基于小規(guī)模限制性在線課程的化工原理實(shí)驗(yàn)混合教學(xué)模式探析

＊吳登峰 曹東 李仲 田維亮

（1.北京化工大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院 北京 100029 2.塔里木大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院 新疆 843300）

小規(guī)模限制性在線課程（Small Private Online Course，簡稱SPOC）是繼MOOC后出現(xiàn)的一種新型課程教學(xué)模式，其既繼承發(fā)揚(yáng)了MOOC的諸多教學(xué)特點(diǎn)，又融入了線下課堂的教學(xué)優(yōu)勢[1]。目前，SPOC在理論教學(xué)課程教學(xué)中大量推廣和使用，其中哈佛大學(xué)、麻省理工學(xué)院、清華大學(xué)等國內(nèi)外高校進(jìn)行了多年的教學(xué)改革和探索，并在SPOC教學(xué)模式的基礎(chǔ)上總結(jié)出了SPOC混合教學(xué)模式，其主要突出特征為線上線下結(jié)合、教與學(xué)交融、開放與規(guī)范引導(dǎo)相融合，這種新型教學(xué)模式既能賦予學(xué)生個(gè)性化的、完整的和深度的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，又有助于優(yōu)化教學(xué)設(shè)計(jì)、創(chuàng)新教學(xué)模式[2-4]。特別是在當(dāng)前教育創(chuàng)新改革浪潮下，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)由于學(xué)習(xí)資源少、教學(xué)空間有限等制約因素，已經(jīng)無法適應(yīng)當(dāng)前人才培養(yǎng)要求，急需推動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新和改革以適應(yīng)當(dāng)前教育發(fā)展需要，而將SPOC混合教學(xué)模式引入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中是一種有效的改革路徑[5-6]。

化工原理實(shí)驗(yàn)是一門工程性、實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，是聯(lián)系化工理論與生產(chǎn)實(shí)踐的橋梁，是高等學(xué)?；瘜W(xué)工程與工藝等相關(guān)專業(yè)的必修實(shí)踐類課程。課程旨在通過實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)整理與分析，加強(qiáng)對化工單元操作基礎(chǔ)理論的理解，培養(yǎng)學(xué)生從事實(shí)驗(yàn)研究的能力、訓(xùn)練學(xué)生分析和解決問題的能力，使學(xué)生養(yǎng)成理論聯(lián)系實(shí)際和嚴(yán)肅認(rèn)真的學(xué)習(xí)態(tài)度，提高學(xué)生的獨(dú)立思考能力和創(chuàng)新能力。根據(jù)SPOC混合教學(xué)模式特點(diǎn)，可以看出SPOC混合教學(xué)模式相比其它教學(xué)模式更適合一些專業(yè)性較強(qiáng)、難度較大、實(shí)踐性強(qiáng)的實(shí)踐性課程，尤其適合存在著缺乏先進(jìn)教學(xué)理念和優(yōu)質(zhì)高水平教學(xué)資源、師資隊(duì)伍建設(shè)較薄弱、實(shí)習(xí)條件不充足等諸多問題的高校實(shí)驗(yàn)實(shí)踐類課程[7-8]。因此，將SPOC混合教學(xué)模式應(yīng)用于化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以很好地緩解化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)難度大、效果無法保證的問題，進(jìn)而推動(dòng)實(shí)踐教學(xué)模式改革與創(chuàng)新。

1.化工原理實(shí)驗(yàn)SPOC混合教學(xué)模式教學(xué)路徑

依據(jù)化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)際，提出對化工原理實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行教學(xué)模式和教學(xué)環(huán)節(jié)的改革與創(chuàng)新優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)線上自主學(xué)習(xí)和線下課堂教學(xué)有機(jī)融合交互，將傳統(tǒng)課堂化工原理教學(xué)模式轉(zhuǎn)變?yōu)檎n前線上學(xué)習(xí)+課堂線上線下實(shí)訓(xùn)+課后線上線下鞏固強(qiáng)化“三位一體”的SPOC混合教學(xué)模式，如圖1所示。其主要路徑如下：

圖1 化工原理實(shí)驗(yàn)SPOC混合教學(xué)模式

課前線上學(xué)習(xí)部分主要是借助北化在線、MOOC等在線平臺建立包含化工原理實(shí)驗(yàn)室安全教育視頻、化工原理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目及其實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)操作、注意事項(xiàng)等基礎(chǔ)知識、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目儀器設(shè)備及操作視頻講解、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)備操作動(dòng)畫演示以及化工原理實(shí)驗(yàn)題目等模塊內(nèi)容，本部分學(xué)習(xí)的目的是強(qiáng)化和鞏固學(xué)生的基礎(chǔ)理論知識。

課堂線上實(shí)訓(xùn)部分主要是借助北京東方仿真平臺、北京歐倍爾云平臺以及國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程共享平臺等線上資源，開展化工原理實(shí)驗(yàn)虛擬仿真項(xiàng)目，這些線上仿真項(xiàng)目同后續(xù)開展的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目一一對應(yīng)，學(xué)生通過仿真項(xiàng)目訓(xùn)練可以進(jìn)一步熟悉實(shí)驗(yàn)步驟和實(shí)驗(yàn)操作流程，可以為后續(xù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)際操作奠定良好基礎(chǔ)以及避免誤操作帶來的安全風(fēng)險(xiǎn)。課堂線下實(shí)訓(xùn)部分是在化工原理實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，主要開展化工原理實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)，通過這些實(shí)訓(xùn)操作，使學(xué)生熟悉化工單元操作以及實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備的流程、結(jié)構(gòu)等，使學(xué)生能夠運(yùn)用所學(xué)的化工原理基礎(chǔ)知識分析實(shí)驗(yàn)過程，使所學(xué)理論知識得到進(jìn)一步理解和鞏固。課后線上線下鞏固強(qiáng)化主要是指學(xué)生完成實(shí)訓(xùn)后可以在交流討論區(qū)對實(shí)驗(yàn)過程、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及實(shí)驗(yàn)中存在的問題進(jìn)行互動(dòng)交流，也可以參與教師發(fā)布的討論話題進(jìn)行討論分析，以實(shí)現(xiàn)對實(shí)驗(yàn)知識的鞏固和強(qiáng)化，同時(shí)撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告和課程總結(jié)，進(jìn)行知識梳理、數(shù)據(jù)處理及現(xiàn)象分析。

2.精餾實(shí)驗(yàn)案例教學(xué)

精餾實(shí)驗(yàn)是化工原理實(shí)驗(yàn)課程中重要的基本單元操作，其主要涉及到能量平衡、物質(zhì)平衡以及相平衡等化工基本原理知識，因此，本教學(xué)案例基于SPOC混合教學(xué)模式開展教學(xué)實(shí)踐，其主要內(nèi)容包括學(xué)情分析、實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程等部分。

(1)學(xué)情分析

知識分析：學(xué)生在學(xué)習(xí)本課程前，已經(jīng)學(xué)習(xí)過《無機(jī)化學(xué)》《物理化學(xué)》《高等數(shù)學(xué)》《化工原理》等基礎(chǔ)課程，學(xué)生已經(jīng)基本掌握了本課程所需的基本原理知識，通過本課程學(xué)習(xí)，能夠使學(xué)生的理論知識得到進(jìn)一步的理解和鞏固，增強(qiáng)學(xué)生的理論結(jié)合實(shí)踐能力。

學(xué)生分析：本課程主要面向的是00后新時(shí)期大學(xué)生，他們思路敏捷、思想開闊并且異?；钴S，但是動(dòng)手實(shí)踐能力偏弱，因此本課程采用SPOC混合教學(xué)模式，以學(xué)生學(xué)習(xí)為主題，發(fā)揮學(xué)生的積極能動(dòng)性，同時(shí)又可以讓學(xué)生認(rèn)識到自己的不足。

(2)實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)

本實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目標(biāo)為：熟悉精餾這一重要化工單元操作的工藝流程，掌握精餾實(shí)驗(yàn)的具體操作方法和過程，了解板式塔的構(gòu)造，能夠測定全回流時(shí)的全塔效率及單板效率等，同時(shí)我們的教學(xué)目標(biāo)不僅僅包含這些知識目標(biāo)，還包括引導(dǎo)學(xué)生多層次思考，如何運(yùn)用理論知識解決實(shí)驗(yàn)過程中遇到的問題，以及如何改進(jìn)及設(shè)計(jì)，以提升全塔效率及單板效率等。

(3)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程

首先，學(xué)生可以通過手機(jī)、電腦等媒介登錄北化在線、MOOC等在線平臺開展課前線上學(xué)習(xí)部分，其中精餾實(shí)驗(yàn)需要學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)容主要有精餾實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、操作要點(diǎn)、注意事項(xiàng)等基礎(chǔ)知識講解視頻（約20分鐘），板式塔設(shè)備操作演示視頻講解（約10分鐘），化工原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書實(shí)驗(yàn)五（電子書）閱讀以及精餾實(shí)驗(yàn)知識題庫50道題。在學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生可以發(fā)布討論話題或問題，指導(dǎo)老師或其它學(xué)生都可以在話題中答疑和討論，也可以直接回答問題，通過這種學(xué)習(xí)討論鞏固學(xué)習(xí)知識、活躍學(xué)習(xí)氣氛以及增加學(xué)生學(xué)習(xí)熱情。等學(xué)生完成本部分學(xué)習(xí)任務(wù)后，必須參加化工原理基礎(chǔ)知識通關(guān)考核，只有通過考核的學(xué)生才能進(jìn)行下一步的課堂教學(xué)環(huán)節(jié)，否則學(xué)習(xí)需要重新開展預(yù)習(xí)學(xué)習(xí)，直至通過考核并記錄成績。

其次，學(xué)生通過課前線上學(xué)習(xí)部分后，進(jìn)入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，登錄北京東方仿真平臺開展精餾仿真實(shí)驗(yàn)練習(xí)，該仿真實(shí)驗(yàn)主要內(nèi)容有精餾設(shè)備及工藝的認(rèn)知，精餾仿真單元操作的開車、運(yùn)行和停車，異常情況及事故緊急處理、板式塔設(shè)備參數(shù)對精餾過程的影響等部分。虛擬仿真操作學(xué)習(xí)中，先開展指導(dǎo)性操作練習(xí)即根據(jù)系統(tǒng)提示完成操作，熟練后開展自主操作考核。學(xué)生自主操作成績在90分以上為通過考核，否則重新練習(xí)后參加考核直至考核通過。學(xué)生在練習(xí)過程中遇到問題，可以現(xiàn)場咨詢指導(dǎo)老師，也可以在每個(gè)實(shí)驗(yàn)仿真項(xiàng)目的討論區(qū)發(fā)布話題或問題。

再次，學(xué)生通過虛擬仿真練習(xí)后，進(jìn)入化工原理實(shí)驗(yàn)室開展實(shí)訓(xùn)操作進(jìn)行，本部分主要內(nèi)容有熟悉精餾塔裝置及構(gòu)件組成、回流分配裝置及構(gòu)件組成、測控系統(tǒng)、物料濃度分析和數(shù)據(jù)處理。學(xué)生在前兩部分學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，由指導(dǎo)老師再次講解實(shí)驗(yàn)設(shè)備操作流程、注意事項(xiàng)、演示操作并進(jìn)行答疑，然后學(xué)生隨機(jī)分組（每組2～3人）開展實(shí)驗(yàn)操作。實(shí)驗(yàn)操作過程中，只允許組內(nèi)人員討論交流，各組獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)操作，由指導(dǎo)老師根據(jù)實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)記錄、實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及團(tuán)隊(duì)協(xié)作情況，對個(gè)人按照進(jìn)行過程評分。

最后，學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，開展實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析并撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，教師根據(jù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告總結(jié)評分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行考核評價(jià)，同時(shí)將結(jié)果通過線上平臺反饋給學(xué)生，學(xué)生可以根據(jù)反饋結(jié)果進(jìn)行反思和鞏固強(qiáng)化相應(yīng)內(nèi)容。同時(shí)學(xué)生若認(rèn)為實(shí)驗(yàn)評價(jià)結(jié)果不理想，可以申請重新開展實(shí)訓(xùn)部分重新評價(jià)，從而實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)專業(yè)知識的反復(fù)鞏固強(qiáng)化和動(dòng)手實(shí)踐能力提升。

3.化工原理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)實(shí)施成效

通過在化工原理實(shí)驗(yàn)課程中引入SPOC混合教學(xué)模式的教學(xué)實(shí)踐實(shí)施，學(xué)生在學(xué)習(xí)效果和創(chuàng)新能力方面有了較為明顯的提升。

我們通過分析化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施前后學(xué)生的成績分布情況，如圖2所示，其中實(shí)施前教學(xué)班級學(xué)生樣本為88名，實(shí)施后教學(xué)班級學(xué)生樣本為49名。從成績分布上來看，學(xué)生成績整體有了明顯提高，其中學(xué)生平均成績從69.3分提高到了76.6分，最高分由89分變?yōu)榱?3分，及格率由93.2%提高到了95.9%。在教學(xué)實(shí)施過程中也明顯感受到了學(xué)生的積極性和主動(dòng)性比以前有了明顯提高，特別是在實(shí)際設(shè)備操作中，學(xué)習(xí)操作的流暢度和交流明顯增多，教室中除了設(shè)備的轟鳴聲增添了更多交流討論的聲音。通過教學(xué)實(shí)施，可明顯感受到學(xué)生對化工原理知識的興趣明顯增加，學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力有了明顯增強(qiáng)。

圖2 教學(xué)實(shí)施前后學(xué)生成績分布圖

4.結(jié)語

基于SPOC混合式教學(xué)模式的特點(diǎn)優(yōu)勢，通過將其融入到化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)全過程，將以傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)操作為主的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式轉(zhuǎn)變?yōu)檎n前線上學(xué)習(xí)+課堂線上線下實(shí)訓(xùn)+課后線上線下鞏固強(qiáng)化的“三位一體”SPOC混合式教學(xué)模式，把學(xué)習(xí)由被動(dòng)變?yōu)橹鲃?dòng)，讓學(xué)生自覺融入到化工原理實(shí)驗(yàn)課程中，同時(shí)該教學(xué)模式可實(shí)現(xiàn)教學(xué)全過程評價(jià)，真正讓學(xué)生動(dòng)起來、忙起來，從而促進(jìn)學(xué)習(xí)效果和提升教學(xué)質(zhì)量。通過該模式教學(xué)實(shí)踐促使化工原理實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)“理論知識—理解—實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)—理解”的良性循環(huán)，不斷提升學(xué)生理論知識水平以及實(shí)踐創(chuàng)新能力。因此，該教學(xué)模式是推動(dòng)化工原理實(shí)踐教學(xué)創(chuàng)新和改革的有效方式之一，也可為其它實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)提供新思路、新模式、新路徑。