在化工熱力學(xué)中對自主學(xué)習(xí)教學(xué)模式的探索*

羅文嘉,張 輝,鄒長軍

（西南石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，四川 成都 610500）

1 化工熱力學(xué)課程教學(xué)在傳統(tǒng)模式下的不足

化工熱力學(xué)是化學(xué)工程專業(yè)的專業(yè)核心課程,但同時又是一門難度較大的課程[1]。在傳統(tǒng)教學(xué)模式中,教師專注于課堂的講授,而學(xué)生只需要在課上聽講,并在課后完成相應(yīng)的練習(xí)與作業(yè)。然而在化工熱力學(xué)的教學(xué)實(shí)踐中,這樣的教學(xué)模式具有一定的弊端。一是化工熱力學(xué)中涉及大量的抽象物理概念,如熵、有效能、逸度、活度等,以及復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)。學(xué)生僅在課堂上單向接受輸入,難以對這些抽象的概念產(chǎn)生深刻的理解,也容易對冗長的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)過程感到枯燥乏味,失去聽講的注意力。二是化工熱力學(xué)中盡管涉及了較為復(fù)雜的理論,但也是一門與工程應(yīng)用有緊密聯(lián)系的學(xué)科。此外,化工專業(yè)的許多其它核心課程,如分離工程、化工設(shè)計等,也都需要應(yīng)用到熱力學(xué)的知識。但是,如何將熱力學(xué)知識應(yīng)用于工程實(shí)際問題的求解卻是化工熱力學(xué)課程教學(xué)中常常忽視的問題,從而導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)了理論之后仍然缺乏解決實(shí)際問題的能力。三是教學(xué)過程中的反饋與評價機(jī)制不合理。教師只能通過作業(yè)與考試完成的情況來判斷學(xué)生的學(xué)習(xí)效果,但這樣的反饋不是即時的,而是滯后于教師的授課進(jìn)度的。而且作業(yè)與考試往往只能考查學(xué)生對具體知識點(diǎn)的記憶與理解,很難考查學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識解決實(shí)際工程問題的能力。

針對以上問題,筆者在教學(xué)過程中采取了一系列的改進(jìn)嘗試。我們的策略是增加學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的參與程度,引導(dǎo)學(xué)生主動進(jìn)行探索而不是被動地接受知識。需要注意的是,由于化工熱力學(xué)課程內(nèi)容本身較為復(fù)雜,涉及的公式與概念很多,引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)并不等同于簡單地將教學(xué)大綱上規(guī)定的內(nèi)容留給學(xué)生進(jìn)行自學(xué)。與此相反,在筆者的教學(xué)實(shí)踐中,通過改變教學(xué)組織方式,在不改變課堂學(xué)時數(shù)量的情況下,教師為學(xué)生提供了更多的講授與指導(dǎo)。在教學(xué)實(shí)踐中,核心問題是如何激勵與引導(dǎo)學(xué)生。這需要教師對布置給學(xué)生的學(xué)習(xí)任務(wù)進(jìn)行精心地設(shè)計,并在整個學(xué)習(xí)過程中給予學(xué)生適時、有效的引導(dǎo)。

2 教學(xué)組織方式的探索

2.1 線上與線下相結(jié)合的教學(xué)模式

化工熱力學(xué)課程中涉及了較多的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo),而如何講授這部分內(nèi)容是教學(xué)過程中面臨的一個困難。教師不能在課堂上花費(fèi)過多學(xué)時為學(xué)生演示推導(dǎo)過程,既因?yàn)檎n堂學(xué)時數(shù)量有限,也因?yàn)槿唛L的數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程很容易讓學(xué)生失去興趣。另一方面,也不能完全不講授這部分推導(dǎo)內(nèi)容,而要求學(xué)生在課后自學(xué)。因?yàn)檫@部分內(nèi)容較難,相當(dāng)一部分學(xué)生沒有能力也沒有動力通過自學(xué)進(jìn)行鉆研；而同時這部分內(nèi)容又相當(dāng)重要,因?yàn)槿狈@部分推導(dǎo)過程后,學(xué)生就無法理解熱力學(xué)知識體系蘊(yùn)含的內(nèi)在邏輯。

為了解決這一矛盾,筆者采用了錄制微課視頻的方法。每個微課視頻的長度不超過15分鐘,只解釋一個概念或推導(dǎo)一個重要的公式,例如立方型狀態(tài)方程的迭代求解方法、麥克斯韋關(guān)系式的推導(dǎo)過程、剩余性質(zhì)的計算、以及逸度的定義等。微課視頻上傳于網(wǎng)絡(luò)課程平臺,每個選課的學(xué)生都可以自由觀看,并且教師可以隨時掌握每個學(xué)生觀看視頻的情況(是否觀看以及觀看的次數(shù)、進(jìn)度等）。使用微課教學(xué)具以下優(yōu)點(diǎn):(1）每個學(xué)生的基礎(chǔ)與理解能力各不相同,線上微課可讓學(xué)生根據(jù)自己的進(jìn)度安排學(xué)習(xí),必要時可以重復(fù)觀看視頻,避免出現(xiàn)在線上課堂上部分學(xué)生因?yàn)楦簧辖處煹墓?jié)奏而聽不懂課的情況；(2）每個微課視頻只著眼于解決一個問題,短小簡練,容易吸引學(xué)生的注意力；(3）筆者在每個微課視頻后都設(shè)置了5～10個小問題,學(xué)生需要作答后才能完成學(xué)習(xí)任務(wù)。因此學(xué)生可以得到即時的練習(xí),而教師也可獲得即時的反饋。如果出現(xiàn)學(xué)生回答練習(xí)題正確率過低的情況,教師可以有針對性地重新制作微課視頻,將知識點(diǎn)講授得更清楚。(4）微課視頻主要針對課程中的難點(diǎn)。在傳統(tǒng)的教學(xué)模式中,對這部分內(nèi)容的講解占用了大量的課堂學(xué)時,卻沒有達(dá)到很好的效果。在筆者的教學(xué)模式中,這部分內(nèi)容從線下移到了線上,而節(jié)約出來的課堂學(xué)時被用于討論互動、案例分析、小組匯報等需要學(xué)生主動參與的教學(xué)環(huán)節(jié)[2-3]。整個教學(xué)流程的組織形式如圖1所示。

圖1 線上與線下相結(jié)合的教學(xué)模式Fig.1 Our teaching mode that involves both online and offline activities

2.2 精心設(shè)計學(xué)習(xí)任務(wù)，激發(fā)學(xué)生主動性

為了調(diào)動學(xué)生的主動性,筆者設(shè)計了一系列需要學(xué)生積極參與的學(xué)習(xí)任務(wù)。這些學(xué)習(xí)任務(wù)中既包括較為簡單的分組討論與發(fā)言,也包括需要花費(fèi)較多課下時間的開放式問題研究。在筆者的課堂教學(xué)中,安排了約三分之一的課時用于研討、案例分析、開放式問題研究結(jié)果匯報等由學(xué)生作為主導(dǎo)角色的活動。教師作為引導(dǎo)者,在這些活動中為學(xué)生提供指導(dǎo)與建議,并掌控教學(xué)活動的秩序與進(jìn)程。這些學(xué)習(xí)任務(wù)的種類多樣,形式靈活,以讓學(xué)生高效地掌握課程知識點(diǎn)為原則,同時注重訓(xùn)練學(xué)生運(yùn)用知識解決實(shí)際工程問題的能力。

例如,在講解純物質(zhì)的三維相圖時,筆者設(shè)計了一個基于剪紙的,可以由學(xué)生自己在課前動手制作的三維相圖模型。在課堂教學(xué)中,與傳統(tǒng)方法不同,教師不直接對內(nèi)容進(jìn)行講授,而是要求學(xué)生對模型進(jìn)行觀察,主動總結(jié)出三維相圖上各區(qū)域?qū)?yīng)的相態(tài)以及各點(diǎn)、線、面對應(yīng)的意義,啟發(fā)學(xué)生觀察在臨界點(diǎn)附近,純物質(zhì)的相態(tài)和溫度、壓力、體積的變化關(guān)系,最后再由教師進(jìn)行總結(jié),提出超臨界的概念。

第二個例子是在講解純物質(zhì)與混合物的熱力學(xué)性質(zhì)時,不可避免會涉及大量的計算公式。在傳統(tǒng)的教學(xué)中,要求學(xué)生去記憶這些公式并不能讓學(xué)生學(xué)會如何在實(shí)際的工程計算中使用它們。在筆者的教學(xué)過程中,為學(xué)生設(shè)計了編制計算機(jī)程序求解物質(zhì)的熱力學(xué)性質(zhì)的任務(wù)?？紤]到化學(xué)工程專業(yè)學(xué)生的計算機(jī)編程能力有限,筆者為學(xué)生提供了求解程序的模板,包括圖形用戶界面和程序的總體架構(gòu)。學(xué)生只需要補(bǔ)充出程序中涉及熱力學(xué)計算的核心代碼,例如狀態(tài)方程或剩余性質(zhì)的求解函數(shù)即可讓程序運(yùn)行起來。這樣可以讓學(xué)生專注于熱力學(xué)課程的內(nèi)容,快速上手,通過實(shí)踐掌握熱力學(xué)的計算方法。這樣的設(shè)計可以在很大程度上避免學(xué)生由于不熟悉程序設(shè)計語言而產(chǎn)生無助感。此外,這個熱力學(xué)性質(zhì)計算程序的編制任務(wù)貫穿整個課程。在分別講授到狀態(tài)方程、剩余性質(zhì)、逸度、活度時,會要求學(xué)生不斷迭代,增加程序的功能。這樣能更好地讓學(xué)生掌握熱力學(xué)中各知識點(diǎn)之間的邏輯關(guān)系。

第三個例子是,在講解過程熱力學(xué)分析時,除了讓學(xué)生了解有效能等基本概念,筆者認(rèn)為更重要的是能讓學(xué)生掌握解決實(shí)際問題的能力。因此,筆者在教學(xué)過程中引入了案例分析。這些案例來自于真實(shí)的化工過程,其相關(guān)數(shù)據(jù)可從文獻(xiàn)報道中獲取。在必要時可以對過程進(jìn)行適度簡化,以適應(yīng)教學(xué)的要求。學(xué)生被要求對這些工藝過程進(jìn)行分析,計算有效能效率等關(guān)鍵指標(biāo)。對于有能力的學(xué)生,更可以進(jìn)一步提高要求,引導(dǎo)他們提出節(jié)能增效的方案,從而得到開放式的答案。這樣的案例分析被以分組大作業(yè)的形式布置給學(xué)生,并要求學(xué)生以口頭報告的形式匯報完成的情況。

2.3 因材施教，適應(yīng)不同學(xué)生的學(xué)情

如前所述的教學(xué)模式在教學(xué)實(shí)踐中并不是固定不變的,而是根據(jù)學(xué)生的情況可以靈活掌握。由于化工熱力學(xué)課程內(nèi)容本身難度較大,且學(xué)生對先修課程高等數(shù)學(xué)及物理化學(xué)的掌握情況也有較大差異,在教學(xué)過程中必須注意對學(xué)習(xí)出現(xiàn)困難的學(xué)生的幫助。在筆者的教學(xué)實(shí)踐中,由于有微課課后練習(xí)及課堂討論等環(huán)節(jié),可以在教學(xué)過程中較早地發(fā)現(xiàn)問題并采取相應(yīng)的措施。針對部分學(xué)生基礎(chǔ)較為薄弱的情況,筆者制作了一系列額外的微課視頻,用以復(fù)習(xí)熱力學(xué)課程中所涉及的多元微積分和物理化學(xué)的知識,供有需要的學(xué)生觀看。此外,教師可以通過組織學(xué)習(xí)小組的方式,鼓勵學(xué)生之間的相互交流,形成一種督促機(jī)制[4]。對于確實(shí)沒有能力完成編寫程序、案例分析等學(xué)習(xí)任務(wù)的學(xué)生,也可以用完成傳統(tǒng)的作業(yè)或讀書報告的形式來代替。

3 課程評價體系的多樣化

傳統(tǒng)教學(xué)模式中往往側(cè)重于考試的成績,但僅通過期末或期中考試并不能非常準(zhǔn)確地衡量學(xué)生應(yīng)用知識解決實(shí)際工程問題的能力。因此筆者在教學(xué)實(shí)踐中,充分考慮了如何評價學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。同時,筆者也考慮了如何通過分?jǐn)?shù)評定的方法引導(dǎo)學(xué)生在整個學(xué)習(xí)過程中積極專鉆,主動學(xué)習(xí),而不是僅僅在期末時為了考試分?jǐn)?shù)而突擊學(xué)習(xí)。

在筆者目前的教學(xué)實(shí)踐中,課程參與、作業(yè)與案例、期末考試三個環(huán)節(jié)各自對應(yīng)的成績比例為30%、40%與30%。詳細(xì)的成績比例及評定方式如表1所示。

表1 課程分?jǐn)?shù)的構(gòu)成與評價方式Table 1 The structure and percentage of each contribution of course scores

其中課程參與包括觀看微課視頻與在線上完成練習(xí),在線下課堂上參與討論等環(huán)節(jié)。只要學(xué)生完成了這些環(huán)節(jié),均可以得到相應(yīng)的分?jǐn)?shù)。作業(yè)與案例分析的分?jǐn)?shù)評定主要由教師來完成,但學(xué)生在課堂上作口頭匯報的環(huán)節(jié)由教師與學(xué)生共同打分。由于我們在案例分析任務(wù)中著重于培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力,評分的標(biāo)準(zhǔn)不是看學(xué)生是否得到了所謂 “正確”的結(jié)果,而是看學(xué)生是否對問題開展了認(rèn)真細(xì)致的分析與研究,是否掌握了主動運(yùn)用知識的能力。

4 結(jié) 語

化工熱力學(xué)是化學(xué)工程專業(yè)的核心課程,其課程目標(biāo)在于讓學(xué)生真正具備利用熱力學(xué)知識解決實(shí)際工程問題的能力。而這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)在傳統(tǒng)的、以教師單向灌輸為主的教學(xué)模式下是具有一定難度的。筆者在教學(xué)模式上的探索正是為了解決這一矛盾,這也是符合目前工程教育專業(yè)認(rèn)證背景下以目標(biāo)為導(dǎo)向的教育理念的[5]。由于熱力學(xué)的知識貫穿于化工專業(yè)的其它核心課程,如反應(yīng)工程、分離工程、化工設(shè)計等,如果在教學(xué)中能夠設(shè)計需要綜合運(yùn)用多門課程的知識的案例,會更有效地培養(yǎng)學(xué)生的工程能力,因此這也是筆者在今后的教學(xué)研究中的探索方向。