以精餾為例的化工原理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)設(shè)計(jì)

李朝艷，曹 原

(南陽理工學(xué)院生物與化學(xué)工程學(xué)院，河南 南陽 473004)

化工原理實(shí)驗(yàn)的主要內(nèi)容是單元操作的設(shè)備原理和設(shè)備操作，是為了學(xué)生能夠處理工程問題而開設(shè)的一門實(shí)踐性課程。通過化工原理實(shí)驗(yàn)，可以培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)能力、 動手實(shí)踐能力以及發(fā)散思維的創(chuàng)新能力, 并且能夠提高學(xué)生解決實(shí)際問題的能力，讓學(xué)生學(xué)會用基本的理論知識去分析和解決化工生產(chǎn)過程中的工程問題。因此，化工原理實(shí)驗(yàn)課與理論課具有同等重要的教學(xué)地位。

自2007年翻轉(zhuǎn)課堂這種教學(xué)模式興起后，國內(nèi)和國外的教育工作者都對此產(chǎn)生了巨大的興趣?！胺D(zhuǎn)課堂”又被稱為“反向教學(xué)”“顛倒課堂”，是一種通過對知識傳授和知識內(nèi)化的顛倒安排，改變傳統(tǒng)教學(xué)中的師生角色并對課堂時間進(jìn)行重新規(guī)劃的新型教學(xué)模式。[1]翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式，將傳統(tǒng)的“上課聽講-課后復(fù)習(xí)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤罢n前自習(xí)-課堂集中，教師點(diǎn)評-課后完善”的教學(xué)策略。根據(jù)不同的教學(xué)內(nèi)容，“翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)模式的實(shí)施有所區(qū)別，但基本都可參照圖1所示的模式進(jìn)行。

圖1 翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式的實(shí)施方法Fig.1 Implementation Plan of reverse teaching

本校大綱規(guī)定化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)有16個課時，要求所選的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目涵蓋大綱要求的重要知識點(diǎn)。因此，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的選擇至關(guān)重要。本校化工原理實(shí)驗(yàn)室可開設(shè)的實(shí)驗(yàn)包括10個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，列于表1中。

表1 化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目Table 1 Experimental project in chemical engineering principle

表1中每一個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目相對獨(dú)立，各實(shí)驗(yàn)均有其考查點(diǎn)，符合人才培養(yǎng)目標(biāo)的要求，又涵蓋了大綱要求的知識點(diǎn)，設(shè)置合理。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)置循序漸進(jìn)，形成了連貫的教學(xué)過程。實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要是比較經(jīng)典的天津大學(xué)的化工原理設(shè)備，能圓滿的完成培養(yǎng)學(xué)生動手能力，工程實(shí)踐能力的要求。

基于課時的限制以及實(shí)驗(yàn)的難易程度，表1實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中帶“*”的為選做的演示實(shí)驗(yàn)，而另外一些作為必做項(xiàng)目。演示實(shí)驗(yàn)為難度較小、涉及基本知識點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，因此，這些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目都由學(xué)生自主學(xué)習(xí)和操作，教師負(fù)責(zé)答疑，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評價，并給出指導(dǎo)性建議。對于難度較大的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，實(shí)驗(yàn)教師應(yīng)多給予課前指導(dǎo)，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)方案及操作步驟的審查，并可通過設(shè)置課前討論環(huán)節(jié)，掌握學(xué)生對每個步驟的理解。在實(shí)驗(yàn)過程中，也應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)管，對取得的數(shù)據(jù)進(jìn)行及時的分析以盡快取得新的實(shí)驗(yàn)方案。課后要及時對實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行解答和討論。即“實(shí)驗(yàn)難度決定翻轉(zhuǎn)程度”。

1 “精餾實(shí)驗(yàn)”教學(xué)方案設(shè)計(jì)

1.1 教學(xué)內(nèi)容分析

精餾實(shí)驗(yàn)是基于《化工原理》中“精餾”和“氣液傳質(zhì)設(shè)備”這兩章開設(shè)的一個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。精餾實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容包括：精餾的設(shè)備、原理、操作流程、數(shù)據(jù)處理方法。精餾所用的設(shè)備即精餾塔，是工廠中用于分離液體混合物的一種塔設(shè)備。關(guān)于塔設(shè)備，因?yàn)橛星懊妗袄淠に菔緦?shí)驗(yàn)”作為基礎(chǔ)，已經(jīng)學(xué)習(xí)了塔設(shè)備內(nèi)各部分組件的形式以及作用，不同類型塔板、板面設(shè)置、降液管等的選擇、氣液不同接觸狀態(tài)等相關(guān)內(nèi)容，所以，本次實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的重點(diǎn)在于精餾分離的原理和操作流程，以及數(shù)據(jù)處理方法。

1.2 教學(xué)目標(biāo)分析

精餾是工業(yè)生產(chǎn)中非常常用的一種均相混合物的分離方法。大綱要求的精餾實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目標(biāo)為：了解精餾裝置的基本流程及篩板精餾塔的結(jié)構(gòu)；熟悉精餾操作方法，學(xué)會正確處理各種異常情況；用作圖法確定精餾塔全回流與部分回流時理論板數(shù)，并計(jì)算出全塔效率(或單板效率)[3]。這三個教學(xué)目標(biāo)涉及到了基本的教學(xué)內(nèi)容要求，比如設(shè)備的結(jié)構(gòu)、流程、操作方法、數(shù)據(jù)處理方法。還涉及了高級的要求，即正確處理異常情況，這就要求學(xué)生能具備過程調(diào)節(jié)能力。即對于精餾實(shí)驗(yàn)來講，我們的基本教學(xué)目標(biāo)是：通過本次實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生結(jié)合理論知識掌握基本的實(shí)驗(yàn)操作技能，還應(yīng)該在此基礎(chǔ)上具有過程調(diào)節(jié)和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的能力。

實(shí)際上，我們的實(shí)驗(yàn)設(shè)備就是工廠實(shí)際設(shè)備的縮小版。通過實(shí)驗(yàn)，不僅可以達(dá)到掌握基本教學(xué)內(nèi)容的要求，更重要的是能增加學(xué)生的感性認(rèn)識，非常有助于學(xué)生擴(kuò)展自己的思維，引發(fā)學(xué)生對知識的渴求以及探索的欲望。因此，我們的教學(xué)目標(biāo)不能僅僅局限于基本的教學(xué)要求，要引導(dǎo)學(xué)生發(fā)散思維，去思考更深遠(yuǎn)的問題。比如更進(jìn)一步的達(dá)到過程設(shè)計(jì)開發(fā)和設(shè)備的設(shè)計(jì)改造的能力。

1.3 學(xué)情分析

“以學(xué)習(xí)者發(fā)展為中心”的教育理念是國家教育改革規(guī)劃的要求，也是工程教育專業(yè)認(rèn)證的核心理念[4]。因此教師在進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)時，必須首先要熟悉學(xué)習(xí)者的情況。只有熟悉了學(xué)習(xí)者的情況，才能夠有的放矢的真正做到因材施教，更容易達(dá)到我們的教學(xué)目的。2018春季的化工原理實(shí)驗(yàn)課程開設(shè)班級為2015級化學(xué)工程、應(yīng)用化學(xué)、生物工程和食品工程的學(xué)生，均為大三學(xué)生。因此學(xué)生具有如下特點(diǎn)。

(1)知識基礎(chǔ)

在本門課程之前，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了《高等數(shù)學(xué)》、《大學(xué)物理》、《物理化學(xué)》這三門基礎(chǔ)課，具備了學(xué)習(xí)本門課程的基礎(chǔ)。而且，在開設(shè)實(shí)驗(yàn)課程這一個學(xué)年，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了《化工原理》理論課程，并且，正在開展《化工仿真實(shí)訓(xùn)》。因此，在此時開設(shè)化工原理實(shí)驗(yàn)，可以加強(qiáng)學(xué)生對理論知識的理解和認(rèn)識，并能將理論和實(shí)踐相結(jié)合，強(qiáng)化工程實(shí)踐能力。

(2)學(xué)生學(xué)習(xí)層次分析

從前期的知識基礎(chǔ)可以看出學(xué)習(xí)對學(xué)習(xí)本門實(shí)驗(yàn)課程的知識儲備。下一步，需要對學(xué)生對課程的掌握情況進(jìn)行分析，以便進(jìn)一步了解學(xué)生和下一步的分組實(shí)驗(yàn)。

以15級應(yīng)化合作班為例，全班共20名學(xué)生，在上冊的《化工原理》理論課考試中，進(jìn)行成績分析如表2所示。

表2 15應(yīng)化合作班成績分析Table 2 Performance analysis of 2015 cooperative class

在實(shí)驗(yàn)分組時，就需要考慮理論課的成績，每組都要保證既有成績好一些的同學(xué)也有差一些的同學(xué)。這樣在前期實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備到后期成績考查及討論中將每一位同學(xué)分配不同的任務(wù)，擔(dān)任不同的角色，才能做到優(yōu)勢互補(bǔ)，并能培養(yǎng)同學(xué)的團(tuán)隊(duì)合作精神。精餾實(shí)驗(yàn)中，我們將20人分為4個小組，分組情況如表3所示。

表3 實(shí)驗(yàn)分組Table 3 Experimental group

這種分組，是在實(shí)驗(yàn)初期根據(jù)理論課的成績分析進(jìn)行的，有其局限性。因此在實(shí)驗(yàn)過程中，實(shí)驗(yàn)老師會根據(jù)實(shí)際表現(xiàn)情況，進(jìn)行組別調(diào)整，以達(dá)到最佳學(xué)習(xí)效果。

(3)學(xué)習(xí)風(fēng)格分析

應(yīng)化合作班人數(shù)較少，但是班級氣氛非?；钴S。針對這樣的情況，采用翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)策略，可以有效的調(diào)動學(xué)生的積極性，讓學(xué)生自己動手，既可以滿足他們的動手積極性，又可以讓他們及時認(rèn)識到自身存在的不足。教師在此過程中，要及時監(jiān)控，以便學(xué)生能及時發(fā)現(xiàn)問題。

1.4 課前準(zhǔn)備

翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式，要求學(xué)生在課前要做好自習(xí)，這就要求教師要精心選擇有效資源提供給學(xué)生，以便于學(xué)生做好自習(xí)。精餾實(shí)驗(yàn)的動畫演示可以通過網(wǎng)絡(luò)平臺，比如微信群、QQ群發(fā)給學(xué)生，并配套相關(guān)的裝置操作的書面版本。另外，相關(guān)實(shí)驗(yàn)?zāi)康募霸砗蛿?shù)據(jù)處理提供書面版本給學(xué)生[2]。

圖2 精餾動畫演示Fig.2 Distillation animation demo

在課前準(zhǔn)備階段，教師在準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)前給出預(yù)習(xí)目的、相關(guān)問題設(shè)置，并提供視頻等資源，學(xué)生預(yù)習(xí)。精餾實(shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí)任務(wù)和問題設(shè)置列在圖4中，實(shí)驗(yàn)任務(wù)分為3各方面，問題設(shè)置分為四個層次。從第一個層次的基本知識設(shè)置，層層遞進(jìn)，到難度逐漸增大的綜合知識和設(shè)計(jì)性問題設(shè)置，最后是設(shè)備的改造設(shè)計(jì)。在預(yù)習(xí)過程中，學(xué)生遇到的問題可向老師反饋，教師給出解答。實(shí)驗(yàn)前三天，可組織學(xué)生進(jìn)行關(guān)于實(shí)驗(yàn)原理、操作等的問題大討論，并進(jìn)行總結(jié)。實(shí)驗(yàn)前一天，對照實(shí)驗(yàn)前的教師給出的問題檢查實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)效果。具體實(shí)施方法如圖3所示。

圖3 課前準(zhǔn)備流程Fig.3 Prepare steps before class

圖4 精餾實(shí)驗(yàn)任務(wù)及問題設(shè)置Fig.4 Task and problem setting of distillation experiment

實(shí)驗(yàn)前一天的問題反饋至關(guān)重要，是影響第二天實(shí)驗(yàn)好壞的關(guān)鍵，因此教師應(yīng)進(jìn)入每個小組，對每一位同學(xué)的討論發(fā)言做出反應(yīng)，并且針對既定的評價標(biāo)準(zhǔn)對小組成員的課前活動進(jìn)行評價。

表4 課前預(yù)習(xí)情況評價體系Table 4 Evaluation system of pre-class preview

1.5 教學(xué)過程

“翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)模式的實(shí)施是采用了“課前自學(xué)+課堂交流內(nèi)化”的教學(xué)形式，即“先學(xué)后教”。學(xué)生自學(xué)的過程有助于發(fā)現(xiàn)問題，教師對課前活動監(jiān)管及時，能解決一部分疑難問題。課堂上從接觸實(shí)驗(yàn)設(shè)備那一刻開始，學(xué)生開始將自己前期的自學(xué)知識用于實(shí)驗(yàn)操作，這個銜接必須做好，才能將自學(xué)知識用于實(shí)踐，達(dá)到知識的內(nèi)在轉(zhuǎn)化。在這個過程中，教師要及時引導(dǎo)，隨時答疑，安全監(jiān)管并提供技術(shù)指導(dǎo)，最后，要對學(xué)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行預(yù)估。另外，對于問題設(shè)置中綜合問題和設(shè)計(jì)性問題做了深入思考的同學(xué)，應(yīng)鼓勵嘗試，鼓勵學(xué)生參加化工原理實(shí)驗(yàn)大賽和化工設(shè)計(jì)大賽等對知識好能力要求較高的學(xué)科競賽。具體實(shí)施方案如表5所示。

表5 課堂教學(xué)實(shí)施方案Table 5 Implementation plan of classroom teaching

圖5 實(shí)驗(yàn)設(shè)備認(rèn)識及故障設(shè)置Fig.5 Understanding and fault setting of experimental equipment

表6 課堂實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)評價體系Table 6 Evaluation system of classroom experiment performance

實(shí)驗(yàn)過程中，教師主要起到引導(dǎo)和監(jiān)管的作用，并需要及時為學(xué)生答疑，參與到學(xué)生討論中。在課堂上的每一個環(huán)節(jié)中，都要做到及時交流，以保證實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行、理論知識和實(shí)踐的貫通。對于課堂上學(xué)生的表現(xiàn)情況，也要做好記錄，及時進(jìn)行評價。

1.6 課后鞏固

課堂實(shí)驗(yàn)過程結(jié)束后，學(xué)生需要對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和計(jì)算，寫出實(shí)驗(yàn)報告。對于實(shí)驗(yàn)過程有問題遺留的同學(xué)，師生在網(wǎng)絡(luò)平臺上應(yīng)繼續(xù)交流討論，及時答疑。對于實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)問題比較多的地方也應(yīng)集中輔導(dǎo)解惑。最終的課后鞏固情況的成績評價由表7所示部分構(gòu)成。

表7 課后鞏固情況評價體系Table 7 Consolidate the evaluation system after class

對于實(shí)驗(yàn)參與積極性高，實(shí)驗(yàn)整體完成程度好的同學(xué)，可給出額外加分。以鼓勵學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

2 “翻轉(zhuǎn)課堂”的教學(xué)效果

將“翻轉(zhuǎn)課堂”用于化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，取得了一定的教學(xué)效果。

(1)化工原理實(shí)驗(yàn)設(shè)備得到了有效的利用。以前的化工原理實(shí)驗(yàn)時間是由老師定好的時間，采用“翻轉(zhuǎn)課堂”的教學(xué)模式后，哪一組學(xué)生預(yù)習(xí)功課做好了就可以申請進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，因此實(shí)驗(yàn)時間比較靈活，只要教師和學(xué)生時間能夠吻合上就可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，不必非得把實(shí)驗(yàn)排在某一天。這樣，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)環(huán)境比較寬松，老師也會更集中精力進(jìn)行指導(dǎo)，師生交流起來更加輕松，效果自然會更好。

(2)可以培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)精神，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性。每一個化工原理實(shí)驗(yàn)都是由5～8人一個小組進(jìn)行的，每一組的人員在分組之前都是由教師經(jīng)過成績分析等綜合因素決定的，所以，知識儲備有差異，性格上也存在差異。一些基礎(chǔ)知識掌握的比較牢固的同學(xué)就更適合做一些創(chuàng)造性的工作，而一些同學(xué)適合做一些增強(qiáng)認(rèn)知性的工作。在平時的提問及答疑階段，教師也兼顧了不同學(xué)生的知識掌握情況，對學(xué)生多多進(jìn)行鼓勵，增強(qiáng)學(xué)生信心，激發(fā)學(xué)習(xí)熱情。學(xué)生認(rèn)識到自身的優(yōu)勢，才能愿意學(xué)習(xí)他人的優(yōu)點(diǎn)，積極投入到小組實(shí)驗(yàn)活動中。

(3)避免了實(shí)驗(yàn)報告“千人一面”的情況。以往的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程是老師講，學(xué)生聽，老師講原理、講操作、講注意事項(xiàng)、講數(shù)據(jù)處理，最終還要進(jìn)行示范實(shí)驗(yàn)。學(xué)生聽完沒有任何思考，直接跟著老師的步驟做，做完實(shí)驗(yàn)也不知道做的是什么。實(shí)驗(yàn)報告也是一個班一組數(shù)據(jù)，處理結(jié)果也完全一樣?！胺D(zhuǎn)課堂”的引入，讓學(xué)生充分自學(xué)，投入了大量的精力，自然在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后對自己親自取得的實(shí)驗(yàn)成果充滿了驕傲，也就愿意花精力去進(jìn)行數(shù)據(jù)的整理和處理。

(4)考核方式更合理。教師在實(shí)驗(yàn)前、實(shí)驗(yàn)中和實(shí)驗(yàn)后都制定了嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)考核標(biāo)準(zhǔn)，為了對照考核標(biāo)準(zhǔn)給出實(shí)驗(yàn)成績，教師會跟學(xué)生做更多的交流，以便及時掌握學(xué)生情況，給出合理的成績。因?yàn)楦鱾€環(huán)節(jié)的成績很透明，也使得學(xué)生在整個過程中懶散的情況變少了，參與程度很高，能嚴(yán)肅地對待每一個環(huán)節(jié)的成績。

3 教學(xué)反思

一次實(shí)驗(yàn)教學(xué)的任務(wù)完成并不是學(xué)習(xí)任務(wù)的結(jié)束，課后我們也進(jìn)行了積極的反思，對這種教學(xué)方式中存在的問題進(jìn)行了總結(jié)。首先，“翻轉(zhuǎn)課堂”要求有大量的學(xué)生自學(xué)內(nèi)容，這部分內(nèi)容名義上是學(xué)生自學(xué)，實(shí)際上教師的參與程度也是非常高的。教師要給大家準(zhǔn)備充分的學(xué)習(xí)資料，測試資料，列出明確而細(xì)致的學(xué)習(xí)任務(wù)，并要及時答疑和參與討論，這些事情繁雜瑣碎而且工作量巨大,但是可致進(jìn)一步提高教師教學(xué)能力和效率，這已經(jīng)成為教育工作者必須要面對的現(xiàn)實(shí)問題[5]。其次，學(xué)生自學(xué)需要條件，比如電腦和網(wǎng)絡(luò)資源。這些外在條件使得有些同學(xué)更容易方便的提出自己的問題，得到解答，而另一些同學(xué)因?yàn)闂l件的限制不太方便隨時提問得到自己想要的答案。此外，學(xué)生預(yù)習(xí)情況直接決定了實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行的好壞。由于預(yù)習(xí)條件等導(dǎo)致的積極性不高很容易使課堂不能順利進(jìn)行。從而使得預(yù)習(xí)情況和課堂教學(xué)的銜接問題變得異常重要。

4 結(jié) 語

將“翻轉(zhuǎn)課堂”用于化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，取得了一定的成績，也存在一些欠缺。需要教師和學(xué)生共同努力，進(jìn)一步探索，找到適合化工原理實(shí)驗(yàn)這類工程實(shí)踐類課程教學(xué)的最佳教學(xué)模式。