,打造21世纪新型创新型实验室(图1).同时引入“互联网+”技术,运用“互联网+”理念打造化工原理实验教学智能学习系统,通过物联网技术将实验装置以及学习资源接入到网络平台上(图1).

将管理者、教师、学生连接到网络平台上,实现“教、学、练、考”一体化.构建“线上线下”混合式教学新模式.学生们在做实验之前,通过网络平台可以进行视频学习,理论练习,在3D模拟环境下认知设备,可进行实验的模拟练习.作为老师,可以进行学生信息管理,课程管理,题库管理,测试考试.可获得学生理论考试、模拟操作和实验操作的成绩,通过线上考评系统查看学生预习情况.同时还可以解决教师简单的从预习报告(学生抄写实验讲义形成)评定平时成绩而造成分数差距不大、评分不合理的现象.“线上线下”混合式教学新模式使得学生学习的兴趣被充分调动起来,学生独立思考和自主学习的能力也可以得到大幅度的提升.

2.2 构建新型实验教学体系,促进学生工程和创新能力培养

作为未来现代化工厂主力军,传统的化工原理实验教学体系已不能满足培养高素质人才的需求.针对实验教学体系存在的缺陷,结合OBE教育理念(成果导向教育,outcomes-based education),加强学生工程理念和能力的培养,注重学科与课程之间的交叉融合,突出学生主体地位,结合“互联网+”技术构建分层次的实验教学体系.首先,我校创新型化工原理实验室对原有的实验项目进行了整合,在此基础上增设了综合性(综合流体力学实验、三管传热综合实验、吸收与解析综合实验)、设计性的实验项目(超临界提取),培养学生分析和解决复杂工程问题的能力,同时对旧的实验教学大纲重新进行了修订,将线上线下混合式教学模式融入教学体系,同时将化工安全知识渗透到实验教学体系中,在化工原理实验教学过程适当增加化工方面的安全知识介绍,通过智能学习系统中的仿真实验体系,采用3D 动画的形式让学生进一步了解化工厂基本安全规范和技术要求,培养学生的安全生产意识和遇到安全事故处理问题的能力.形成了“网上知识点预习-3D视频讲解及仿真练习-现场实验操作-数据分析处理及报告撰写”四位一体、“线上-线下”相互补充的新型化工原理实验教学体系.改进考核方式,采用多维度的评价体系.新的评价体系由课前预习与测试、实验操作与实验数据记录、实验数据处理与实验报告撰写、课后思考与期末考试五个方面组成.其中期末考试环节设置参照全国大学生化工原理实验大赛模式:理论+实践.同时还可以借此机会选拔一些学生参加后期的实验大赛集训,为全国大学生化工原理实验大赛储备人才,通过学科竞赛又进一步提高学生学习热情[6].学科竞赛可以作为实验教学活动补充和延伸,通过学科竞赛可以将化工书本知识和实验技能、化工软件、互联网技术等不同知识点有机结合起来,可以很好地促进不同知识点交叉融合,进一步提高工科学生综合运用所学知识的能力.

我校通过化工原理实验课程教学改革,已经取得了一些教学成果,近几年学生在大学生化工原理实验竞赛、大学生化工设计大赛中及挑战杯中多次获奖(图2),新工科背景下化工原理实验教学改革初见成效.为了进一步评估化工原理实验课程教学改革成效,通过对我校化学工程与工艺、高分子材料与工程专业、材料化学三个非师范专业进行了化工原理实验改革前和改革后满意度抽样问卷调查.调查结果显示,改革前学生对该实验的满意度仅有75.8%,主要问题集中在实验仪器智能化程度低、课前预习效果差、上课满堂灌教学效果不好、综合性实验少,实验教学与实际生产有差距、学生工程化能力培养不足等.改革后学生的满意度提高到96.5%,其中,学生认为最大的改变是通过引进智能化的实验装备及构建智能学习系统,学生学习的主动性和效率得到了很大提高.线上课程资源还需要进一步丰富,这也是下一步我们要努力改进的方向.

图2 获奖证书

2.3 教学过程引入课程思政,培养学生的合作精神和社会责任感

实验课程是理工科人才培养过程中的重要环节,早在2016 年全国高校思想政治工作会议上,习近平总书记就明确指出加强高校思想政治工作建设,要充分利用好大学生课堂教学这个主渠道[7].坚持立德树人,把课程思政贯穿到整个教学过程中,使所有课程都与思想政治理论课同向而行.将知识点传授、工程能力培养和个人价值观塑造三者有机的融为一体形成协同效应.因此,化工原理作为重要的专业基础课和核心课程,教学过程引入课程思政十分必要.通过把课程思政恰当地融入化工原理实验教学中,对培养学生社会主义核心价值观、增加中华民族文化自信、培养爱国情怀以及新时代工匠精神都具有非凡的意义[8].在实验讲授过程中,可以通过恰当的穿插一些事例,将人文教育、爱国情怀、社会主义核心价值观等思政元素与实验知识有机结合起来.例如:在讲授综合流体力学实验时候可以引入古代建造的蜚声世界的水利工程都江堰.筛板精馏实验可以介绍一下中国古代悠久的酿酒历史和技术、诺贝尔奖获得者屠呦呦提取青蒿素过程中涉及的精馏实验.三管传热实验可以引入化学工程专家顾毓珍撰写的《湍流传热导论》及《化学工业过程及设备》等等.同时我们还可以利用“ 互联网+”技术将课程思政引入线上教学当中,最终达到立德树人的目的.