化工热力学线上线下混合式教学改革与实践

关红玲 , 侯翠红 , 李松杰 , 任保增 , 詹自力

(郑州大学 化工学院 , 河南 郑州 450001)

化工热力学主要从化学工程的角度分析并给出化工过程经历的实质性的变化,利用热力学原理和计算方法指导各种化工过程的进行和优化。它是化工过程研究、开发与设计的理论基础[1]。

化工热力学课程的设置是为了使学生能够掌握其基本概念、理论和计算方法的知识;利用化工热力学原理和模型分析化工反应及过程的物质利用极限和能量利用极限。在当今提倡绿色化工和节能减排形势下,其课程知识体系显得尤为重要。

1 线上线下混合式教学改革的必要性

1.1 化工热力学在教学过程中存在的问题

化工热力学作为化工制药类专业重要的专业基础课和核心课程,设置在第5学期,共48学时。课程上接物理化学、高数和物理,下联分离工程、反应工程和化工设计,在化工类课程体系中承上启下,是从理论到实践、从化学到化工的桥梁。

传统教学的问题在于课程过于理论化,公式过于繁琐,同时教学方式和模式过于单一,缺乏与学生兴趣点的共鸣,很难调动学生的积极性,导致学生只能被动地接受知识,仅仅为了应付考试而学习,对于专业知识的广度和深度理解不深,同时独立思考问题和解决问题的能力也不强。教学过程应更注重从专业课程角度出发,对学生进行思想政治教育,加强对学生人生观、价值观、职业观的正确引导。同时,需要更加重视对学生综合能力的培养,包括沟通与表达、检索追踪分析理解文献信息、自主提出问题与解答问题等综合素质能力的锻炼。除此之外,学生学习效果的评价方式过于单一,只以期末考试为准,缺乏过程性评估和考核,无法全面反映学生的学习成果和能力[2-4]。

1.2 线上线下混合式教学的优势

随着信息技术以及移动互联网的飞速发展,基于“互联网+”模式的线上教学法受到国内外教育界的广泛关注。线上线下混合式教学模式是基于MOOC平台,结合学校、教师、学生和课程实际情况,安排 20%～50%的教学时间实施学生线上自主学习,与线下面授有机结合开展混合式教学的新兴模式[1]。混合式教学结合了线上和线下的优势,符合“以学生为中心”的教育理念。线上资源丰富多样,可提高学习兴趣,拓宽知识和专业视野;同时线上教学也不存在时间和空间限制,便于学生根据自身情况灵活安排学习时间。教师可利用线上学习数据随时调整教学安排,提高师生之间的交流。

2 线上线下混合式教学的设计与实施

教学设计是根据教学要求和教学对象的特点,有序地安排教学各要素,确定适合的教学方案的规划和设想。通常,教学设计涉及教学目标、教学对象、教学任务、教学内容、教学方法、教学实施以及评价反馈等要素。

2.1 课程教学目标的改革

传统教学模式设计教学目标仅着重于知识层面的掌握和理解,不符合现代社会对于综合性人才的需求。在进行混合式教学设计时,课程目标中除了包含知识与技能目标,还应突出学习过程与方法以及情感态度与价值观的培养。

化工热力学混合式课程教学目标包括:①知识目标。理解课程基本内容,掌握研究思路和方法。探讨过程进行的方向和限度,评价能量的合理利用,指导混合物有效分离,解决化工过程热力学性质计算、能量有效利用、物质高效转化、以及相平衡和化学反应平衡的计算等工程实际问题。②能力目标通过本课程的学习,要求学生理解并掌握化工热力学的基本内容,模型化方法等,培养学生运用化工热力学的基本原理、观点和方法,分析、解决有关工程实际问题的能力。③思政目标引导学生认识化工专业、树立工程观念,培养节约资源、合理利用能源的意识,树立并践行建设美丽中国、节能减排、生态环保的绿色高质量发展理念。

2.2 课程教学设计的改革

教学设计发挥传统课堂教学体系严谨、师生互动即时高效的优点,并利用微课、慕课、翻转课堂等新型教学方式的开放性、资源广阔性、选择多样性、即时性等优点为课堂教学过程中学生自主性和个性化学习提供支持,探索基于“互联网+”智慧教学的线上线下混合式教学模式,借助丰富的课程教学资源,建设了线上开放课程,并进行实践。

教学设计分为3大模块:①课前学生线上自主学习反馈:利用自建的慕课资源,学生线上自主学习,设置有讨论区和微信群进行反馈,将基础知识层次的学习交给网络信息化媒介。②课中课堂集中讲授+翻转课堂模式,覆盖化工热力学8章,采用多媒体课件和板书相结合方式剖析课程重难点内容。在导入新课时,根据预习反馈、测试结果等教师会开展课堂教学,精讲预习中存在的问题,并引导学生提出在预习中遇到的疑惑或难点。同时,教师在讲解过程中也会借鉴微课的时长,每10～20 min设计一次随堂测试,以激发学生的学习兴趣。③课后巩固拓展深化+探究学习,学生在课后巩固复习完成作业,并利用线上资源拓展学习,完成探究式作业,深化理解化工热力学在科学研究和工程实践中的应用;教师在课后对随堂测验、课堂讨论、教学探究以及学生反馈等内容进行数据统计和分析,以深入了解学生情况,并为下一步的教学工作提供基础。同时,教师还开展在线师生或生生交流,对教学过程进行总结和反思,以促进师生共同成长,提高教学质量和效率。

此外,课程团队积极探索化工热力学课程与思想政治理论课同向同行、形成协同效应的有效途径,通过对学生进行以爱国、敬业、诚信、友善等为主要内容的品德教育,以安全生产、节能减排为主要内容的工程伦理教育及增强学生的家国情怀的文化自信教育,将课程转化为社会主义核心价值观具体化、生动化的有效教学载体。

2.3 教学活动和内容的改革

①针对化工热力学课程理论性强、公式繁多的难题,在教学中强化工程应用,弱化理论推导和公式记忆,防止学生本末倒置。②以学生为中心,以PBL(基于问题的学习)学习法为导引,结合生产生活实例,提出问题,启发学生思考,利用所学知识分析解决问题,再进一步总结反思,回归实践应用,帮助学生理解抽象的知识点,理论联系实际。③为解决学生专业思想问题,提升内在学习动力,坚持立德树人,将课程思政无痕融入,将价值塑造、知识传授和能力培养融为一体。针对性地解决学生思想学习问题,激发学生专业热情、使命感和责任感,从“要我学”变为“我要学”。④针对计算量大的问题,鼓励学生编程计算,利用计算机软件如Aspen计算模块进行模拟,制作微课分享学习,激发学习兴趣和潜能,培养创新实践能力和团队协作精神;⑤线上线下融合,课堂内外互动,注重学生学习成效,拓展课程创新性和高阶性。采用“课前学生线上自主学习及反馈、课中课堂教学及翻转课堂、课后巩固拓展及探究学习”的三步法线上线下混合式教学模式。课堂教学充分利用教学体系严谨、师生互动即时高效的优点,发挥多媒体课件和板书相结合的优势,智慧教室上课,使用信息化手段。采用案例教学、探究式学习、翻转课堂等,加强师生互动,提高学习主动性,培养学生解决问题和审辩式思维能力。

2.4 课程评价方式的改革

在过去的化工热力学课程中,考核方式主要是依赖期末考试成绩,这对于学生的学习效果缺乏有效的监督。为了推进课程改革,尝试了多元化考核评价模式,包括线上和线下的融合,以及形成性评价和终结性评价的结合。这样的多元化考核模式可以促进学生的自发性学习、过程性学习和体验式学习。改革后,考核形式为70%为期末考试卷面成绩,增加形成性评价(30%)。形成性评价中课程小论文和翻转课堂表现占10%,线上自主学习占10%,课堂表现和课后作业占10%。

3 课程改革特色及建设计划

3.1 课程建设特色

①课程思政有机融入,激发学生专业兴趣。教师牢记“为党育人、为国育才”的教育初心,立德树人,关注学生专业思想,无痕融入思政教育。②线上线下混合教学,培养学生创新潜能。以提高学生学习兴趣及学习效率、培养创新实践能力及科学思维方式为目标,融合传统课堂教学和慕课、微课、翻转课堂等教学手段,开展案例教学、探究式学习,拓展课程的创新型和高阶性,引导学生在学习中创新,在实践中成长。③理论密切联系实际,科教融合协同。课程教学中注重理论密切联系实际,从生产生活中实际问题出发,运用热力学理论方法解决实际问题,同时主讲教师均承担国家及横向项目,注重科研融入教学,指导学生开展研究,将成果转化成教学案例;带进课堂编进教材,结合真实“情境”开展教学,增进学生对技术创新的热情和认知。理论与实际结合,科研与教学互促,融合新工科建设理念和实践,培养卓越化工人才。

3.2 课程建设不足与持续改进计划

尽管课程改革已取得一定成效,但也带来了新的问题。例如,线上课程部分存在学习氛围不够浓厚的问题,这导致学生学习效果不佳。此外,我们需要增加对于线上课程内容掌握程度的评估和学生的讨论参与度。

后续建设中,继续坚持立德树人,以学生为中心,致力于开启学生内在潜力和学习动力,在课程的高度、宽度、广度上下功夫,深化课程建设,紧扣科技及学生的进步,提升学业挑战度、增加课程难度、拓展课程深度,借助数字化技术持续改进,促进学生创新能力培养,建设国家级一流课程,将课程在全国范围内推广。具体如下:①加强课程教学团队建设。通过学习培训交流等,提升专业课教师的思政素养和专业素养,建立教学案例库,向全国同行共享,将思政融入课程教育,实现立德树人润物无声,着力提升学生专业兴趣,挖掘专业潜力,激发内生学习动力。②加强课程教学资源建设。收集课程相关领域国内外的科技前沿,新成果、新动向,丰富和更新教学内容,建立课程教学案例库;在原有自建慕课的基础上,提升信息化技术与教学融合度,开发和引入数字化教学资源并举,丰富微课和MOOC资源,建设数字化习题和试题库,使用图形(图像)、音频、视频、动画和虚拟仿真等各类素材,制作新的教学视频,增强课程知识性、趣味性和高阶性。③完善课程多元化考核评价。按照工程教育专业认证的理念,以学生学习效果为导向,围绕目标达成、教学内容、组织实施等,进一步完善课程多元化考核评价,促进学生自主学习、过程性学习和体验式学习。