化工热力学混合式教学探索

摘要：针对化工热力学难教、难学的课程特点，借助中国大学慕课网络平台、优学院平台，开展课前线上引导学习、课间老师主题讲授、课后讨论与反馈的三步混合式教学模式。通过此线上线下混合式教学模式，极大地提高了学生学习的效果，初步完成了化工热力学教学改革的目标。

关键词：化工热力学；混合式教学；教学改革近年来，信息技术的不断革新，如openAI的问世，对课堂教学模式和手段带来新的机遇。如何推动信息技术与高等教育两者之间的深度融合，从而提高培养人才的效率，是一个值得探索的课题。在逐渐实现信息化教学的高等教学模式中，以师生角色转换的翻转课堂与在线资源相结合的线上线下混合式教学模式展现了积极的促进意义和极高的可实践性［1］。

1线上线下混合式教学的现状

在信息化技术的支撑下，线上线下混合式教学是指将线上的课堂资源与线下传统的课堂教学结合起来，形成优势互补的一种教学模式。这种教学模式既可以发挥任课老师的引导作用，又可以灵活满足学生学习的需求，关键在于在恰当的时间，使用合适的方式，为不同的学生实行因材施教［2］。

董田甜等在高校混合式教学的现状中指出，混合式学习的重点不在于混合哪些事物，而在于如何混合以达到最优的教学效果。这一教育改革思想的提出，引发国内教育工作者对混合式教学理论的深入研究。陈卫东等通过研究学习对象、教学技术、教学环境和教学方法4个因素，根据混合式教学的效果认为，混合式教学是在一种技术支撑学习环境的前提下，如何将4个因素融合到学生的认知、技能、情感中去。

混合式教学发展到目前为止，教学课题组认为以下几个问题最为典型突出，亟待解决：（1） 线上教学平台资料更新滞后。混合式教学离不开线上教学平台。线上教学平台学习资源一般有3个方面的来源，中国大学慕课线上资源、雨课堂线上资源以及教师自己录制的教学视频。任课老师利用这些来源的视频作为线上资源时，均存在视频更新滞后，视频老套等情况，很难激发学生自主学习的兴趣。（2） 任课老师缺乏准备，使用信息化平台不熟练，线上线下教学融合不流畅。（3） 教学设计单一，普遍采用线上线下交替的方式进行混合。

基于以上问题，为了更好地实施混合式教学，促进学生主动学习，课题组对化工热力学课程开展混合式教学探究，并基于教学成果，进行了教学反思。

2基于化工热力学的混合式教学课堂建设

化工热力学是化学工程专业的学生必修的一门专业核心课程，是化工设计、化学工艺学、化工过程分析等核心课程的先修课程。化工热力学具有“理论晦涩、公式复杂，计算困难”等特点，大部分同学望而生畏。因此，如何进行教学设计，充分利用线上资源和手段，调动同学们的学习积极性，提供有利的学习方法和学习策略，让同学们更扎实地掌握化工热力学，化繁为简的方法势在必行。设计合理的混合式教与学的模式是获得良好教学效果的关键。

2.1多元化线上课堂资源

2.1.1丰富工程案例，激发学生学习热情

为了使学生明白化工热力学不仅仅是枯燥的理论课，也能够分析解决化工生产中的实际问题。针对知识点，利用优学院平台，先抛出典型的工程案例，让同学们讨论，点燃同学们的求知欲望，比如以家用液化天然气的成分表，引出气体的超临界流体性质，从安全和原理两个角度引出气体的状态方程的用途；以热力学中混合体积变量与酒文化的关系为讨论题目，带领同学们从混合体积缩小、酒度与口感之间的关系入手，探讨热力学中的偏物质的量、混合流体的热力学性质；以无水乙醇的价格是95%乙醇的几倍为例，引出第五章精馏分离问题。针对工程案例问题，设置分组学习，让每个学习小组共同讨论分析问题。

2.1.2精选线上学习视频

打破线上资源更新滞后的现状，本课题组老师根据每学期更新的教学内容以及层出不穷的线上资源，及时优选中国大学慕课的线上资源、雨课堂的线上资源，重点引入工程案例式的学习资源。如果找不到合适的资源库，将采用本课题组老师针对知识点录制的8～10 min短视频，上传于优学院平台供学生们自学与参考，所有上传的微视频的内容均注重从实际工程问题出发，紧密联系实际，突出化工热力学从原理到应用的特征特点。

2.1.3拓展教学资源

本课题组在优学院平台，分模块拓展教学资源，主要分为学科前沿文献、热门科普视频、经典理论3大部分。学科前言主要是反映化工热力学与其他学科间的交叉突破性成果；热门科普视频是当下用热力学的理论可以揭示的一些现象，比如宇宙热寂理论、黑洞热力学等，热门科普视频有利于同学们以一个轻松、愉悦的环境促进对抽象知识的理解；经典理论比如热力学发展史、热力学模型、活度系数模型等为引入背景，重点阐述这些热力学模型的建立带来的科学技术上的进步以及如何颠覆人们的生活，从3个方面让学生实实在在意识到这门理论课程的实际应用价值，多方面调动学生的学习热情。

2.1.4建立训练题库

对知识的理解与运用离不开课下反复的练习，本课题组针对每个章节的知识点，建立训练题库，题型从选择题、判断题到论述题，全方位巩固每个教学单元的重难点。特别在论述题环节中增加开放性作答的题目，允许学生之间互相评论，让同学们之间也形成互动的习惯。此外，课题组老师及时查看学生的作答情况，总结同学们普遍还没掌握的知识点，针对同学们普遍存在的共性问题，授课老师在线下课堂重点讲解，反复说明，以便同学们掌握重点知识。

2.2优化精炼线下教学内容

为了增加学生学习动力，避免躺平式的学习态度，本课程采用“工程案例导入，解决实际问题导出，坚持以学生为主体，老师为引导”的原则，优化精炼线下课堂教学资源。

2.2.1精炼教学内容，简化理论推导

化工热力学课程主要包括绪论、流体的PVT关系、纯流体的热力学性质，流体混合物的热力学性质、相平衡、化工过程能量分析、蒸汽动力循环与制冷循环、化学反应平衡、化工物性数据估算等知识点。本课程在我校的学时为32学时，课时很有限，在多年的教学经验中，我们删减与前置课程物理化学有关的知识点，主要讲解纯流体和混合流体的热力学性质，重点讲解剩余性质、偏物质的量性质、逸度系数、活度系数、超额性质以及气液平衡计算等。其次，化工热力学的很多概念和结论性的公式推导占据教材的大量篇幅，并且公式的推导过程是建立在高等数学的微积分知识之上，这就导致很多大一高等数学不扎实的学生看到教材后就产生放弃学习的想法。对于同学们普遍薄弱的微积分知识，课题组老师采用线上资源前置这部分内容，提前给同学们复习微积分注意事项和求法，这样有利于实际课堂中同学们将精力用在理解偏物质的量性质，而不是繁琐的公式本身。本教学课题组在实际教学过程中精简理论推导，以结论服务实际问题为导向，纠正学生先入为主的恐惧感，用生动、通俗易懂的语言讲解化工热力学课程，化繁为简、突出解决问题的课程内涵。

2.2.2鼓励软件辅助学习

基于热力学方程以及相平衡方程的物性参数估算是化工设计软件的基础。讲到化工热力学状态方程计算流体的P-V-T性质时，引入Aspen Plus化工流程模拟软件，该流程模拟软件是以热力学模型为基础，进而估算物质的物性数据，优化化工流程模拟，然后以实际的案例，如估算全范围内二氧化碳的沸点，要求同学们选取不同的热力学模型方程，对比分析不同模型之间的差距，让同学们更好地掌握第二章p-V-T状态方程的用处，明白热力学状态方程在本课程中的地位和重要性，增加同学们对理论知识的认同感和实际应用价值感。在带领同学们学习相平衡的有关知识时，同学们普遍反映，相平衡计算的方法和逻辑是很容易理解的，但难点是迭代计算的计算量特别大，同学们依靠手动计算在有效的时间里没办法得出结果，利用ThermalCal软件辅助计算可以很好地解决迭代计算的问题，让同学们更加直观地感受到化工热力学的理论是为实际应用服务的，计算不是问题，问题还是要能够理解它的原理和应用。

2.3调整学生考核方式

本课题通过调节课程考核方式，进一步调动学生的学习热情。综合成绩采用章节测试（占比25%）、专题汇报（15%）、课后作业（15%）以及期末考试（45%）的形式强化过程学习。其中章节考试由线上题库抽题完成，每个同学的题目都不太一样，并且限制作答时间，可大幅度降低抄袭作业的现象。专题汇报是运用辅助软件展开专题讨论，由小组进行汇报，同学和老师共同打分的形式进行。课后作业和期末考试增加开放性试题，采取非标准答案做题形式，避免克隆书本，强化同学们对知识的理解与运用。

3混合式教学效果

本次是以化学工程与工艺1班的同学作为教学改革的试点，评价混合式教学效果。评价通过问卷调查、卷面成绩和达成度3个方面评价教学效果。

3.1问卷调查评价

设计问卷从学生角度评价混合式教学的效果。结果表明：90%的同学认为，通过线上资源专题讨论前沿文献阅读，激发了学习积极性和主动性，工程案例导入式的线上资源改变了他们对课程的片面认识，认为这是一个有深度的实践性强的课程；87%的同学认为专题汇报增加了他们理解运用知识的能力；96%的同学认为通过前置的线上资源，在线下课堂学习时更有针对性，大大提高了自己解决实际工程问题的能力。

3.2期末成绩分析

混合式教学之后学生卷面成绩的及格率由72.5%提高到95.1%，60～69分的学生占比由26.0%提高到45.0%，90分以上的占比由3.2%提高到4.9%。

混合式教学效果说明，基于课前工程案例引导的线上学习、线下突出理论与应用相结合的教学，以及课后资源扩展、题库训练的教学方式是可行的。学生成绩及问卷结果再次说明本次混合式教学探索模式不仅有利于知识的传递，还纠正了同学们对化工热力学课程无用论的片面认识，不仅从思想上让同学们爱上这门课程，还实际增加了同学们遇见复杂问题，化繁为简的解决问题的思维方式。

3.3达成度分析

本课程实施混合式教学之后，很好地完成了学生培养目标的达成度。其中目标1、目标2和目标3的达成度均≥90.0%，目标4的达成度为86.7%，整体来说，混合式教学有利于提高课程的达成度。具体结果见表1。

4结语

化工热力学是化学工程专业和能源化学工程专业的一门核心课程，本课程的主要培养目标是利用化工热力学以化繁为简解决问题的方法去处理复杂的实际工程问题。针对化工热力学难教难学的特点，本课题组提出线上线下的混合式教学模式，借助工程案例导入法，纠正了同学们对化工热力学不正确的认识，激发了学生的学习主动性；通过精炼课堂讲授，弱化公式推导，进一步突出课程解决问题的实用性；通过计算机辅助软件解决手动计算量大的难题，让学生从公式的苦海中解救出来，提升解决工程问题的效率；通过线上跟踪测试、题库训练等手段加深同学们对知识的理解与运用；通过小组专题汇报、课后作业的方式，全方位多角度强化同学们对知识的掌握，最终显著提升教学效果。

参考文献：

［1］ 丁雪，宋春敏，刘熠斌，等. 化工热力学线上线下混合式教学模式探索［J］.化学工程与装备，2021，299（12）：300301.

［2］党力，吕智慧. 基于“雨课堂”的《化工热力学》混合式教学应用探索［J］.广东化工，2020，47（5）：210211.