化工熱力學(xué)混合式教學(xué)探索

摘要：針對化工熱力學(xué)難教、難學(xué)的課程特點(diǎn)，借助中國大學(xué)慕課網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)、優(yōu)學(xué)院平臺(tái)，開展課前線上引導(dǎo)學(xué)習(xí)、課間老師主題講授、課后討論與反饋的三步混合式教學(xué)模式。通過此線上線下混合式教學(xué)模式，極大地提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的效果，初步完成了化工熱力學(xué)教學(xué)改革的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：化工熱力學(xué)；混合式教學(xué)；教學(xué)改革近年來，信息技術(shù)的不斷革新，如openAI的問世，對課堂教學(xué)模式和手段帶來新的機(jī)遇。如何推動(dòng)信息技術(shù)與高等教育兩者之間的深度融合，從而提高培養(yǎng)人才的效率，是一個(gè)值得探索的課題。在逐漸實(shí)現(xiàn)信息化教學(xué)的高等教學(xué)模式中，以師生角色轉(zhuǎn)換的翻轉(zhuǎn)課堂與在線資源相結(jié)合的線上線下混合式教學(xué)模式展現(xiàn)了積極的促進(jìn)意義和極高的可實(shí)踐性［1］。

1線上線下混合式教學(xué)的現(xiàn)狀

在信息化技術(shù)的支撐下，線上線下混合式教學(xué)是指將線上的課堂資源與線下傳統(tǒng)的課堂教學(xué)結(jié)合起來，形成優(yōu)勢互補(bǔ)的一種教學(xué)模式。這種教學(xué)模式既可以發(fā)揮任課老師的引導(dǎo)作用，又可以靈活滿足學(xué)生學(xué)習(xí)的需求，關(guān)鍵在于在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間，使用合適的方式，為不同的學(xué)生實(shí)行因材施教［2］。

董田甜等在高?；旌鲜浇虒W(xué)的現(xiàn)狀中指出，混合式學(xué)習(xí)的重點(diǎn)不在于混合哪些事物，而在于如何混合以達(dá)到最優(yōu)的教學(xué)效果。這一教育改革思想的提出，引發(fā)國內(nèi)教育工作者對混合式教學(xué)理論的深入研究。陳衛(wèi)東等通過研究學(xué)習(xí)對象、教學(xué)技術(shù)、教學(xué)環(huán)境和教學(xué)方法4個(gè)因素，根據(jù)混合式教學(xué)的效果認(rèn)為，混合式教學(xué)是在一種技術(shù)支撐學(xué)習(xí)環(huán)境的前提下，如何將4個(gè)因素融合到學(xué)生的認(rèn)知、技能、情感中去。

混合式教學(xué)發(fā)展到目前為止，教學(xué)課題組認(rèn)為以下幾個(gè)問題最為典型突出，亟待解決：（1） 線上教學(xué)平臺(tái)資料更新滯后?；旌鲜浇虒W(xué)離不開線上教學(xué)平臺(tái)。線上教學(xué)平臺(tái)學(xué)習(xí)資源一般有3個(gè)方面的來源，中國大學(xué)慕課線上資源、雨課堂線上資源以及教師自己錄制的教學(xué)視頻。任課老師利用這些來源的視頻作為線上資源時(shí)，均存在視頻更新滯后，視頻老套等情況，很難激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣。（2） 任課老師缺乏準(zhǔn)備，使用信息化平臺(tái)不熟練，線上線下教學(xué)融合不流暢。（3） 教學(xué)設(shè)計(jì)單一，普遍采用線上線下交替的方式進(jìn)行混合。

基于以上問題，為了更好地實(shí)施混合式教學(xué)，促進(jìn)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)，課題組對化工熱力學(xué)課程開展混合式教學(xué)探究，并基于教學(xué)成果，進(jìn)行了教學(xué)反思。

2基于化工熱力學(xué)的混合式教學(xué)課堂建設(shè)

化工熱力學(xué)是化學(xué)工程專業(yè)的學(xué)生必修的一門專業(yè)核心課程，是化工設(shè)計(jì)、化學(xué)工藝學(xué)、化工過程分析等核心課程的先修課程?；崃W(xué)具有“理論晦澀、公式復(fù)雜，計(jì)算困難”等特點(diǎn)，大部分同學(xué)望而生畏。因此，如何進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，充分利用線上資源和手段，調(diào)動(dòng)同學(xué)們的學(xué)習(xí)積極性，提供有利的學(xué)習(xí)方法和學(xué)習(xí)策略，讓同學(xué)們更扎實(shí)地掌握化工熱力學(xué)，化繁為簡的方法勢在必行。設(shè)計(jì)合理的混合式教與學(xué)的模式是獲得良好教學(xué)效果的關(guān)鍵。

2.1多元化線上課堂資源

2.1.1豐富工程案例，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情

為了使學(xué)生明白化工熱力學(xué)不僅僅是枯燥的理論課，也能夠分析解決化工生產(chǎn)中的實(shí)際問題。針對知識(shí)點(diǎn)，利用優(yōu)學(xué)院平臺(tái)，先拋出典型的工程案例，讓同學(xué)們討論，點(diǎn)燃同學(xué)們的求知欲望，比如以家用液化天然氣的成分表，引出氣體的超臨界流體性質(zhì)，從安全和原理兩個(gè)角度引出氣體的狀態(tài)方程的用途；以熱力學(xué)中混合體積變量與酒文化的關(guān)系為討論題目，帶領(lǐng)同學(xué)們從混合體積縮小、酒度與口感之間的關(guān)系入手，探討熱力學(xué)中的偏物質(zhì)的量、混合流體的熱力學(xué)性質(zhì)；以無水乙醇的價(jià)格是95%乙醇的幾倍為例，引出第五章精餾分離問題。針對工程案例問題，設(shè)置分組學(xué)習(xí)，讓每個(gè)學(xué)習(xí)小組共同討論分析問題。

2.1.2精選線上學(xué)習(xí)視頻

打破線上資源更新滯后的現(xiàn)狀，本課題組老師根據(jù)每學(xué)期更新的教學(xué)內(nèi)容以及層出不窮的線上資源，及時(shí)優(yōu)選中國大學(xué)慕課的線上資源、雨課堂的線上資源，重點(diǎn)引入工程案例式的學(xué)習(xí)資源。如果找不到合適的資源庫，將采用本課題組老師針對知識(shí)點(diǎn)錄制的8～10 min短視頻，上傳于優(yōu)學(xué)院平臺(tái)供學(xué)生們自學(xué)與參考，所有上傳的微視頻的內(nèi)容均注重從實(shí)際工程問題出發(fā)，緊密聯(lián)系實(shí)際，突出化工熱力學(xué)從原理到應(yīng)用的特征特點(diǎn)。

2.1.3拓展教學(xué)資源

本課題組在優(yōu)學(xué)院平臺(tái)，分模塊拓展教學(xué)資源，主要分為學(xué)科前沿文獻(xiàn)、熱門科普視頻、經(jīng)典理論3大部分。學(xué)科前言主要是反映化工熱力學(xué)與其他學(xué)科間的交叉突破性成果；熱門科普視頻是當(dāng)下用熱力學(xué)的理論可以揭示的一些現(xiàn)象，比如宇宙熱寂理論、黑洞熱力學(xué)等，熱門科普視頻有利于同學(xué)們以一個(gè)輕松、愉悅的環(huán)境促進(jìn)對抽象知識(shí)的理解；經(jīng)典理論比如熱力學(xué)發(fā)展史、熱力學(xué)模型、活度系數(shù)模型等為引入背景，重點(diǎn)闡述這些熱力學(xué)模型的建立帶來的科學(xué)技術(shù)上的進(jìn)步以及如何顛覆人們的生活，從3個(gè)方面讓學(xué)生實(shí)實(shí)在在意識(shí)到這門理論課程的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，多方面調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

2.1.4建立訓(xùn)練題庫

對知識(shí)的理解與運(yùn)用離不開課下反復(fù)的練習(xí)，本課題組針對每個(gè)章節(jié)的知識(shí)點(diǎn)，建立訓(xùn)練題庫，題型從選擇題、判斷題到論述題，全方位鞏固每個(gè)教學(xué)單元的重難點(diǎn)。特別在論述題環(huán)節(jié)中增加開放性作答的題目，允許學(xué)生之間互相評論，讓同學(xué)們之間也形成互動(dòng)的習(xí)慣。此外，課題組老師及時(shí)查看學(xué)生的作答情況，總結(jié)同學(xué)們普遍還沒掌握的知識(shí)點(diǎn)，針對同學(xué)們普遍存在的共性問題，授課老師在線下課堂重點(diǎn)講解，反復(fù)說明，以便同學(xué)們掌握重點(diǎn)知識(shí)。

2.2優(yōu)化精煉線下教學(xué)內(nèi)容

為了增加學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)力，避免躺平式的學(xué)習(xí)態(tài)度，本課程采用“工程案例導(dǎo)入，解決實(shí)際問題導(dǎo)出，堅(jiān)持以學(xué)生為主體，老師為引導(dǎo)”的原則，優(yōu)化精煉線下課堂教學(xué)資源。

2.2.1精煉教學(xué)內(nèi)容，簡化理論推導(dǎo)

化工熱力學(xué)課程主要包括緒論、流體的PVT關(guān)系、純流體的熱力學(xué)性質(zhì)，流體混合物的熱力學(xué)性質(zhì)、相平衡、化工過程能量分析、蒸汽動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)、化學(xué)反應(yīng)平衡、化工物性數(shù)據(jù)估算等知識(shí)點(diǎn)。本課程在我校的學(xué)時(shí)為32學(xué)時(shí)，課時(shí)很有限，在多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)中，我們刪減與前置課程物理化學(xué)有關(guān)的知識(shí)點(diǎn)，主要講解純流體和混合流體的熱力學(xué)性質(zhì)，重點(diǎn)講解剩余性質(zhì)、偏物質(zhì)的量性質(zhì)、逸度系數(shù)、活度系數(shù)、超額性質(zhì)以及氣液平衡計(jì)算等。其次，化工熱力學(xué)的很多概念和結(jié)論性的公式推導(dǎo)占據(jù)教材的大量篇幅，并且公式的推導(dǎo)過程是建立在高等數(shù)學(xué)的微積分知識(shí)之上，這就導(dǎo)致很多大一高等數(shù)學(xué)不扎實(shí)的學(xué)生看到教材后就產(chǎn)生放棄學(xué)習(xí)的想法。對于同學(xué)們普遍薄弱的微積分知識(shí)，課題組老師采用線上資源前置這部分內(nèi)容，提前給同學(xué)們復(fù)習(xí)微積分注意事項(xiàng)和求法，這樣有利于實(shí)際課堂中同學(xué)們將精力用在理解偏物質(zhì)的量性質(zhì)，而不是繁瑣的公式本身。本教學(xué)課題組在實(shí)際教學(xué)過程中精簡理論推導(dǎo)，以結(jié)論服務(wù)實(shí)際問題為導(dǎo)向，糾正學(xué)生先入為主的恐懼感，用生動(dòng)、通俗易懂的語言講解化工熱力學(xué)課程，化繁為簡、突出解決問題的課程內(nèi)涵。

2.2.2鼓勵(lì)軟件輔助學(xué)習(xí)

基于熱力學(xué)方程以及相平衡方程的物性參數(shù)估算是化工設(shè)計(jì)軟件的基礎(chǔ)。講到化工熱力學(xué)狀態(tài)方程計(jì)算流體的P-V-T性質(zhì)時(shí)，引入Aspen Plus化工流程模擬軟件，該流程模擬軟件是以熱力學(xué)模型為基礎(chǔ)，進(jìn)而估算物質(zhì)的物性數(shù)據(jù)，優(yōu)化化工流程模擬，然后以實(shí)際的案例，如估算全范圍內(nèi)二氧化碳的沸點(diǎn)，要求同學(xué)們選取不同的熱力學(xué)模型方程，對比分析不同模型之間的差距，讓同學(xué)們更好地掌握第二章p-V-T狀態(tài)方程的用處，明白熱力學(xué)狀態(tài)方程在本課程中的地位和重要性，增加同學(xué)們對理論知識(shí)的認(rèn)同感和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值感。在帶領(lǐng)同學(xué)們學(xué)習(xí)相平衡的有關(guān)知識(shí)時(shí)，同學(xué)們普遍反映，相平衡計(jì)算的方法和邏輯是很容易理解的，但難點(diǎn)是迭代計(jì)算的計(jì)算量特別大，同學(xué)們依靠手動(dòng)計(jì)算在有效的時(shí)間里沒辦法得出結(jié)果，利用ThermalCal軟件輔助計(jì)算可以很好地解決迭代計(jì)算的問題，讓同學(xué)們更加直觀地感受到化工熱力學(xué)的理論是為實(shí)際應(yīng)用服務(wù)的，計(jì)算不是問題，問題還是要能夠理解它的原理和應(yīng)用。

2.3調(diào)整學(xué)生考核方式

本課題通過調(diào)節(jié)課程考核方式，進(jìn)一步調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。綜合成績采用章節(jié)測試（占比25%）、專題匯報(bào)（15%）、課后作業(yè)（15%）以及期末考試（45%）的形式強(qiáng)化過程學(xué)習(xí)。其中章節(jié)考試由線上題庫抽題完成，每個(gè)同學(xué)的題目都不太一樣，并且限制作答時(shí)間，可大幅度降低抄襲作業(yè)的現(xiàn)象。專題匯報(bào)是運(yùn)用輔助軟件展開專題討論，由小組進(jìn)行匯報(bào)，同學(xué)和老師共同打分的形式進(jìn)行。課后作業(yè)和期末考試增加開放性試題，采取非標(biāo)準(zhǔn)答案做題形式，避免克隆書本，強(qiáng)化同學(xué)們對知識(shí)的理解與運(yùn)用。

3混合式教學(xué)效果

本次是以化學(xué)工程與工藝1班的同學(xué)作為教學(xué)改革的試點(diǎn)，評價(jià)混合式教學(xué)效果。評價(jià)通過問卷調(diào)查、卷面成績和達(dá)成度3個(gè)方面評價(jià)教學(xué)效果。

3.1問卷調(diào)查評價(jià)

設(shè)計(jì)問卷從學(xué)生角度評價(jià)混合式教學(xué)的效果。結(jié)果表明：90%的同學(xué)認(rèn)為，通過線上資源專題討論前沿文獻(xiàn)閱讀，激發(fā)了學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性，工程案例導(dǎo)入式的線上資源改變了他們對課程的片面認(rèn)識(shí)，認(rèn)為這是一個(gè)有深度的實(shí)踐性強(qiáng)的課程；87%的同學(xué)認(rèn)為專題匯報(bào)增加了他們理解運(yùn)用知識(shí)的能力；96%的同學(xué)認(rèn)為通過前置的線上資源，在線下課堂學(xué)習(xí)時(shí)更有針對性，大大提高了自己解決實(shí)際工程問題的能力。

3.2期末成績分析

混合式教學(xué)之后學(xué)生卷面成績的及格率由72.5%提高到95.1%，60～69分的學(xué)生占比由26.0%提高到45.0%，90分以上的占比由3.2%提高到4.9%。

混合式教學(xué)效果說明，基于課前工程案例引導(dǎo)的線上學(xué)習(xí)、線下突出理論與應(yīng)用相結(jié)合的教學(xué)，以及課后資源擴(kuò)展、題庫訓(xùn)練的教學(xué)方式是可行的。學(xué)生成績及問卷結(jié)果再次說明本次混合式教學(xué)探索模式不僅有利于知識(shí)的傳遞，還糾正了同學(xué)們對化工熱力學(xué)課程無用論的片面認(rèn)識(shí)，不僅從思想上讓同學(xué)們愛上這門課程，還實(shí)際增加了同學(xué)們遇見復(fù)雜問題，化繁為簡的解決問題的思維方式。

3.3達(dá)成度分析

本課程實(shí)施混合式教學(xué)之后，很好地完成了學(xué)生培養(yǎng)目標(biāo)的達(dá)成度。其中目標(biāo)1、目標(biāo)2和目標(biāo)3的達(dá)成度均≥90.0%，目標(biāo)4的達(dá)成度為86.7%，整體來說，混合式教學(xué)有利于提高課程的達(dá)成度。具體結(jié)果見表1。

4結(jié)語

化工熱力學(xué)是化學(xué)工程專業(yè)和能源化學(xué)工程專業(yè)的一門核心課程，本課程的主要培養(yǎng)目標(biāo)是利用化工熱力學(xué)以化繁為簡解決問題的方法去處理復(fù)雜的實(shí)際工程問題。針對化工熱力學(xué)難教難學(xué)的特點(diǎn)，本課題組提出線上線下的混合式教學(xué)模式，借助工程案例導(dǎo)入法，糾正了同學(xué)們對化工熱力學(xué)不正確的認(rèn)識(shí)，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性；通過精煉課堂講授，弱化公式推導(dǎo)，進(jìn)一步突出課程解決問題的實(shí)用性；通過計(jì)算機(jī)輔助軟件解決手動(dòng)計(jì)算量大的難題，讓學(xué)生從公式的苦海中解救出來，提升解決工程問題的效率；通過線上跟蹤測試、題庫訓(xùn)練等手段加深同學(xué)們對知識(shí)的理解與運(yùn)用；通過小組專題匯報(bào)、課后作業(yè)的方式，全方位多角度強(qiáng)化同學(xué)們對知識(shí)的掌握，最終顯著提升教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)：

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