农林院校化工原理课程线上线下混合式教学模式的构建与实践

龚磊，胡嘉麒，黄忠，谢琰玉，刘倩

（江西农业大学化学与材料学院，江西南昌，330045）

0 引言

化工原理是农林院校应用化学、林产化工、环境工程等专业的一门极为重要的专业基础课，也是上述专业本科生接触的第一门工科类课程。课堂是育人的主要载体，通过课堂教学着力培养学生的工程观念、实践能力，对实现应用型本科人才的培养目标具有重要意义。

化工原理课程内容涵盖广泛，涉及化工过程中的“三传”基本原理、能量衡算、热量衡算及工艺计算等，具有知识点散、实践性强的特点。同时，农林院校化工原理课程还面临课时不足、课时缩减等问题（一般安排48 学时），因此课堂教学难度大。目前教师主导的“讲台+黑板/PPT 投影+教师”的课堂教学模式难以激发学生的内在驱动力，也难以有效培养学生的实践能力。对此，不少高校教师对化工原理的教学模式进行了有益的探索，如采用OBE（结果导向）教育理念、引入最新科研成果及建立翻转课堂等［1-3］，这些措施在一定程度上增强了教学效果，但仍存在不少问题。

教学模式对本科生教学是十分重要的。好的教学模式应以生为本，与时俱进，有利于学生掌握课程知识点、提高解决问题的能力。目前，信息技术高速发展，线上资源和线下教学的结合与互补成为教育领域不可逆转的潮流，许多发达国家高校的课程已充分采用混合式教学模式，而我国教育部也在大力推进线上线下混合式“金课”建设［4］，因此，构建化工原理课程线上线下混合式教学模式显得迫切且必要。如果能充分利用线上教学的各种优势，结合线下丰富的教学手段，必定会对培养学生实践能力，推动同类课程改革起到积极的促进作用。本课程组在江西农业大学与超星泛雅共建的网络教学平台上自建了化工原理线上课程，并融合线上资源和线下教学的优势构建了混合教学模式，着力培养学生的实践能力，并分别对我校应化专业2018 级、2019 级两个教学班级进行了教学实践，研究了线上、线下课程内容的设定、具体教学手段及结合方式，以此为类似课程混合式教学模式改革提供参考。

1 合理规划线上教学内容

传授知识是课堂教学的主要目的之一。农林院校化工原理课程课时数不多，如我校应用化学专业的化工原理课程为64 学时，林产化工、环境工程、食品科学与工程等专业为48 学时。但化工原理课程内容繁多，知识点覆盖面广，为在有限课时内突出重点，本课题组根据线上教学的特点，对教材内容进行了梳理、整合及分类，以制作适用于线上学习的教学素材。

1.1 教学内容整合并模块化

化工原理的授课对象是我校二、三年级的本科生，这个阶段已对本专业的基础课程如高等数学、大学物理、无机化学、有机化学、分析化学、物理化学等进行了系统学习，同时前期课程已系统地讲授了化学热力学、化学动力学等涉及化工原理的基础知识，因此，需对这部分内容做适当删减，例如因次分析法、精馏原理、传质机理等。为便于学习与记忆，线上教学内容往往具有碎片化的特点，即课程内容模块化，知识点碎片化。为适应线上教学特点，课题组围绕教材内容，以化工单元操作为主线，将其分为若干个模块：动量传递、热量传递及质量传递，各知识模块再细分为知识单元（内含1-2 个知识点）。整合后的教学内容未脱离大纲要求，知识体系完整，突出了化工原理基本概念与化工单元操作的共性规律。

1.2 模块内知识单元分类

现代认知心理学根据个体对学习的信息加工过程将知识分为陈述性知识和程序性知识两大类［5］。陈述性知识是直接继承前人的研究结果获得，属于习得型知识，适用于线上教学；而程序性知识需要按一定规则和步骤进行反复操作才能获得，适用于线下教学。课题组对各知识模块内的知识单元按上述分类进行划分，分别采用合适的教学方式。以热量传递模块为例，传热概述、传热平衡方程、传热设备等知识点可归为陈述性知识，综合传热计算、蒸发器传热面积计算等知识点为程序性知识，各知识单元的具体分类如图1所示。针对两类知识单元的特点分别采用不同教学方式。

图1 传热模块知识单元分类及教学方式

2 混合教学模式设计

线上线下教学如何结合并没有一个统一的范本，因此本课题组根据化工原理课程性质，确定线上与线下教学课时比例为2：8，后续可根据运行效果进行调整。

2.1 线上课程建设与教学

超星线上平台设置有活动、统计、资料、通知、作业、考试、讨论、管理等板块。各知识点分类后，课题组将适合线上学习的知识点制作成便于学生自学的素材，主要形式有电子讲稿、PPT、文献、视频素材等，上传至平台“章节”板块，并根据所学内容设置线上提问、知识点讨论及测试测验等环节。同时，按照每周教学计划，课前布置学习任务及相关环节，由学生自主根据时间节点进行观看、学习，并参加线上讨论环节，完成课堂练习及测试等。教师可通过平台的统计功能及时观察学生线上学习动态，积极互动，并答复讨论区的各种疑问。线上学习具有随时性、便利性，有助于学生自我规划及自主学习能力的培养。

2.2 线下教学组织实施

化工原理是一门实践性很强的课程，因此，线下课堂教学依然是不可或缺的环节。结合线上教学内容，线下教学建立了以学生为中心的教学模式，着力于学生实践能力与创新能力的培养。案例教学法（Case-Based Learning，CBL）是以教学目标为导向，由教师围绕相关实例组织学生进行分析、讨论、总结的一系列教学活动。该方法的优点是学生代入感强，利于培养学生分析问题、解决问题的能力［6］。因此，化工原理课程线下课堂教学主要以案例教学法驱动实施。如在学习热量传递模块时，导热与对流联合计算属于程序性知识点，线下课堂以套管式换热器的设计（设计型计算）为案例进行教学：已知冷热流体进出口温度，冷流体（25%盐水）流量及对流传热系数，热流体（蒸汽）对流传热系数，求算套管换热器的面积，选一定规格的内管则可知管长［7］。该案例联合了热量衡算方程、总传热方程、总传热系数、对数平均温度差的计算，涵盖了本模块的重要知识点，学生通过该案例可掌握各公式的涵义及应用场合。

另外，化工原理知识与材料、环境、食品、制药等工业生产密切相关，因此还可根据前述知识模块，进一步结合工业生产实际项目，选取具有时效性且切合化工原理基础知识学习需求的实际案例。如在深度学习热量传递模块时，以设计工业用冷却苯液的列管式换热器为案例，提出问题、初步设计、核算验证，引导学生思考并掌握传热方程应用、传热系数计算、换热器设计选型等一系列问题，案例教学设计如图2所示。首先分析设计任务，要求将78℃的纯苯液冷却至50℃（热流体进出口温度已知），流量20000 kg/h（热流体流量已知），以35℃的循环水为冷却剂（冷流体进口温度已知，出口温度需要自行初设），要求换热器的管程和壳程压降不大于10 kPa（流动阻力计算）。根据物性数据及已知各项能否初步计算得到传热面积？引导学生思考需要哪些参数，如何获得需要的参数，以逐步提高学生分析处理各项数据的能力。根据传热面积如何设计或选择合适的换热器，选型后还需要核算验证，这一环节锻炼了学生的设计、计算能力。最后，通过设计、计算过程分析影响传热的因素及换热器设计要点（经济性、能效方面），可培养学生的工程实践能力。通过实际工程案例的剖析，不仅能使学生加深理解、掌握课程内容，而且能培养学生的分析、设计及实践能力，使线下课程教学设计符合“两性一度”的要求，即高阶性、创新性、挑战度，努力达到培养学生解决复杂问题的能力和高级思维的目标［8］。

图2 线下教学传热模块传热综合计算（案例教学法）教学设计示意图

3 教学效果分析

效果评价旨在评估教学改革的效果并发现存在的问题，为进一步优化教学模式提供参考。本研究对2018级及2019 级应化专业两个教学班进行了化工原理课程线上线下混合式教学实践，结束后进行了效果评价。评价由两部分组成，一是成绩评价，学习过程考核占总成绩的30%，由在线学习记录自动统计，包括视频及资料观看（20 分）、章节习题（30 分）、在线时长（20 分）、讨论（30 分）等，课程结束后闭卷考试成绩占总成绩的70%，题目类型有选择、填空及综合计算，主要考查学生掌握知识程度和解决实际问题的能力。对比采用传统教学方法的班级，混合模式教学班的考试成绩平均分更高，80~90 分高分段的学生也更多。二是学生的主观评价，由调查问卷及访谈构成。调查问卷共10 题，访谈时间1 小时，涉及平台、线上教学资源、线下课堂及教学模式评价，学生基本给予正面评价，表明这一混合式教学模式得到学生的认可。但学生也反映线上教学存在以下一些问题：在线学习时，网络及平台会出现各种问题，如网络不佳、平台稳定性欠佳等；在线学习质量不高，学习时间、地点虽然灵活，但更易受周围环境影响；单纯追求在线学习时长没有意义，刷视频资料等即可增加在线学习时间，但没有起到实际效果；线上讨论环节不如课堂面对面讨论效率高等。因此，需进一步优化网络教学素材，提高线上教学质量，科学指导及监督学生做好线上学习任务。

4 小结

教学模式改革是提高课程质量的手段之一。线上教学与线下教学各有优势，线上教学素材丰富、时间灵活，可提高学生学习兴趣，充分培养其自主学习能力，而线下教学可与学生面对面实时互动，进行深度教学。我们化工原理课程组依据课程特点及线上线下教学的各自优势，对教学内容进行了整合、分类，构建并实践了线上线下混合式教学模式。该模式以学生为本，能使学生更好地掌握化工原理课程相关知识，获得更强的实践能力，使课程质量得到有效提升。