后疫情时代化工原理实验教学设计研究

代立波 郑志功 龚凌诸

(福建工程学院 生态环境与城市建设学院，福建 福州 350118)

2020 年1月，席卷全球的新冠肺炎疫情对正常教学提出了严峻挑战。按照教育部的要求，在疫情防控期间，高校要利用网络教学等手段实现“停课不停教，停课不停学”，确保在线学习和在线课堂教学质量[1]。各教育机构积极响应，初步取得了良好的教学效果。随着防疫工作进入相对稳定的阶段，我国也率先进入后疫情时代[2]。在教育行业，后疫情时代可以从各级各类学校正式复课、学生大规模返校、开展线下教学之时算起。当我们重新回到学校，相信我们不会简单恢复以往的教育，而是会积极进行新时代教育下的深刻变革。因此，在后疫情时代，如何结合课程实际进行教学改革具有深远的理论和现实意义。

化工原理实验是化工专业的基础实践课程，也是化工原理课程体系的重要组成部分。本课程旨在培养学生典型化工单元操作的实验技能，加深学生对化工原理理论知识的理解，学会选择合理的操作过程和数据处理，提高运用所学理论解决实际问题的能力。化工原理实验项目主要包括流体流动、离心泵、过滤、传热、吸收、精馏和干燥等内容[3]，课程与化工行业的实际情况密切相关，具有较强的工程性。在传统的化工原理实验教学中，主要贯穿“以老师为中心”的教学思想，教师讲解实验原理，安排实验内容，介绍实验操作步骤。学生只是被动地接受知识，按照老师的要求完成实验操作和数据处理，缺乏对实验内容和知识的深度挖掘。此外，实验教学往往受时间和场地的限制，学生人数多，过程管理困难，教学效果不理想。在今年疫情防控期间，实验教学面临着更严峻的挑战。与理论教学不同，实验教学主要培养学生的实验操作能力。笔者也通过采用在线课程教学、虚拟仿真实践教学等方式初步探索实验教学新思路，学生反馈良好。但由于时间仓促，教学探索仍存在较多不足的地方。因此，本文结合先期教学实践初步经验，在后疫情时代针对化工原理实验教学从课程内容建设、教学模式和课程考核评价等多方面进行组织和设计，以优化教学过程，提升教学效果。

1 课程内容建设

1.1 在线课程建设

近年来，随着教育信息化的深入，特别是在当前疫情防控的特殊时期，开展在线教学势在必行。过去在线教学主要集中于化工原理[4]、化工分离工程[5]等理论课程，针对实验课程的在线教学较少。主要原因是实验教学需要结合具体的实验装置和操作过程，受空间限制较多。在后疫情时代，可以通过线上线下混合式教学以及虚拟仿真项目练习等方式克服之前遇到的难题。化工原理实验在线课程的建设主要依托超星网络教学平台，从教学目标、实验要求、教学视频和教学讨论等方面丰富课程内容。教学目标主要介绍本课程的性质和地位，学生通过学习可以掌握典型化工单元设备构造和原理，实验操作的方法和数据处理。实验要求是整个实验课程中非常重要的一环，主要从实验安全、实验报告撰写以及实验注意事项等方面介绍。每一个实验项目分别制作理论教学和现场教学视频，理论教学主要涉及实验方法、实验数据处理等理论方面的内容。现场教学视频主要介绍该实验现场装置的构造、实验的具体操作以及注意事项等。学生通过理论和现场教学视频预习，可以初步掌握该实验的内容。化工原理实验工程性较强，涉及大量的数据处理，通过制作excel、origin、Auto CAD等典型化工设计与计算辅助软件教学视频，可以帮助学生优化数据处理方法，提升对化工原理实验内容的认识。针对传统实验教学互动较少等问题，在网络课程中设置在线讨论环节，学生可以将实验预习、实验过程以及实验报告撰写过程中遇到的问题发起讨论，老师和其他学生可以参与讨论，提高实验的积极性。

1.2 虚拟仿真实验项目建设

在线课程教学中主要让学生掌握实验理论知识和操作方法，并未涉及具体的实验操作过程。此外，线下教学中，受实验室场地和台套数的限制，每个实验一般以4～6人为小组单位，虽然可以培养分工协作的精神，但是每个学生单独动手操作的机会不多，达不到全面培养学生实际动手能力的目标。为弥补实验教学的短板，通过建立化工原理实验虚拟仿真项目，让学生在学习实验理论知识后进行在线虚拟实验操作，学生可以直观地感受到实验设备、操作过程以及实验结果输出等内容，提高对实验整个过程的认识，为线下实验操作奠定良好的基础。虚拟仿真课程内容建设主要从以下2个方面展开：(1) 制作典型化工单元实验操作动画模型，与课堂教学有机结合，强化教学效果。(2) 与欧倍尔等化工软件公司合作，开发流体流动、离心泵、过滤等典型实验仿真系统，让每个同学真正上手练，学有所得、学有所获。通过练习，学生可以独立完成整个仿真实验的实际操作，有效地提高了实验设计、实验操作等实践能力。

2 教学模式设计

2.1 线上线下混合式教学

线上线下混合式教学是后疫情时代课程教学改革的趋势[6]。传统单纯线下教学模式中，教师占主导地位，学生的自主性欠缺，但便于教学管理。线上教学可以发挥学生的主观能动性，但对于实验课程来讲，单纯的线上教学无法完成整个实验过程的教学，需要线下配合。因此，通过线上线下教学有机融合，可以使学生通过在线学习明确学习任务，掌握理论知识；通过线下教学了解实验设备构造，进行实验原理操作，练真本领。此外，线上线下混合式教学还需要结合教学特点，有针对性的设计教学思路和方案，以达到1+1>2的教学效果，真正发挥线上线下混合式教学的优势。

在具体的教学过程中，化工原理实验混合式教学设计包括课前、课中和课后三个环节，总体教学思路如图1所示。以流体流动实验为例介绍混合式教学的具体过程，该实验主要涉及流体在光滑管和粗糙管中流动时摩擦系数的测定。课前，老师通过在线教学平台上传实验指导书，发布流体阻力实验任务和教学视频。学生们按照要求完成实验的预习和视频内容的学习，并根据学习过程中存在的疑问积极参与话题讨论，教师及时反馈并回答学生的问题。学生完成实验后，进入虚拟实验平台，记录相关实验数据，老师根据学生在线任务点完成情况和仿真操作质量对学生做出课前评价。在实验课程中，教师通过在线平台介绍流体流动实验内容的重点和难点知识，特别是操作注意事项，以保障实验的顺利进行。进入实验室后，老师根据现场实验设备提问，学生按照实验要求分组完成实验操作、记录等环节。实验结束后，学生对实验数据进行处理，撰写实验报告。老师根据学生实验报告完成质量进行评价。通过线上线下的混合教学过程，学生可以在有限的时间内增强对实验过程的熟悉程度，增进师生之间的互动与交流。老师通过在线教学的后台数据可以及时了解学生学习情况，也便于实验过程管理和课程总结。

图1 化工原理实验混合式教学示意图

2.2 思政教育融入实验课堂

一般来讲，实验教学主要侧重于实验理论知识和操作技能的讲解，对学生安全环保意识、社会责任感、思想政治素质等方面的引导较少[7]。将思政理念穿插到实验教学中，可以有效地加强学生的思想政治教育，提高实验课的教学地位。在化工原理实验过程中，经常会用到一些加热设备和有毒有害的化学试剂，在使用和操作过程中要求学生具有很强的安全意识。可以将国内外化工实验室发生的一些典型安全事故制作成教学案例，上传到网上教学资源中，对学生进行思想教育，增强学生规范操作的意识。此外，实验过程中一些学生容易嬉戏打闹，对实验操作没有足够的责任意识。化工原理中涉及较多人名理论，例如雷诺实验、伯努利方程等。通过列举这些著名学者为科学事业无私奉献的事迹，引导学生刻苦学习、努力提高自身能力和素质。

3 课程考核改革

化工原理实验以往采用线下教学，课程的成绩评定主要根据实验报告成绩或期末考试成绩，缺乏对学生过程的考核。如图2所示，在线上线下混合式教学中，成绩评价包括过程考核和期末考核两个部分综合评价。过程考核主要根据学生在线学习和虚拟仿真完成情况、在线讨论和线下实验操作情况多方面进行成绩认定。各项权重如下：在线学习完成情况30%，虚拟仿真实验完成情况30%，课程主题讨论20%，线下实验操作情况20%。期终考核主要包括实验报告和期末考试两个部分，实验报告是学生对整个实验设计、操作和计算的总结性材料，该部分占期末考核的70%。期末考试要求学生以闭卷的形式完成，主要考察学生对化工原理实验基本理论、实验操作注意事项以及安全意识等方面的掌握情况，该部分占比30%。最终的总成绩中，过程考核成绩占比60%，期终考核成绩占比40%。通过课程考核方式改革，加强了实验过程性的评价，提升了教学评价的科学性。

图2 化工原理实验考核方式

4 结语

随着疫情防控进入稳定阶段，各高校逐渐恢复师生返校。在后疫情时代针对化工原理实验教学从课程内容建设、教学模式和课程考核评价等多方面进行组织和设计，以优化教学过程，提升教学效果。充分发挥线上和线下教学的优势，贯彻落实以学生为中心的主体地位，充分发挥学生的主观能动性，提高学生发现问题、解决问题的能力，达成课程的教育目标。