“三融三变”混合式教学模式在化工分离工程中的探索与实践

张红秀，尹永恒，宋兰兰，牟善良

临沂大学化学化工学院，山东 临沂 276000

中国制造2025、工程教育认证、“新工科”建设等国家重要教育战略，对传统工科专业的教学提出了新的要求。为提高大学毕业生的核心竞争力，适应新时期社会发展要求，必须不断更新传统工科课程的教学方式。化工分离工程是化学工程与工艺专业的核心课程。课程内容涵盖面广，涉及相平衡、精馏、吸收、萃取、新型分离技术、传质分离过程的节能、界面调控等内容。课程兼具理论性和实践性，尤其是多组分多级分离的严格计算等，内容抽象，计算繁复。传统的讲授式教学方法难以满足现阶段教学需求[1,2]。因此，有必要对传统的讲授式教学方法进行改进。BOPPPS教学模式源于加拿大，包含六个教学环节，即导入(Bridge-in)，学习目标(Objective)，前测(Pre-assessment)，参与式学习(Participatory learning)，后测(Post-learning)和总结(Summary)。基于BOPPPS的教学模式改革已经在多学科、多课程中获得实践，并显现出很好的教学效果[3,4]。本文基于BOPPPS理念，提出了“三融三变”的混合式教学模式，并在化工分离工程课程中进行探索和实践。

1 课程教学现状分析

1.1 课程性质与教学目标

化工分离工程是研究化工生产过程中混合物分离与提纯的工程科学。分离工程技术是获取精制原料、高纯产品，充分利用能源，进行环境污染控制的关键，用途广泛。尤其在双碳背景下，化工分离技术也是进行清洁生产的重要组成部分，在提高化工生产的经济效益、社会效益方面作用显著。

通过本课程学习，要求学生获得三个层面的提升。(1) 认知方面：知道化工分离工程的有关理论，领会各个概念之间的联系和应用；对给定的混合物体系和分离要求，能够应用传质分离过程操作的基本原理、简捷计算和严格计算方法对多级多组分分离设备进行设计；学会理论联系实际，通过分析来判别复杂化工分离工程问题的解决途径，提出优化的解决方案；评估化工分离工程技术对环境保护、社会可持续发展的影响。(2) 技能方面：能够正确掌握主要分离单元操作的操作过程及相应的数据处理方法；能正确查阅和使用工程类的图表、手册等。(3) 素养方面；通过挖掘课程中的思政元素，培养学生的家国情怀、科学精神、安全环保和法律意识、工程伦理意识、社会责任感、创新意识等。具备自主探究学习能力和团队协作精神，养成良好的工程思维习惯。学生主动将个人发展与社会发展、国家发展结合起来，明确其在创造社会价值过程中的社会定位。

1.2 学情分析

本课程面向化学工程与工艺专业本科三年级学生。大三的学生群体有很显著的特点。首先，学生的学习习惯和思维方式基本成型，前期知识储备和成绩出现分化，存在明显的个体差异。其次，学生已经有了较清晰的职业规划，读研深造、就业、跨专业就业等，对专业课的低阶或高阶认知目标有不同的期待。第三，学生思维活跃，熟练使用各种信息工具，对新鲜事物接受快。第四，学生自我意识强烈，期望被肯定和鼓励。传统的以教师为主的授课方式已经满足不了学生的不同层次需求，单一的教学模式早已不能唤起学生的学习兴趣。因此必须探索出适用于学生认知规律和学生特点的教学新模式。

1.3 课程教学存在的问题

化工分离工程课程涉及到物理化学、化工热力学、化工原理等多学科领域的知识。课程内容理论性强，内容抽象。传统PPT授课，脱离生产实际。教师将大量的公式、模型、理论单方向地灌输给学生，学生易产生畏惧心理，没有学习的兴趣和动力。单一的“上课-作业-考试”的授课方式，师生之间、生生之间都缺乏有效的互动，课堂气氛沉闷。并且传统考核方式，以终结性考核为主，缺乏有效的过程性考核环节。一锤定音式的终结性考核对学生学习效果的评价比较片面，也不利于对教学效果进行分析和反馈[5]。此外，长期以来，课程教学目标和考核形式均重视低阶认知目标，忽略对学生高阶思维能力的培养，而培养高阶思维能力恰恰是提高工科学生工程素养的关键[6]。加之化工分离工程的计划学时较少(32学时)，缺少系统化的思政教学设计，课上教学内容安排紧凑，思政元素融入的力度不够。这些问题的存在降低了教学效果和育人效果。因此，寻求行之有效的教学新模式，走出教学困境，是本课程教学的重中之重。

2 BOPPPS教学模式

BOPPPS是以教学目标为导向，以学生为中心的教学模式。如图1所示，导入是在开始授课之前，通过教学案例、时政热点、图片、视频等多种多样的形式激发学生兴趣，让学生做好课前“热身”。学习目标是在授课开始的时候让学生知道课堂要达到的认知目标(包括低阶目标、高阶目标)，情感目标等，同时也为教师的授课厘清脉络。前测则是在讲授新课之前对授课对象进行摸底，了解学习兴趣、学习习惯以及学习基础等。后续授课能结合前测的结果因材施教，有的放矢。前测的形式多种多样(讨论、测验、问卷调查等)，并且结合雨课堂等线上教学软件可以达到事半功倍的效果。参与式学习是BOPPPS模式的重要一环，是体现“以学生为中心”的重要媒介。课堂授课需要充分调动各种教学资源和教学手段，通过合理的教学设计，让学生沉浸在课堂教学内容中。后测则是在课程快要结束时对学生的学习效果以及预定教学目标达成度的及时检验。同前测一样，后测可以结合线上资源进行测试的实施、数据的汇总、结果分析及反馈等。课程最后，教师带领学生进行知识点的梳理、课程重点的概括、知识的延伸；学生则通过绘制思维导图、知识树等完成对本次课程的总结。通过BOPPPS环环相扣的教学模式，学生全方位地参与到教学全过程，教师则通过前测、后测反馈的信息及时掌握学生的学习状态，并适时调整授课活动。

图1 课堂教学组织模式

3 BOPPPS理念下的“三融三变”教学模式

基于BOPPPS教育理念和新时期人才培养的目标，利用雨课堂线上平台，对传统的化工分离工程教学过程进行改革。如图1所示，我们提出“三融三变”的改革方针：线上教学融合线下教学，专业教育融入思政教育，理论知识融入自主实践，以解决本课程教学过程中长期存在的问题，进一步适应工科创新应用型人才的培养需要。从学生特点和学生需求出发，建立一套适应学生心理特点、认知规律和学习习惯的教学新模式，让学生“反客为主”，积极参与到教学全过程中。

3.1 线上与线下相融合，推动终结性考核向全过程性考核转变

自全球性的新冠疫情爆发以来，迫使很多课程的教学经历了从线下到线上的转变。但也正是通过这次疫情，以雨课堂、钉钉等为代表的线上教学手段的优势被越来越多地认可。在线签到、课堂答题与讨论、视频连线、留言互动等功能的时效性、灵活性和便捷性为沉闷的课堂教学注入了活力。因此，为既能保持线下课堂教学主阵地地位不动摇，又充分发挥线上信息化平台的优势，线下线上互动混合式教学模式应运而生，并且这种模式已经在高校很多课程中实践，并取得很好的教学效果[7,8]。本课程将继续探索这种线上线下混合式教学模式，并结合教学实际构建多元化全过程的课程学习评价体系。如图2所示，我们改变了以往单一的“考勤+作业+期末考试”的考核评价模式，依据学生的认知规律和心理特点，设计了多样化的考核内容和考核形式。具体包括：线上学习任务完成度、线上讨论活跃度、随堂测验、虚拟仿真、实验操作、翻转课堂、课程项目、课程论文、调查问卷和期末考试。

图2 全过程教学评价考核方式

线上自学与线上讨论主要是培养学生的学习习惯；随堂测验主要考查学生低阶认知目标(记忆、理解、应用)的达成情况，夯实专业基础知识；通过模拟仿真和实验操作使抽象的理论知识具体化、形象化，考查学生的动手能力和解决问题的能力；翻转课堂和线上讨论则是训练学生的团队意识和人际沟通能力；课程项目则是对学生高阶创新思维能力的训练，学生能够根据项目要求提出合理化的方案，将专业知识转化为创新成果。同时，通过项目案例分析，进一步提升学生发现问题、分析问题和解决问题的逻辑思维能力。由于期末考试是检验学生学习效果最直接的方式之一，因此依然在考核评价体系中占重要地位。但期末试卷的题型不再是选择、填空、判断和计算等客观题型。而是在保留一部分客观题的基础上，试题题型升级为融入了课程思政的案例分析、结合了工程案例的创新性设计等主观题型。比如论述题：在“双碳”目标背景下，研究精馏过程的强化和节能问题，对于降低化工生产过程能耗、降低碳排放量具有重要的现实意义。请结合课程知识讨论未来精馏技术的发展方向。这样的题型安排不仅能反映学生对知识点的识记情况，还能体现学生的学习态度、价值观、知识构建的效果及知识运用能力等。在学期末，通过精心设计调查问卷的题目，可以迅速获得学生对于课程教学的意见或建议。同时，调查问卷反馈的信息，又可以指导教师进行教学模式和教学方法的调整。

显然，这种多元化的全过程考核评价模式，充分调动整合了线上和线下资源、兼顾了理论教学和实际应用，更重视对学生自主学习能力和高阶思维能力的培养和锻炼。相对于一锤定音式的终结性考核，多元化的全过程学习评价强调学生的主体地位，考虑到学生的个体差异，并能充分挖掘学生的潜力[9]。

3.2 专业教育与思政教育相融合，推动被动学习向主动学习转变

《左传·襄公二十四年》：“太上有立德，其次有立功，其次有立言，虽久不废，此之谓三不朽。”立德被古人称为“三不朽”之首，立德树人也是新时期教育的根本任务。立德树人，思政为先。同时，临沂大学化学化工学院一直在推进化学工程与工艺专业的工程教育认证工作。在专业认证的毕业要求中，明确指出专业培养的12条要求。其中的“工程与社会要求”“环境与可持续发展”“职业规范”“个人与团队”“沟通和终身学习”等要求与课程思政内涵有明显的融合点。因此，以工程教育认证理念和课程思政教学目标为指引，化工分离工程课程的教学应该注重专业知识与思政内容的融合。

如何结合课程特点进行课程思政的设计是需要探索和研究的内容。以往专业课融入思政元素没有形成系统的教学体系，流于形式，机械融合，学生接受度不高。由于学时偏少，绝大多数学时都在进行传统的专业知识授课，课程思政教育不充分，往往蜻蜓点水，很难拓展和升华。另外，由于缺乏有效的思政育人评价机制和激励措施，学生主动参与思政融合的积极性不高。针对这些问题，本课程在课程思政教学设计中重视使用赏识激励法。比如在学生作业或者课程论文中填写赏识激励性评语；在课堂讨论环节，对学生的观点进行赏识评价。通过科学的课程思政教学设计和完善的教学评价体系，才能切实发挥专业课程的育人功能[10]。化工分离工程主要有六个章节的内容，包括绪论、多组分分离基础及严格计算、精馏、气体吸收和解吸、分离过程及设备的效率与节能、新型分离方法。课程虽然包含大量的模型、公式和理论，但是更强调理论联系实际，具有工程应用性强、经验性强等特点。因此，在课程讲授的时候可以采用“案例-原理-模型-应用”的模式进行。比如引入工程案例“醇胺法处理含硫化氢废气”[11]。首先结合图片和视频介绍该方法的操作流程，然后介绍其基本原理，引出吸收和解吸的概念。同时结合文献中的模型，让学生深入理解吸收和解吸的原理和特点，吸收剂再生的方法等。最后，引导学生将吸收与解吸联用过程与其他工业废气处理相结合。

在“案例”和“应用”模块为课程思政元素的融入提供了有力的切入点。此外，化工分离工程理论广泛应用于石油化工、食品医药、能源环境等领域，随着科技的迅猛发展，新的分离方法、新的分离设备等不断涌现，为思政教学提供了丰富的素材。比如在吸收章节，我们结合国家的“双碳”目标进行课程思政设计(图3)。在化工生产中，气体吸收操作广泛应用于化工产品的直接生产(比如盐酸、硫酸)，气体混合物的分离，以及废气的回收净化等，是非常重要的传质单元操作。在本章上课前，通过雨课堂或者钉钉等线上教学手段，给学生推送上课用的PPT课件，以及相关的MOOC视频，指导学生提前预习。同时发布关于“双碳”目标的讨论话题，学生主动去深入了解双碳目标；了解减少CO2排放的途径和工业废气中CO2的处理方法，在潜移默化中具备工程伦理意识和社会责任感；引导学生思考化工行业面临的机遇与挑战，树立绿色化工发展的理念，并将低碳环保的理念深入内心，切实践行低碳行为。在课堂上，采用BOPPPS教学模式，在导入环节(B)结合课前的线上讨论结果和小组发言，导入吸收单元操作在碳捕集中的应用。同时结合实际的电厂废气处理等工程案例，引出吸收操作的原理，培养学生的工程思维习惯。在参与式学习环节(P)，讲授吸收塔尾气浓度控制的时候结合《大气污染防治法》，让学生了解与化工行业相关的法律法规。从而具备较好的职业素养和强烈的社会责任感。在课下继续专业知识与思政教育的融入，发布高阶的学习任务。比如拟定参加“全国大学生创新创业大赛”的项目主题和简介，培养学生的创新意识；鼓励学生进行实验操作，锻炼动手能力和团队协作能力；引导学生进行最新科技文献的检索和阅读，激发学生对科研的兴趣。

图3 课堂思政教学设计

如上所述，通过线上与线下的结合，课内与课外的结合，专业课与课程思政的结合，最终形成系统化、稳定化的教学模式，学生全过程参与到每个环节。学而不思则罔，思而不学则怠。教师不仅是知识的传授者，更应成为教学的组织者和促进者，在进行专业知识传授的同时，引导学生勤于思考，激发学生的创新性思维。学生则由课堂的倾听者升级为探索者，变被动学习为主动学习。

3.3 理论与实践相融合，推动低阶课堂向高阶课堂转变

布鲁姆将教育目标分为认知领域、情感领域和动作技能领域三大领域。认知领域又分为六个层次，即记忆、理解、应用、分析、评价和创造，前三层次属于低阶认知，后三层次属于高阶认知。以往授课和考核，更倾向于强化学生的低阶认知，而忽视对学生高阶创新能力的培养。尤其是互联网技术的普及带来的知识大共享，很多学生习惯了“拿来主义”，通过网络获取碎片化的知识，对问题的自主分析能力和创新创造能力较差。而分析、评价和创造这些高阶思维能力，却是新时期应用型创新性人才应具备的关键能力。

实践是检验真理的唯一标准。我们通过多种实践形式，推动低阶课堂到高阶课堂转变。首先，我们配备了临沂大学化工虚拟仿真实验中心和化工分离实验室，实验室现有吸收、反应精馏、萃取精馏、恒沸精馏、转盘萃取等仪器设备，并建有京博控股、鲁南制药集团股份有限公司等11处校外实习基地，以满足校外实践教学的需求。在课程教学过程中，定期组织学生进入实验室进行现场操作或仿真。实践表明，通过实验操作可以直接反映出学生对基础理论的掌握情况，也能折射出学生分析问题、解决问题的能力。其次，我们鼓励学生参与相关竞赛，每学期都推选学生参与“全国大学生化工设计竞赛”“山东省大学生化工实验技能大赛”及各类创新创业训练项目。近3年来，先后有51人次在全国大学生化工设计竞赛、山东省大学生化工实验技能大赛及各类创新创业项目中获奖。通过各类竞赛也推进了学风建设，提升了学生对专业知识的领悟力及创新能力，实现了“以赛促学、以学促能”。能够增强学生的专业认同感，以及对专业知识的感性认识。

4 结语

基于BOPPPS理念的“三融三变”教学模式已进行了教学实践，学生与教师形成有效的互动，学生的学习主动性、学习效果显著提升。“课前-课上-课后”全过程链条式教学任务的发布，激发了学生的学习热情和学习潜力，培养了学生良好的学习习惯。“三融三变”教学模式将线上教学与线下教学有机融合，既保持线下课堂教学主体地位不动摇，又利用了丰富的信息化资源，提高了教学过程的效率。以工程认证和思政育人理念为指引，不断优化教学设计，将自主实践和思政教育贯穿教育教学过程始终，专业教育与思政育人同向同行，培养学生分析、评价和创造等高阶思维能力。展望未来，我们将在不断的实践和摸索中，对现有的“三融三变”教学模式进行持续改进，培养更多适应新时期要求的创新性应用性人才。