基于問題鏈設(shè)計(jì)的“化工過程分析與合成”教學(xué)探索與實(shí)踐

晉 梅，鄒琳玲，吳宇瓊，劉紅姣，安 良

（1.江漢大學(xué)光電材料與技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430056；2.江漢大學(xué)智能制造學(xué)院，湖北 武漢 430056）

“化工過程分析與合成”是化工專業(yè)的一門專業(yè)核心課，涉及化學(xué)工程、化學(xué)工藝和技術(shù)經(jīng)濟(jì)等多學(xué)科領(lǐng)域。結(jié)合工程教育專業(yè)認(rèn)證，課程教學(xué)目標(biāo)主要有三個(gè)[1]：第一，在掌握基本概念的基礎(chǔ)上，對化工過程系統(tǒng)建立相應(yīng)的結(jié)構(gòu)模型與數(shù)學(xué)模型；第二，在最優(yōu)化目標(biāo)下，對換熱網(wǎng)絡(luò)和分離序列方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；第三，采用化工模擬軟件對某一具體生產(chǎn)過程進(jìn)行模擬與優(yōu)化，并經(jīng)此過程了解現(xiàn)代工具在化工設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢及局限性。另外，“化工過程分析與合成”作為專業(yè)核心課，還承擔(dān)對學(xué)生工程邏輯思維能力和解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)。

問題鏈教學(xué)模式是以具有一系列邏輯關(guān)系的問題為紐帶，以課程目標(biāo)和學(xué)生能力培養(yǎng)目標(biāo)為主線，以師生互動(dòng)合作為基本形式的一種新型教學(xué)模式[2-3]。在教學(xué)中，按照課程教學(xué)目標(biāo)和學(xué)生能力培養(yǎng)目標(biāo)，將課程教學(xué)內(nèi)容分解為若干知識(shí)點(diǎn)，在“教師提出問題”→“學(xué)生回答問題”環(huán)節(jié)中，形成教師“教”與學(xué)生“學(xué)”互動(dòng)模式，提高學(xué)生課堂教學(xué)參與度，鍛煉學(xué)生分析問題和解決問題的能力。同時(shí)，還通過不同類型問題鏈的設(shè)計(jì)，在學(xué)生掌握知識(shí)的過程中，提升學(xué)生的辯證思維能力和創(chuàng)造性思維能力。

1 問題鏈教學(xué)模式設(shè)計(jì)思路

1.1 問題鏈設(shè)計(jì)原則

為了更好地開展教學(xué)，問題鏈的設(shè)計(jì)應(yīng)把握四條原則[4]：第一，問題鏈中的問題應(yīng)滿足“好問題”標(biāo)準(zhǔn)，即一方面符合學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展水平，激發(fā)和調(diào)動(dòng)學(xué)生的探究意識(shí)，另一方面關(guān)注教學(xué)內(nèi)容的重點(diǎn)和難點(diǎn)，并貫穿教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成；第二，問題范圍涵蓋教學(xué)目標(biāo)和能力培養(yǎng)目標(biāo)兩方面，避免出現(xiàn)盲區(qū)；第三，問題鏈由一系列具有層層遞進(jìn)關(guān)系的邏輯性問題組成，即具有“由易到難、由淺到深、由此及彼”的特點(diǎn)，有利于培養(yǎng)學(xué)生的自主探究能力和工程邏輯思維能力；第四，問題鏈具有引申性，可提升學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。

1.2 問題鏈設(shè)計(jì)核心

課程教學(xué)目標(biāo)和學(xué)生能力訓(xùn)練目標(biāo)是否達(dá)成，與問題鏈中“鏈”的設(shè)計(jì)有很大關(guān)系。換句話說，“鏈”的邏輯遞進(jìn)關(guān)系是問題鏈設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。一個(gè)好的問題鏈中所設(shè)計(jì)的問題應(yīng)滿足“What（是何）-Why（為何）-How（如何）”關(guān)系，即問題鏈分為基礎(chǔ)性問題鏈、探究性問題鏈和引申性問題鏈。基礎(chǔ)性問題鏈主要涉及“What”問題，該類問題可幫助學(xué)生為后續(xù)知識(shí)的學(xué)習(xí)夯實(shí)理論基礎(chǔ)；探究性問題主要涉及“Why”的問題，該類問題可使學(xué)生對知識(shí)點(diǎn)的認(rèn)識(shí)和理解更加具體化和明晰化，可潛移默化地引導(dǎo)學(xué)生分析問題和解決問題，培養(yǎng)學(xué)生工程邏輯思維能力；引申性問題主要涉及“How”的問題，該類問題可培養(yǎng)學(xué)生理論知識(shí)的應(yīng)用能力及解決復(fù)雜工程問題的能力。

2 問題鏈教學(xué)模式的探索與實(shí)踐

根據(jù)問題鏈設(shè)計(jì)原則及層層遞進(jìn)邏輯關(guān)系，在“化工過程分析與合成”課程中采用問題鏈教學(xué)方法。教學(xué)中，基礎(chǔ)性問題鏈通過導(dǎo)學(xué)型問題鏈激發(fā)學(xué)生對知識(shí)體系的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)動(dòng)力；探究性問題鏈通過驅(qū)動(dòng)型問題鏈、遷移型問題鏈、歸納型問題鏈引導(dǎo)學(xué)生建立工程邏輯思維，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力；引申性問題鏈通過拓展型問題鏈引導(dǎo)學(xué)生提升解決復(fù)雜工程問題的能力。

2.1 導(dǎo)學(xué)型問題鏈

導(dǎo)學(xué)型問題鏈一般由前期所學(xué)知識(shí)相關(guān)的問題組成，其目的：一方面，可讓學(xué)生了解新知識(shí)和已學(xué)知識(shí)間的邏輯關(guān)系；另一方面，學(xué)生有前期所學(xué)知識(shí)的基礎(chǔ)，可打消學(xué)生對新知識(shí)學(xué)習(xí)的畏難情緒。圖1為“化工過程系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模擬”知識(shí)點(diǎn)的導(dǎo)學(xué)型問題鏈。

圖1 “化工過程系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模擬”導(dǎo)學(xué)型問題鏈的設(shè)計(jì)

從圖1可見，設(shè)計(jì)兩個(gè)概念性的導(dǎo)學(xué)型問題鏈可深刻把握“化工過程系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模擬”知識(shí)點(diǎn)的內(nèi)涵?；凇盎み^程系統(tǒng)”的概念性導(dǎo)學(xué)型問題鏈，主要從前期所學(xué)基本概念出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生對過程系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)表達(dá)并建立過程系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型表達(dá)?；凇胺€(wěn)態(tài)模擬方法”的概念性導(dǎo)學(xué)型問題鏈，則從“數(shù)學(xué)模型”概念和類型出發(fā)，通過探討模型和模擬之間的關(guān)系，引導(dǎo)學(xué)生掌握“穩(wěn)態(tài)模擬方法”的內(nèi)涵。通過導(dǎo)學(xué)型問題鏈將“化工過程系統(tǒng)”和“穩(wěn)態(tài)模擬”兩個(gè)概念有機(jī)融合，引導(dǎo)學(xué)生把握“化工過程系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模擬”內(nèi)涵。

2.2 驅(qū)動(dòng)型問題鏈

驅(qū)動(dòng)型問題鏈以教學(xué)任務(wù)為目標(biāo)，結(jié)合學(xué)情狀況，通過層層遞進(jìn)邏輯關(guān)系問題鏈，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，促使學(xué)生明晰知識(shí)點(diǎn)間的邏輯關(guān)系，培養(yǎng)學(xué)生的工程邏輯思維能力。圖2 為“序貫?zāi)K法”教學(xué)中“What-Why-How”驅(qū)動(dòng)型問題鏈，其中，“What”為知識(shí)點(diǎn)的基本問題，可夯實(shí)該知識(shí)點(diǎn)的理論基礎(chǔ)；“Why”為探究性問題，可深刻把握知識(shí)點(diǎn)的內(nèi)涵；“How”為拓展性問題，可強(qiáng)化學(xué)生“學(xué)以致用”能力，并通過獨(dú)立思考，形成自己的觀點(diǎn)和看法。在三類問題中，“How”驅(qū)動(dòng)型問題鏈設(shè)計(jì)最能激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新性思維。

圖2 “序貫?zāi)K法”中驅(qū)動(dòng)型問題鏈的設(shè)計(jì)

2.3 遷移型問題鏈

遷移型思維是學(xué)生根據(jù)已獲得或者學(xué)習(xí)過的知識(shí)、思維方法，獲取新知識(shí)或新方法的一種思維能力訓(xùn)練。通過遷移型問題鏈，不僅可縱向關(guān)聯(lián)課程中其他知識(shí)點(diǎn)，而且可橫向拓展到其他課程或?qū)W科中的新知識(shí)。在學(xué)習(xí)“序貫?zāi)K法”基本概念、基本問題、基本思路、實(shí)施步驟以及優(yōu)缺點(diǎn)等基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)如圖3所示的“聯(lián)立方程法”學(xué)習(xí)遷移型問題鏈，將“序貫?zāi)K法”的學(xué)習(xí)思維方法用于“聯(lián)立方程法”的學(xué)習(xí)過程中，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，訓(xùn)練學(xué)生工程邏輯思維能力，并促進(jìn)學(xué)生能力培養(yǎng)目標(biāo)的達(dá)成。

圖3 “聯(lián)立方程法”中遷移型問題鏈的設(shè)計(jì)

2.4 思維導(dǎo)圖-歸納型問題鏈

歸納型問題鏈?zhǔn)菍⑺鶎W(xué)的碎片化知識(shí)進(jìn)行邏輯推演、歸納和提煉的一種總結(jié)式問題鏈。在課堂教學(xué)中，學(xué)生處于碎片化的學(xué)習(xí)過程，導(dǎo)致學(xué)生在解決復(fù)雜工程問題時(shí)，難以全面地、系統(tǒng)地、聯(lián)系地和客觀地看待和解決問題?！八季S導(dǎo)圖”是以可視化形式將碎片化的知識(shí)形成體系的一種教學(xué)模式[1]。教學(xué)中，可兼顧“歸納型問題鏈”和“思維導(dǎo)圖”的優(yōu)勢，通過“思維導(dǎo)圖-歸納型問題鏈”教學(xué)方法提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性，幫助學(xué)生理順知識(shí)點(diǎn)間的邏輯關(guān)系，樹立在解決復(fù)雜工程問題過程中的全局思維。圖4 為針對“過程系統(tǒng)的分解”知識(shí)點(diǎn)所提出的思維導(dǎo)圖-歸納型問題鏈的邏輯關(guān)系圖。

圖4 “過程系統(tǒng)的分解”中思維導(dǎo)圖-歸納型問題鏈的設(shè)計(jì)

2.5 拓展型問題鏈

圖5 上機(jī)實(shí)踐中拓展型問題鏈的設(shè)計(jì)

拓展型問題鏈的設(shè)計(jì)可不拘泥于課本教學(xué)內(nèi)容，往往通過該問題鏈的設(shè)計(jì)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。圖5 為結(jié)合上機(jī)實(shí)踐內(nèi)容設(shè)計(jì)的拓展性問題鏈。首先，在章節(jié)知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，掌握三種不同穩(wěn)態(tài)模擬方法在化工模擬軟件Aspen Plus、HYSYS、PROII中的應(yīng)用及三種方法之間的異同點(diǎn)，并通過查閱文獻(xiàn)，探討化工流程模擬軟件發(fā)展趨勢，形成自己的觀點(diǎn)和看法；其次，根據(jù)化工過程模擬步驟，結(jié)合本專業(yè)所學(xué)的其他核心課程，如“化學(xué)反應(yīng)工程”“化工原理”“化工工藝學(xué)”等，以某一化工生產(chǎn)過程為例，對Aspen Plus軟件的工程應(yīng)用進(jìn)行上機(jī)實(shí)踐，有效培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力并提升創(chuàng)新意識(shí)；最后，學(xué)生根據(jù)上機(jī)實(shí)踐操作，探討現(xiàn)代工具在化工學(xué)科發(fā)展中的必要性和局限性，并能針對局限性提出改進(jìn)思路，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力。

3 結(jié)束語

“化工過程分析與合成”是一門理論性和實(shí)踐性強(qiáng)的專業(yè)核心課，結(jié)合問題鏈設(shè)計(jì)原則和層層遞進(jìn)邏輯關(guān)系，在教學(xué)中采用問題鏈教學(xué)方法，以豐富課堂教學(xué)手段。在教學(xué)實(shí)踐中，根據(jù)知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)內(nèi)容，采用基礎(chǔ)性的導(dǎo)學(xué)型問題鏈、探究性的驅(qū)動(dòng)型問題鏈、遷移型問題鏈和歸納型問題鏈，以及引申性的拓展型問題鏈，通過“問-答”的互動(dòng)方式，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、積極性和主動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生工程思維邏輯能力和解決復(fù)雜工程問題的能力，促進(jìn)課程教學(xué)目標(biāo)和能力訓(xùn)練目標(biāo)的有效達(dá)成。