一流课程建设背景下“化工原理实验”教学改革探索

刘 芬 柏 凌 向 程 杨 涛 严 平

(九江学院 化学化工学院,江西 九江 332005)

“双一流”建设是从国家层面推动高等教育发展的顶层设计[1],课程建设是一流大学建设的基础。2019年10月,教育部下发了关于一流本科课程建设的实施意见,正式启动一流课程“双万计划”,一流课程逐渐成为普通高校专业建设、教学改革的关注重点[2]。课程是大学与社会进步、科技发展相互沟通的桥梁,更关系到学生的个人发展。一流课程建设是新时代高等教育强国之路的重要举措。因此,探索一流课程建设路径具有重要的现实意义。

实践教学是培养学生实践能力和创新能力的重要环节,“化工原理实验”是化工类专业学生必修的专业基础课,是培养学生化学工程观念及化学工程技术能力的重要实践课程[3]。随着社会和经济的快速发展,“互联网+”提供了重构教育教学生态环境的机遇,企业工艺装备水平不断更新,需要高校教学跟进最新技术。“化工原理实验”传统教学模式已不适应新阶段的发展模式,因此,课程教学团队从教学内容、教学模式和评价体系等方面对“化工原理实验”课程教学进行改革探索,积极推进“化工原理实验”一流课程建设,提高化工人才培养质量。

1 “化工原理实验”一流课程建设需要解决的重点问题

一流课程又称“金课”,建设基本原则是“两性一度”,即提升课程的高阶性,突出课程的创新性和增加课程的挑战度。在一流课程建设背景下,“化工原理实验”传统教学的问题主要表现在如下方面。(1)教学内容局限。受限于教学场地、实验装置和指导教师等因素,传统教学内容多以验证型实验为主,对化工前沿技术鲜有涉及;此外,传统教学忽视课程育人功能,难以落实立德树人的根本任务[4]。(2)教学模式僵硬。传统教学以教师讲授为主,信息化水平落后,学生往往处于被动接受状态,实验过程中学生只是机械模仿教师的演示操作,难以培养学生发现问题、分析问题和解决实际工程问题的能力。(3)评价体系单一。传统考核形式多以期末考试为主,缺乏对学习过程的考核,不重视培养学生综合素质和创新能力,评价体系不能全面反映学生的真实学习情况[5]。课程教学团队坚持学生中心、产出导向、持续改进的教育理念,以九江学院化学工程与工艺专业为例,从教学内容、教学模式和评价体系等方面探讨“化工原理实验”一流课程建设路径。

2 “化工原理实验”一流课程建设的具体措施

2.1 重构教学内容

基于成果导向教育(OBE)理念,课程教学团队重新修订了教学大纲,从知识传授、能力培养和价值塑造三个角度对教学内容进行重构,主要包括:(1)增加设计型和综合型实验。根据《全国工程教育专业认证标准》要求,对原有实验内容进行拓展改进,验证型实验占比从60%降低至20%,建构了“基础-综合-设计”三个不同层次实验课程教学体系,将前沿化工技术引入教学内容,增大课堂教学容量。另一方面,由于人工智能与自动控制技术在大中型现代化化工企业中被广泛采用[6],因此该课程增设16学时虚拟仿真实训以提高学生对复杂化工过程动态运行的分析和决策能力。(2)建立“家国情怀、科创精神、职业操守”三个思政方向的课程思政案例库,将思政教育与专业教育有机融合,实现立德树人的成效。

2.2 更新教学模式

近年来,混合式教学模式迅速发展[7-9]。这种教学模式是基于互联网技术与“建构主义”教育理论发展起来的、结合传统教学与网络教学优势的新型教学模式。课程教学团队依托学习通和欧倍尔虚拟仿真云平台开展线上线下虚实结合混合式教学,真正做到以学生为中心,达到因材施教的目的。课程教学过程包括12个环节(图1),建设了丰富的线上教学资源,设计了有效的线下教学活动。以“过滤常数测定实验”(4学时)为例说明课程教学具体实施过程。

图1 “化工原理实验”教学模式设计思路

(1) 课前自学。化工原理实验由于实验装置管路复杂,实验操作要求严格,操作步骤多,因此课前预习是必不可少的环节。课前教师在学习通发布相关教学资源和教学任务,学生根据学习任务单进行自主学习,教师根据学生反馈和教学前测试实时了解学生预习效果,及时调整教学难点内容。

学习通在线教学资源包括实验原理、实验操作和仿真实验操作录屏3个视频资源(视频总时长30 min),以及教学讲义、PPT课件、拓展文献、优秀实验报告等5个文档资源,还有习题总数为30道的客观题及欧倍尔云平台上发布恒压过滤实验3D虚拟仿真软件(图2)。课前学生需要完成实验原理和实验操作视频学习(20 min);对课中将讨论的话题提前查阅资料;由于学生之前没有上过工程实验课,为了使知识点可视化和形象化,增加对应的虚拟仿真实验(简称“虚仿”),课前要求学生根据教学视频完成欧倍尔教学云平台上一个相应子项目训练(10 min);最后在线下课程开始前完成预习报告、预习PPT和预习检测习题(10 min)。

图2 “过滤常数测定实验”在线资源建设情况

(2) 课中实践。通过参与式学习提高学生分析问题、流畅表达和深度学习的能力,线下课堂主要分为重难点回顾、实操实践、小组讨论和文献导学四个环节(图3)。

图3 课中教学活动:分组汇报(A)、小组讨论(B)、文献导读(C)

在重难点回顾环节,先随机挑选两组进行分组汇报,学生相互提问或老师提问(15 min),教师就学生在本次课程的重难点问题进行总结,再次提醒学生相关实验注意事项(15 min)。通过这些教学活动,学生可以牢固掌握实验流程和操作步骤。

在实操训练环节,教师监控课堂实验进程,指导学生操作细节,纠正学生的错误操作,评价实验结果(90 min)。经过前期自主学习和重难点回顾等教学活动,学生在实操开始前对板框压滤机的结构和过滤工艺流程已经很熟悉,此时再上实体装置进行实操可以有效减少操作出错的概率。相比传统教学,教学改革后学生实操表现出更高的操作质量,相互配合度更高,因此混合式教学能有效改善“化工原理实验”教学质量。

在小组讨论环节,学生及时对理论知识和实践操作过程中遇到的问题进行反思和总结,讨论完成后提交实验小结和讨论评价表(30 min)。相比传统教学中学生仅仅关注实验操作,该教学环节能提高学生发现问题、分析问题和解决问题的能力。

文献导读可以帮助教师和学生进行探究式的学习[10],教师引导学生阅读科技文献——《光催化对多通道陶瓷膜错流超滤去除腐植酸膜污染的影响》(30 min),该文是本学院杨涛老师发表的一篇核心论文,介绍了新型过滤技术——膜分离耦合光催化技术用于处理有机废水的研究,鼓励学生加入科研团队进行科学研究,为发展江西生态经济、保护鄱阳湖“一湖清水”作贡献。学习该科技论文不仅使学生了解了化工前沿技术,而且以“如盐入水,润物无声”的形式将思政元素融合到了专业课程中,提升了学生专业自信和责任意识。

(3) 课后延伸。课后学生需要完成实验报告、拓展作业和虚仿软件其他子项目训练(30 min),回溯学习,拓展思维。鼓励学生参加学科竞赛和科研实验,加强学生实践能力和创新能力培养。

传统实验报告存在格式僵化、学生不重视和实验结果造假等问题,而实验报告包含了科研论文写作的内容[11],课程教学团队摒弃传统固定书写格式的纸质版实验报告形式,采用了论文式电子化实验报告(图4),以期提高学生的综合应用能力、写作能力和科研能力。

图4 论文式电子化实验报告格式样例

拓展作业不是学生能直接从教材上找到答案的习题,而是具有一定挑战度的作业,学生需要查阅相关文献才能完成,拓展作业有助于学生开展深度学习。

过滤常数的影响因素是该次课程学习的重点,受限于实验装置和课时,除了压力外,学生无法在课堂上学习其他因素对过滤常数的影响,因此,学生课后通过虚仿软件学习滤框直径、悬浮液密度、清液槽质量和悬浮液组成等因素对过滤常数的影响(图5),并将相关实验结果写进实验报告中,拓宽实验教学的深度和广度。

图5 拓展作业和虚仿项目内容

2.3 改革评价体系

课程教学团队建立了多元化、多维度的考核评价体系,制定了详细的考核量化表。课程成绩由过程化考核和总结性考核两个模块构成,用于全面评定学生对课程内容的掌握程度。过程化考核包括线上学习、虚仿操作、翻转课堂、实验报告、实验操作技能五部分。其中线上学习成绩由课程视频、学习次数、作业、线上考试、签到、课堂互动六部分构成。翻转课堂成绩由小组汇报、文献共读和小组讨论三部分构成。期末考试成绩作为总结性评价,主要体现知识目标达成情况,期末考核分为理论和技能两部分。为了激发学生学习积极性和提升学生的创新能力,课程成绩引入加分项。发表期刊论文、申报创新项目、参加化工原理实验比赛、改进实验项目等均可作为加分项,根据学生完成情况的不同可以加1～5分。

3 “化工原理实验”一流课程教学改革效果

分析最近一学期学生成绩(图6)可以看出教改班虚仿项目成绩、实验操作技能成绩和实验报告成绩平均分超过80分,线上学习成绩平均分为76分,翻转课堂成绩为79分,表明绝大部分学生能够很好地完成过程性考核指标,学生学习态度认真,能积极参与到各种教学活动中。通过对学生成绩横向比较发现,教改班期末考试平均分为77分,最高分是95分,最低分是51.5分,传统教学班期末考试平均分为72分,最高分是90分,最低分是36分,且教改班成绩良好率明显高于传统教学班,说明混合式教学能有效提高学生学习参与度,教学效果良好。

图6 最近一学期“化工原理实验”学生成绩分析

近年来,化学工程与工艺专业学生对科研热情明显提升,更多本科生深入科研实验室进行科研实践并取得了突出成绩。学生主持16项省级及以上大学生自主创新实验项目,获批8项省级以上创新创业项目,发表5篇科技论文,申请6项实用新型专利。此外,学生在全国大学生化工设计竞赛和化学实验创新设计大赛等各类学科竞赛中多次获奖,通过参与科研实践和学科竞赛,学生的综合素质和创新能力得到了有效提高。

课程教学团队通过不断学习和迭代打磨课程,有效提升了自身业务能力,在多次教学比赛中获奖,基于课程获批3项校级以上教改项目立项,2021年该课程获得校级线上线下混合式一流课程建设立项。

4 结语

一流课程建设对推进教育强国建设具有重要意义,其对“化工原理实验”的教学提出了更高的要求。课程教学团队结合多年教学经验,及时更新教育教学理念,构建了“基础-综合-设计”三个不同层次的实验教学体系,深挖课程中蕴含的思政元素,充实课程教学内容;结合信息技术引入了学习通和欧倍尔虚拟仿真云平台开展线上线下虚实结合混合式教学,灵活多变的教学手段为突出学生的课堂主体性提供了可操作性;建立了过程性评价和总结性评价相结合的考核评价体系,不仅使评价结果更科学规范,而且能调动学生学习的积极性和主动性。虽然教学改革取得了一些成效,但改革不可能一蹴而就,课程教学团队将不断深化教育教学改革,持续改进“化工原理实验”教学质量,以期培养职业素养高、创新能力强的高质量化工技术人才。