基于小规模限制性在线课程的化工原理实验混合教学模式探析

＊吴登峰 曹东 李仲 田维亮

（1.北京化工大学 化学工程学院 北京 100029 2.塔里木大学 化学化工学院 新疆 843300）

小规模限制性在线课程（Small Private Online Course，简称SPOC）是继MOOC后出现的一种新型课程教学模式，其既继承发扬了MOOC的诸多教学特点，又融入了线下课堂的教学优势[1]。目前，SPOC在理论教学课程教学中大量推广和使用，其中哈佛大学、麻省理工学院、清华大学等国内外高校进行了多年的教学改革和探索，并在SPOC教学模式的基础上总结出了SPOC混合教学模式，其主要突出特征为线上线下结合、教与学交融、开放与规范引导相融合，这种新型教学模式既能赋予学生个性化的、完整的和深度的学习体验，又有助于优化教学设计、创新教学模式[2-4]。特别是在当前教育创新改革浪潮下，传统的实验教学由于学习资源少、教学空间有限等制约因素，已经无法适应当前人才培养要求，急需推动实验教学创新和改革以适应当前教育发展需要，而将SPOC混合教学模式引入到实验教学中是一种有效的改革路径[5-6]。

化工原理实验是一门工程性、实践性很强的课程，是联系化工理论与生产实践的桥梁，是高等学校化学工程与工艺等相关专业的必修实践类课程。课程旨在通过实验操作、数据整理与分析，加强对化工单元操作基础理论的理解，培养学生从事实验研究的能力、训练学生分析和解决问题的能力，使学生养成理论联系实际和严肃认真的学习态度，提高学生的独立思考能力和创新能力。根据SPOC混合教学模式特点，可以看出SPOC混合教学模式相比其它教学模式更适合一些专业性较强、难度较大、实践性强的实践性课程，尤其适合存在着缺乏先进教学理念和优质高水平教学资源、师资队伍建设较薄弱、实习条件不充足等诸多问题的高校实验实践类课程[7-8]。因此，将SPOC混合教学模式应用于化工原理实验教学，可以很好地缓解化工原理实验教学难度大、效果无法保证的问题，进而推动实践教学模式改革与创新。

1.化工原理实验SPOC混合教学模式教学路径

依据化工原理实验教学实际，提出对化工原理实验课程进行教学模式和教学环节的改革与创新优化，实现线上自主学习和线下课堂教学有机融合交互，将传统课堂化工原理教学模式转变为课前线上学习+课堂线上线下实训+课后线上线下巩固强化“三位一体”的SPOC混合教学模式，如图1所示。其主要路径如下：

图1 化工原理实验SPOC混合教学模式

课前线上学习部分主要是借助北化在线、MOOC等在线平台建立包含化工原理实验室安全教育视频、化工原理实验项目及其实验原理、实验目的、实验操作、注意事项等基础知识、实验项目仪器设备及操作视频讲解、实验项目设备操作动画演示以及化工原理实验题目等模块内容，本部分学习的目的是强化和巩固学生的基础理论知识。

课堂线上实训部分主要是借助北京东方仿真平台、北京欧倍尔云平台以及国家虚拟仿真实验教学课程共享平台等线上资源，开展化工原理实验虚拟仿真项目，这些线上仿真项目同后续开展的实验项目一一对应，学生通过仿真项目训练可以进一步熟悉实验步骤和实验操作流程，可以为后续实验项目实际操作奠定良好基础以及避免误操作带来的安全风险。课堂线下实训部分是在化工原理实验室进行，主要开展化工原理实验实训，通过这些实训操作，使学生熟悉化工单元操作以及实验仪器设备的流程、结构等，使学生能够运用所学的化工原理基础知识分析实验过程，使所学理论知识得到进一步理解和巩固。课后线上线下巩固强化主要是指学生完成实训后可以在交流讨论区对实验过程、实验数据以及实验中存在的问题进行互动交流，也可以参与教师发布的讨论话题进行讨论分析，以实现对实验知识的巩固和强化，同时撰写实验报告和课程总结，进行知识梳理、数据处理及现象分析。

2.精馏实验案例教学

精馏实验是化工原理实验课程中重要的基本单元操作，其主要涉及到能量平衡、物质平衡以及相平衡等化工基本原理知识，因此，本教学案例基于SPOC混合教学模式开展教学实践，其主要内容包括学情分析、实验教学目标、实验教学过程等部分。

(1)学情分析

知识分析：学生在学习本课程前，已经学习过《无机化学》《物理化学》《高等数学》《化工原理》等基础课程，学生已经基本掌握了本课程所需的基本原理知识，通过本课程学习，能够使学生的理论知识得到进一步的理解和巩固，增强学生的理论结合实践能力。

学生分析：本课程主要面向的是00后新时期大学生，他们思路敏捷、思想开阔并且异常活跃，但是动手实践能力偏弱，因此本课程采用SPOC混合教学模式，以学生学习为主题，发挥学生的积极能动性，同时又可以让学生认识到自己的不足。

(2)实验教学目标

本实验的教学目标为：熟悉精馏这一重要化工单元操作的工艺流程，掌握精馏实验的具体操作方法和过程，了解板式塔的构造，能够测定全回流时的全塔效率及单板效率等，同时我们的教学目标不仅仅包含这些知识目标，还包括引导学生多层次思考，如何运用理论知识解决实验过程中遇到的问题，以及如何改进及设计，以提升全塔效率及单板效率等。

(3)实验教学过程

首先，学生可以通过手机、电脑等媒介登录北化在线、MOOC等在线平台开展课前线上学习部分，其中精馏实验需要学生学习的内容主要有精馏实验原理、实验目的、操作要点、注意事项等基础知识讲解视频（约20分钟），板式塔设备操作演示视频讲解（约10分钟），化工原理实验指导书实验五（电子书）阅读以及精馏实验知识题库50道题。在学习过程中，学生可以发布讨论话题或问题，指导老师或其它学生都可以在话题中答疑和讨论，也可以直接回答问题，通过这种学习讨论巩固学习知识、活跃学习气氛以及增加学生学习热情。等学生完成本部分学习任务后，必须参加化工原理基础知识通关考核，只有通过考核的学生才能进行下一步的课堂教学环节，否则学习需要重新开展预习学习，直至通过考核并记录成绩。

其次，学生通过课前线上学习部分后，进入虚拟仿真实验室，登录北京东方仿真平台开展精馏仿真实验练习，该仿真实验主要内容有精馏设备及工艺的认知，精馏仿真单元操作的开车、运行和停车，异常情况及事故紧急处理、板式塔设备参数对精馏过程的影响等部分。虚拟仿真操作学习中，先开展指导性操作练习即根据系统提示完成操作，熟练后开展自主操作考核。学生自主操作成绩在90分以上为通过考核，否则重新练习后参加考核直至考核通过。学生在练习过程中遇到问题，可以现场咨询指导老师，也可以在每个实验仿真项目的讨论区发布话题或问题。

再次，学生通过虚拟仿真练习后，进入化工原理实验室开展实训操作进行，本部分主要内容有熟悉精馏塔装置及构件组成、回流分配装置及构件组成、测控系统、物料浓度分析和数据处理。学生在前两部分学习的基础上，由指导老师再次讲解实验设备操作流程、注意事项、演示操作并进行答疑，然后学生随机分组（每组2～3人）开展实验操作。实验操作过程中，只允许组内人员讨论交流，各组独立完成实验操作，由指导老师根据实验操作、实验记录、实验结果以及团队协作情况，对个人按照进行过程评分。

最后，学生根据实验数据，开展实验结果分析并撰写实验报告，教师根据实验报告总结评分标准进行考核评价，同时将结果通过线上平台反馈给学生，学生可以根据反馈结果进行反思和巩固强化相应内容。同时学生若认为实验评价结果不理想，可以申请重新开展实训部分重新评价，从而实现学习专业知识的反复巩固强化和动手实践能力提升。

3.化工原理实验课程教学实施成效

通过在化工原理实验课程中引入SPOC混合教学模式的教学实践实施，学生在学习效果和创新能力方面有了较为明显的提升。

我们通过分析化工原理实验教学实施前后学生的成绩分布情况，如图2所示，其中实施前教学班级学生样本为88名，实施后教学班级学生样本为49名。从成绩分布上来看，学生成绩整体有了明显提高，其中学生平均成绩从69.3分提高到了76.6分，最高分由89分变为了93分，及格率由93.2%提高到了95.9%。在教学实施过程中也明显感受到了学生的积极性和主动性比以前有了明显提高，特别是在实际设备操作中，学习操作的流畅度和交流明显增多，教室中除了设备的轰鸣声增添了更多交流讨论的声音。通过教学实施，可明显感受到学生对化工原理知识的兴趣明显增加，学生的动手实践能力有了明显增强。

图2 教学实施前后学生成绩分布图

4.结语

基于SPOC混合式教学模式的特点优势，通过将其融入到化工原理实验教学全过程，将以传统实验操作为主的实验教学模式转变为课前线上学习+课堂线上线下实训+课后线上线下巩固强化的“三位一体”SPOC混合式教学模式，把学习由被动变为主动，让学生自觉融入到化工原理实验课程中，同时该教学模式可实现教学全过程评价，真正让学生动起来、忙起来，从而促进学习效果和提升教学质量。通过该模式教学实践促使化工原理实验实现“理论知识—理解—实验实训—理解”的良性循环，不断提升学生理论知识水平以及实践创新能力。因此，该教学模式是推动化工原理实践教学创新和改革的有效方式之一，也可为其它实验课程教学提供新思路、新模式、新路径。