“互聯(lián)網(wǎng)+教學(xué)”助力工程化學(xué)教學(xué)新形態(tài)

王萃娟，蔣雅君，王懿萍，趙菊梅，王雅雯

（1.西南交通大學(xué)生命學(xué)院化學(xué)化工系，四川 成都 610031；2.西南交通大學(xué)土木學(xué)院，四川 成都 610031）

“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代是教育系統(tǒng)升級(jí)與變革發(fā)展階段的拐點(diǎn)，互聯(lián)網(wǎng)教育應(yīng)用從融合階段進(jìn)入到創(chuàng)新階段[1]。在這個(gè)階段，互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新成果與社會(huì)經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域深度融合推動(dòng)了各領(lǐng)域和傳統(tǒng)行業(yè)的變革與升級(jí)，其中包括“互聯(lián)網(wǎng)+教育”所引發(fā)的教育系統(tǒng)化變革[2]，教育大數(shù)據(jù)成為重要因素、教育技術(shù)環(huán)境創(chuàng)新、教育服務(wù)供給升級(jí)、課堂結(jié)構(gòu)與流程再造等等，這些變革加速了教學(xué)形態(tài)的變革，使新的教育形態(tài)正在形成。可見(jiàn)，“互聯(lián)網(wǎng)+教學(xué)”[3]不只是教學(xué)的數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化，而是基于育人目標(biāo)和教學(xué)規(guī)律，將互聯(lián)網(wǎng)思維、技術(shù)與環(huán)境等創(chuàng)新成果與教學(xué)各要素，包括教學(xué)思維、教學(xué)關(guān)系、教學(xué)結(jié)構(gòu)與過(guò)程互相滲透、深度交叉融合并超越，進(jìn)一步創(chuàng)新教學(xué)理念、增能教學(xué)元素、整合教學(xué)資源、開(kāi)放教學(xué)系統(tǒng)、構(gòu)造開(kāi)放、交叉、共享、和諧的教學(xué)生態(tài)環(huán)境、形成新型教學(xué)形態(tài)[4-5]。西南交通大學(xué)開(kāi)設(shè)的工程化學(xué)課程是我校工科專(zhuān)業(yè)新生接觸到的第一門(mén)公共基礎(chǔ)課，受眾面大。涉及材料、土木、機(jī)械、車(chē)輛、安全等專(zhuān)業(yè)七十多個(gè)自然班約2000余名學(xué)生。工程化學(xué)課程需要把握新工科內(nèi)涵，以持續(xù)改進(jìn)為理念，以交叉融合、繼承創(chuàng)新、協(xié)調(diào)共享為主要途徑，培養(yǎng)多元化、創(chuàng)新型卓越工科人才[6]。因此，工程化學(xué)教學(xué)改革不只是教學(xué)的網(wǎng)絡(luò)化與數(shù)字化，而是基于新工科教學(xué)本質(zhì)和育人目標(biāo)，將互聯(lián)網(wǎng)與教學(xué)過(guò)程互相滲透、深度交叉融合，加強(qiáng)知識(shí)間內(nèi)在聯(lián)系，整合重構(gòu)知識(shí)體系，形成開(kāi)放、交叉、共享、融合的工程化學(xué)教學(xué)新理念，探索交叉融合的教育教學(xué)資源建設(shè)方式和路徑，為進(jìn)一步深化“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下，工程化學(xué)新工科教育資源提供理論和實(shí)踐依據(jù)[7-8]。

1 存在問(wèn)題

工程化學(xué)課程面向全校工程工科專(zhuān)業(yè)，目前存在以下幾方面的問(wèn)題：

1.1 課程內(nèi)容多而學(xué)時(shí)少

如土木專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)的工程化學(xué)課程為2.5個(gè)學(xué)分，包含2個(gè)理論教學(xué)學(xué)分與0.5個(gè)實(shí)踐學(xué)分。工程化學(xué)理論教學(xué)內(nèi)容主要包括：熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、溶液、電化學(xué)與金屬防腐，化學(xué)和環(huán)境保護(hù)、化學(xué)與材料，物質(zhì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)7大板塊的內(nèi)容，實(shí)踐包括：電化學(xué)實(shí)驗(yàn)，水污染實(shí)驗(yàn)，熔點(diǎn)實(shí)驗(yàn)，焓變的測(cè)定等，需要掌握的知識(shí)內(nèi)容與需要提升的實(shí)際動(dòng)手操作實(shí)踐都比較多，也如何在有限的學(xué)分內(nèi)達(dá)到培養(yǎng)目標(biāo)，培養(yǎng)其專(zhuān)業(yè)素養(yǎng)，提升其創(chuàng)新能力，為今后專(zhuān)業(yè)課的學(xué)習(xí)以及個(gè)人綜合知識(shí)能力的提升打下良好的知識(shí)儲(chǔ)備與能力儲(chǔ)備，是本課程亟須解決的問(wèn)題之一。

1.2 教學(xué)中缺乏工程訓(xùn)練環(huán)節(jié)

傳統(tǒng)教學(xué)中的教育環(huán)節(jié)，教師根據(jù)實(shí)際教材進(jìn)行理論知識(shí)講解，教學(xué)環(huán)節(jié)中工程訓(xùn)練環(huán)節(jié)太少，故學(xué)生不能學(xué)以致用，更缺乏用批判性思維分析、研究、解決土木工程相關(guān)領(lǐng)域化學(xué)問(wèn)題的能力，因此很難達(dá)到新工科建設(shè)對(duì)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的要求[9]。

1.3 學(xué)生水平參差不齊

新高考改革之后，各省各地學(xué)生化學(xué)基礎(chǔ)、化學(xué)知識(shí)框架不盡相同，為了幫助上述學(xué)生克服大學(xué)工程化學(xué)知識(shí)銜接中的困難，如何在大學(xué)進(jìn)校的第一年塑造起后續(xù)土木等工科專(zhuān)業(yè)所需的工程化學(xué)知識(shí)儲(chǔ)備，探索合適的教學(xué)方式方法，并為之建立完善的學(xué)科交叉知識(shí)體系，也是本課程需要解決的問(wèn)題之一。

1.4 實(shí)踐環(huán)節(jié)不夠

如前面所描述，工程化學(xué)課程是實(shí)踐性較強(qiáng)的學(xué)科，實(shí)踐、實(shí)驗(yàn)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維，鍛煉動(dòng)手能力及其重要。而目前實(shí)踐教學(xué)中的許多問(wèn)題：有些實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容存在重復(fù)與交叉，缺乏系統(tǒng)性；有的實(shí)踐內(nèi)容與當(dāng)前的智能工藝相差較遠(yuǎn)，脫離了時(shí)代需求，無(wú)法達(dá)到培養(yǎng)創(chuàng)新型高級(jí)工程技術(shù)人才的需求。因此需要依據(jù)新工科需求，利用現(xiàn)代科技手段設(shè)置分層式，開(kāi)放式，探索性的實(shí)踐、實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，是目前需要解決的另外一個(gè)問(wèn)題。

2 研究設(shè)計(jì)

2.1 混合式教學(xué)模式助力工程化學(xué)模塊化教學(xué)

通過(guò)搭建網(wǎng)絡(luò)超星教學(xué)平臺(tái)，設(shè)計(jì)工程化學(xué)線上線下“混合式”教學(xué)模式，重新整合原有課程內(nèi)容,打破固定章節(jié)，實(shí)施知識(shí)內(nèi)容模塊化，將原有章節(jié)分為7大板塊知識(shí)：熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、溶液、電化學(xué)與金屬防腐，化學(xué)和環(huán)境保護(hù)，化學(xué)與材料，物質(zhì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。每個(gè)模塊都設(shè)計(jì)有課前預(yù)習(xí)任務(wù)點(diǎn)發(fā)放、課堂測(cè)試、搶答、投票互動(dòng)，課后學(xué)情反饋等環(huán)節(jié)，授課教師依據(jù)課程及專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)需要，靈活調(diào)度，使用，線上線下有機(jī)結(jié)合，合理設(shè)計(jì)，翻轉(zhuǎn)課堂，小組討論等，解決課程內(nèi)容多而學(xué)時(shí)少的問(wèn)題，讓學(xué)生做課堂的主人，引導(dǎo)學(xué)生達(dá)到知識(shí)結(jié)構(gòu)的塑造以及知識(shí)綜合創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

2.2 項(xiàng)目式課程

引入土木、機(jī)械等專(zhuān)業(yè)建立優(yōu)秀課程資源與講座，建立項(xiàng)目式課程體系，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的同時(shí)打破固定知識(shí)章節(jié)的教學(xué)，構(gòu)建交叉跨學(xué)科項(xiàng)目式課程，通過(guò)文獻(xiàn)檢索、項(xiàng)目任務(wù)派發(fā)，讓學(xué)生構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)，養(yǎng)成自主學(xué)習(xí)、設(shè)計(jì)的習(xí)慣并培養(yǎng)創(chuàng)造、創(chuàng)新能力。

針對(duì)土木專(zhuān)業(yè)，可以設(shè)計(jì)2～3個(gè)工程實(shí)際案例。提煉化學(xué)基礎(chǔ)理論中工程問(wèn)題模型，將理論知識(shí)沉浸并應(yīng)用在實(shí)際工程場(chǎng)景。如模擬跨海大橋設(shè)計(jì)與施工防腐中，水中鋼結(jié)構(gòu)的防腐中涉及的工程場(chǎng)景問(wèn)題，讓學(xué)生查找相關(guān)文獻(xiàn)資料，思考，分組討論并設(shè)計(jì)出解決實(shí)施方案，引導(dǎo)學(xué)生用環(huán)氧涂層工藝、外加電流陰極保護(hù)法等溶液、材料，電化學(xué)等綜合化學(xué)知識(shí)理論解決工程中的實(shí)際問(wèn)題。讓學(xué)生在解決工程實(shí)際問(wèn)題的過(guò)程中學(xué)到知識(shí)，感受自身創(chuàng)造的價(jià)值，激發(fā)專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)興趣和熱情。同時(shí)通過(guò)小組協(xié)作學(xué)習(xí)，互幫互助，不僅解決了學(xué)生水平參差不齊的問(wèn)題，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐意識(shí)以及解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力和團(tuán)隊(duì)合作精神。

2.3 設(shè)置梯度、創(chuàng)新場(chǎng)景實(shí)踐

結(jié)合虛擬仿真技術(shù)，開(kāi)發(fā)和建設(shè)系統(tǒng)性虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)課程體系。工程化學(xué)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)，可依據(jù)不同專(zhuān)業(yè)，設(shè)置不同的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容，通過(guò)科學(xué)系統(tǒng)化的設(shè)計(jì)與升級(jí)，建立一套適應(yīng)不同專(zhuān)業(yè)的分層、逐級(jí)遞升、挑戰(zhàn)性的虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)體系。打破原有學(xué)分固定、實(shí)驗(yàn)固定制的學(xué)習(xí)模式，設(shè)置部分自選性、挑戰(zhàn)性、探索性實(shí)驗(yàn)?？梢葬槍?duì)不同專(zhuān)業(yè)，設(shè)置如滴定操作、熔點(diǎn)測(cè)定、水污染測(cè)定等部分自選實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，可依據(jù)自身專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)特色、興趣等進(jìn)行選做；對(duì)部分高危、易制毒驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，可用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)代替；同時(shí)對(duì)電化學(xué)等腐蝕實(shí)驗(yàn)的工程場(chǎng)景，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)依據(jù)實(shí)際案例場(chǎng)景實(shí)踐操作，達(dá)到學(xué)生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)，知識(shí)遷移、綜合應(yīng)用能力的培養(yǎng)[10]。解決了工程實(shí)踐環(huán)節(jié)缺少的問(wèn)題。

3 研究結(jié)果

通過(guò)轉(zhuǎn)變教學(xué)觀念、創(chuàng)新教學(xué)理論、整合教學(xué)資源、工程化學(xué)逐漸構(gòu)造了開(kāi)放、交叉、共享、和諧的新型教學(xué)形態(tài)：

（1）“互聯(lián)網(wǎng)+教學(xué)”推動(dòng)了教學(xué)數(shù)字化的進(jìn)程，在線教學(xué)學(xué)習(xí)平臺(tái)、課堂實(shí)時(shí)互動(dòng)系統(tǒng)和技術(shù)、使學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程數(shù)據(jù)可以被全面記錄，并科高效分析與挖掘，有力支持了教師在教育教學(xué)過(guò)程中對(duì)學(xué)生整體、小組和學(xué)生個(gè)體學(xué)情的精確掌握，故能夠及時(shí)調(diào)整、優(yōu)化教學(xué)過(guò)程，因此可以實(shí)現(xiàn)教學(xué)全過(guò)程基于學(xué)習(xí)分析數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)生成，即數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的科學(xué)化改進(jìn)教學(xué)。根據(jù)評(píng)測(cè)結(jié)果，教師可實(shí)時(shí)調(diào)整后續(xù)教學(xué)內(nèi)容、策略與節(jié)奏。極大促進(jìn)了工程化學(xué)課程的教學(xué)的改進(jìn)與改革。以2020級(jí)土木專(zhuān)業(yè)為例，2020-2021第一學(xué)期，共發(fā)放44個(gè)章節(jié)任務(wù)點(diǎn)，部分任務(wù)點(diǎn)未完成同學(xué)可及時(shí)預(yù)警提醒，課堂互動(dòng)、課后作業(yè)以及任務(wù)點(diǎn)完成情況可以直觀給出學(xué)生總評(píng)成績(jī)，利于小組和個(gè)體學(xué)情的精準(zhǔn)掌握，反饋并及時(shí)改進(jìn)教學(xué)。

（2）工程化學(xué)課程經(jīng)過(guò)一學(xué)期的教學(xué)改革，引入土木、機(jī)械等專(zhuān)業(yè)建立優(yōu)秀課程資源與講座，注重項(xiàng)目式課程的開(kāi)發(fā)建設(shè)，受到了學(xué)生極大的喜愛(ài)。調(diào)查顯示，95%以上的同學(xué)對(duì)交叉學(xué)科講座非常有興趣，80%以上的同學(xué)認(rèn)為內(nèi)容全部掌握，95%以上的同學(xué)認(rèn)為交叉學(xué)科講座對(duì)自己的學(xué)習(xí)規(guī)劃特別有幫助，4%的同學(xué)認(rèn)為有幫助。96%以上的學(xué)生認(rèn)可這種教學(xué)改革，認(rèn)為這種教學(xué)更加尊重和重視學(xué)生的主體地位與個(gè)性需求。

（3）關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程，面向產(chǎn)出，學(xué)生評(píng)價(jià)體系中，過(guò)程考核占40%（含實(shí)驗(yàn)20%，半期10%，學(xué)習(xí)投入10%）。2020-2021學(xué)期期末平均分79.81，及格率100%，標(biāo)準(zhǔn)差7.96（2020級(jí)土木9，10班），而2019-2020學(xué)期工程化學(xué)平均分76.81,及格率98.08%，標(biāo)準(zhǔn)差10.71（2019級(jí)土木9，10班），成績(jī)有所提升，標(biāo)準(zhǔn)差也更小。當(dāng)教學(xué)重心從傳統(tǒng)科學(xué)范式的知識(shí)呈現(xiàn)與傳遞轉(zhuǎn)向情境化學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)的構(gòu)筑與轉(zhuǎn)化，從促進(jìn)接受式學(xué)習(xí)向促進(jìn)自主體驗(yàn)、探究和創(chuàng)造轉(zhuǎn)化，學(xué)生的學(xué)習(xí)效果明顯得到了提升。

“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代是信息時(shí)代教學(xué)模式變革發(fā)展進(jìn)程的拐點(diǎn)。工程化學(xué)教學(xué)改革在“互聯(lián)網(wǎng)+技術(shù)”的助力下，逐漸形成了以培養(yǎng)具有一定工程化學(xué)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)、知識(shí)綜合應(yīng)用能力、創(chuàng)新思維能力的工科人才為目標(biāo)的工程化學(xué)新形態(tài)教學(xué)體系。建立了我校獨(dú)有的工程化學(xué)教學(xué)體系，為培養(yǎng)具有創(chuàng)新思維能力與綜合能力的新工科卓越人才提供研究基礎(chǔ)與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。