線上線下協(xié)同教學模式探索與實踐推進化工原理課程建設(shè)

管玉雷，趙彬俠

西北大學化工學院，西安 710069

化工原理課程是以數(shù)學、物理和化學等學科知識為基礎(chǔ)，以動量、熱量和質(zhì)量傳遞過程原理和研究方法論為主線，分析、解釋和處理化工生產(chǎn)中各種物理過程問題的工程學科，擔負著由理及工、由基礎(chǔ)到專業(yè)的橋梁作用[1]。它是培養(yǎng)化工類專業(yè)本科生工程素養(yǎng)和創(chuàng)新意識的主要課程，注重工程計算、過程設(shè)計與強化，涉及大量的抽象公式?；ぴ碚n程之前都是理科性課程，對于初次接觸工程基礎(chǔ)課程的學生來說有著較大挑戰(zhàn)。此外，隨著信息和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，線上教學大規(guī)模進入高校，雖然線上教學有著線下常規(guī)教學不可比擬的諸多優(yōu)點，但也需要師生面對面交流促使教學內(nèi)容的吸收內(nèi)化。西北大學教學團隊基于化工原理的課程特點及教學現(xiàn)狀，結(jié)合工程教育專業(yè)認證的教育產(chǎn)出(OBE)理念，對該課程進行了線上線下協(xié)同教學模式的探索與實踐。

1 化工原理課程特點

化工原理被認為是教師難教、學生難以理解和掌握的一門課程，這主要歸因于其課程特點[2,3]：(1) 知識體系復雜，涉及多門先修課程；(2) 包含諸多化工單元操作，各個單元操作過程相對獨立，知識點繁多且零散；(3) 理論知識抽象，涉及很多推導公式和經(jīng)驗公式；(4) 課程具有較強的工程性，計算量大，多采用半理論、半經(jīng)驗的研究方法。

2 線下課堂教學特點

(1) 化工原理課程以本科生對單元操作過程的計算、設(shè)備設(shè)計以及過程強化能力為培養(yǎng)目標。但受諸多因素限制，學生不能深入工廠一線，加之先導課程都是理科性課程，學生缺乏工程思維，習慣于數(shù)學推導處理理想模型，當轉(zhuǎn)向分析解決化工實際問題，需要理論聯(lián)系實際時，突感無所適從，思維方式不能相應(yīng)轉(zhuǎn)變，如果某些知識點沒能掌握，極易挫傷學習積極性。有些學生的先修課程掌握較差，在進行原理講解、公式構(gòu)建的時候，無法跟上課堂講授節(jié)奏。此外，由于課堂學時有限，常規(guī)化工原理課堂教學更偏向理論知識講授，許多知識點僅能淺表滲透，很難延伸拓展，學生往往感覺課程內(nèi)容干澀抽象，難以理解掌握。

(2) 在傳統(tǒng)教學模式中，教師是教學活動的中心，承載著知識傳授者的角色，學生則處于被動接受的地位。教學的根本目的在于塑造學生，教學過程就是學生的認識和知識內(nèi)化過程。常規(guī)線下教學模式忽視了學生的主體認知作用，不利于學生工程素養(yǎng)和創(chuàng)新意識的培養(yǎng)，因此需要正確處理教師的引導性與學生的主體性之間的關(guān)系。那么教師在講授化工原理知識的同時，更應(yīng)成為學習過程的引導者，注重激發(fā)學生對化工單元設(shè)備的求知興趣，啟發(fā)學生對單元操作基本原理的積極思考，更多參與教學活動，使其在主動積極的心態(tài)下汲取化工原理知識。

(3) 在化工原理課程學習過程中，學生對知識的掌握和能力的發(fā)展不是同步的。知識是培養(yǎng)能力的基礎(chǔ)，能力的發(fā)展不等同知識的堆積，只有在不斷探索和運用知識的過程中才能使學生的工程素養(yǎng)得到提高。在化工原理的常規(guī)課堂中，學生和教師的接觸時間主要集中于課堂教學中，受繁重教學任務(wù)的限制，師生溝通互動不足，很多學生無法緊跟教師的課堂設(shè)計思路，缺乏質(zhì)疑精神。如果加強課堂互動，而又要保證教學計劃，就需要學生課前通過預(yù)習熟悉相應(yīng)的課堂教學內(nèi)容。

(4) 課余時間學習效果欠佳。很多學生在進入大學后沒有養(yǎng)成良好的學習習慣，或者受化工原理學習資源限制，大多學生課前不進行針對性預(yù)習，不了解課堂教學進度，無法帶著疑問真正參與課堂學習。此外，在課余學習中遇到問題時，大多學生不會主動與教師交流探討，那些真正需要得到教師指導的學生反而更沒有勇氣，甚至直接關(guān)閉了面對面向教師請教的通道。既然化工原理課程本身難度就大，讓這些基礎(chǔ)較差的學生在課余時間自學將會更加困難。

(5) 考評方式單一，常規(guī)教學模式缺少對學生平時學習效果的系統(tǒng)評價。該課程原本的評價方式以期中考試+期末考試為主，學生不注重平時和課余積累，相當一部分學生依靠考試前突擊復習，以點代面，嚴重妨害了學習的主動性，化工原理課程知識體系結(jié)構(gòu)難以建立，知識的吸收內(nèi)化更是難以實現(xiàn)。

3 化工原理在線開放課程建設(shè)及線上教學特點

3.1 化工原理在線教學資源構(gòu)建

(1) MOOC資源建設(shè)[4]：西北大學化工原理教學團隊在陜西省精品課程的基礎(chǔ)上，于2018年開始進行化工原理課程信息化建設(shè)。基于中國大學MOOC (Massive Open Online Course)平臺的框架，教學團隊組織并完善了課程介紹、課程介紹視頻、教學大綱、參考資料和教學安排等信息化材料；根據(jù)化工原理知識結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)性，將課程章節(jié)分解成67個知識點，以知識模塊為基本單元編排教學內(nèi)容，每個單元模塊錄制配套教學視頻約10-20 min，組織并建立起豐富的慕課素材，其中授課視頻67個，單元測驗和作業(yè)題537道，期末試題82題，99個富文本(與知識點相關(guān)的課外學習素材)和67個PPT課件等；通過化工原理課程后臺管理設(shè)置課程團隊，發(fā)布課程介紹頁，將設(shè)計好的公告、評分方式和教學單元內(nèi)容上傳至中國大學MOOC平臺，并設(shè)置討論區(qū)結(jié)構(gòu)。該課程于2020年2月(正值疫情防控關(guān)鍵時期)在中國大學MOOC平臺上線開放，實現(xiàn)了化工原理課程網(wǎng)上教學，目前已開課3期。

(2) 慕課堂資源建設(shè)：慕課堂是中國大學MOOC平臺提供的線下智慧教學輔助工具，具有簽到、點名、隨堂練習、問卷、討論、公告、統(tǒng)計等多種教學功能，查閱數(shù)據(jù)方便，能及時獲取學生學習情況。我們針對每個知識點在慕課堂設(shè)置了實踐性很強的討論和練習以加強訓練和追蹤學生學習效果(慕課堂討論題126個，練習題485個，設(shè)定分值進行評價)。同時，慕課堂也為教師和學生之間增加了一座相互聯(lián)系的橋梁，定期在慕課堂進行問卷調(diào)查(21個)，對一些學生難以理解的知識點，根據(jù)學生意愿開設(shè)附加的習題講解。

(3) 課件開發(fā)：化工單元操作涉及很多設(shè)備，設(shè)備的結(jié)構(gòu)及其在工程中的應(yīng)用等內(nèi)容采用圖像、三維動畫、錄像等素材以直觀、具體的形式呈現(xiàn)，可提升學生對化工單元設(shè)備結(jié)構(gòu)的理解，有助于培養(yǎng)學生優(yōu)化設(shè)備結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新意識。

3.2 線上教學模式特點

教學團隊根據(jù)教學計劃，提前一周在中國大學MOOC平臺上發(fā)布化工原理教學視頻和PPT課件，布置學習任務(wù)，引導學生完成課前預(yù)習。在QQ群課堂(騰訊公司開發(fā)的在線直播授課程序)上盡量發(fā)揮學生的自主學習能力，教師對學生提出的問題進行釋疑解惑。針對每個知識點，通過慕課堂設(shè)置實踐性很強的討論和練習以加強訓練，統(tǒng)計學生在學習過程中遇到的問題，掌握學生的學習情況及效果。這種線上學習的時間大部分由學生自己靈活掌握，可以利用大量零碎時間進行線上學習，然而化工原理單純線上教學模式也存在難以避免的缺點。

(1) 學習狀態(tài)難以把控。2020年春季學期新冠疫情期間，全國大多數(shù)高校包括西北大學倡導了“停課不停學”，教學團隊采用QQ群課堂形式授課。由于線上視頻教學自身的局限性，教師通過視頻窗口很難捕捉到所有學生的反饋信息，不能真正掌握學生的學習狀態(tài)以及知識點的理解程度，只能依據(jù)課堂計劃講解，無法兼顧學生個體差異對課程內(nèi)容掌握程度的不同而因材施教。此外，在線上視頻授課時，教師難以監(jiān)督所有學生真正而有效的參與。

(2) 學習效果不能及時了解。在線下常規(guī)課堂進行提問互動，只用一兩分鐘就可以掌握學生的理解情況，教師可以根據(jù)學生的課堂反應(yīng)及時調(diào)整講解重點或者調(diào)整課堂進程，但是對于在線視頻授課，大多學生不會積極回答問題，需要等待很長的時間才能匯總得到大部分學生的反饋，大大降低了課堂效率，如果采用文本窗口交流，許多同學則會采用復制粘貼或者轉(zhuǎn)發(fā)的方式，那么教師收集起來的答案樣本將不具有代表性，不能依據(jù)現(xiàn)有學情統(tǒng)計結(jié)果指導課堂安排。

(3) 外界干擾影響顯著。在家中通過線上學習的學生極易受到周邊環(huán)境、家庭因素的干擾，很難做到專心投入到學習中去。此外，部分學生家中網(wǎng)絡(luò)信號不穩(wěn)定，時有網(wǎng)絡(luò)未連接或掉線情況發(fā)生，QQ群課堂的學習效果將很難保障。

4 線上與線下協(xié)同教學探索

西北大學化工原理教學團隊吸納線上教學和線下教學的優(yōu)點，對現(xiàn)階段化工原理課程的教學方式進行改革。隨著教學理念的不斷發(fā)展，翻轉(zhuǎn)課堂也引入我們線上線下協(xié)同教學模式中，通過學生觀看教學視頻自主學習與教師課堂釋疑解惑，實現(xiàn)了常規(guī)課堂中知識傳授與知識內(nèi)化兩個階段的顛倒[5]，那么在常規(guī)課堂上，學生能更好側(cè)重于知識鞏固吸收，以及與教師同學的互動交流上。以下將從教學策略、教學過程、成效特色三個方面對化工原理線上線下協(xié)同教學模式進行分析。

4.1 教學策略

為了使學生打好理論基礎(chǔ)、建立工程思維、提高實踐能力、培養(yǎng)創(chuàng)新意識、拓展知識視野，基于OBE理念，結(jié)合對本科生知識結(jié)構(gòu)和學情的分析，化工原理課程的教學設(shè)計如下：(1) 樹立教學理念：把傳授知識、培養(yǎng)能力和提高素養(yǎng)相融合；(2) 構(gòu)建課程體系：注重關(guān)聯(lián)，整合共性，加強實踐，體現(xiàn)工程；(3) 豐富教學內(nèi)容：跟蹤學科發(fā)展前沿，注重科研反哺教學，新增新型單元操作、新型單元設(shè)備教學內(nèi)容，強調(diào)環(huán)保、安全、節(jié)能等理念，通過膜分離、吸附和分子蒸餾等新型分離方法、新型填料及其應(yīng)用前景的介紹，拓寬學生視野[6]；(4) 創(chuàng)新教學方法：采用實體課堂+慕課+慕課堂+QQ群(以及微信群)的協(xié)同教學模式，借助現(xiàn)代信息技術(shù)，強化課堂教育；(5) 改革考評機制：注重多元過程考核。

4.2 教學過程

采用常規(guī)實體課堂與慕課、慕課堂及QQ群和微信群有機結(jié)合的教學模式。其中慕課(中國大學MOOC平臺)提供豐富的教學資源；慕課堂主要用來簽到、點名和發(fā)布公告、問卷、知識點的討論和練習，用于跟進學生課前、課中及課后的學習情況；實體課堂重在解決重、難點問題，使教學更有針對性；QQ群(微信群)用于增強教師與學生間的交流與溝通，隨時解決學生學習過程中遇到的問題。線上線下協(xié)同教學模式簡要實施方案如圖1所示。

圖1 協(xié)同教學模式實施過程

(1) 課前：教學團隊根據(jù)常規(guī)課堂教學計劃，提前一周通過中國大學MOOC平臺發(fā)布預(yù)習、復習課程內(nèi)容，提出課前和課后的具體要求。學生充分了解教師安排的任務(wù)后，通過中國大學MOOC平臺上的西北大學化工原理慕課資源進行預(yù)習、復習以及配套練習，學有余力的學生可以拓展學習資源。提前發(fā)布教學視頻對學生的預(yù)習有非常好的幫助，因為化工原理課程難度很大，特別是一些現(xiàn)象原理的理解、公式的推導，對于沒有工程學習基礎(chǔ)的學生來說，很難建立工程思維方式。學生需要總結(jié)自己已掌握的以及存在的問題，并將疑惑難點在課堂教學前一天反饋給教師。教師根據(jù)課前學生反饋信息，完善教學設(shè)計、問卷、知識點的討論和練習，以便有的放矢地開展課堂教學。課前通過中國大學MOOC平臺完成預(yù)習不僅可以使學生提前了解并掌握知識點，還可濃縮實體課堂教學，使學生在課堂上帶著問題聽課，與教師進行高質(zhì)量的互動交流。

(2) 課中：講解重點難點問題，教學更有針對性。課堂上注重為學生創(chuàng)設(shè)濃厚的學習氛圍，增加學生的課堂參與度，集中解決學生提出的問題。通過引入與教學內(nèi)容相關(guān)的實際工程案例適當設(shè)疑，激發(fā)學生的思維能力，創(chuàng)造師生間良好的教學互動氛圍。理論分析揭示出隱藏其中的理論依據(jù)，實現(xiàn)激發(fā)學生求知欲、課程知識吸收內(nèi)化的目標與效果，并鼓勵學生對問題進一步探索，擴展學習深度和難度。課堂尾聲梳理整堂課的教學內(nèi)容，并通過慕課堂發(fā)布隨堂討論、練習題和問卷。課堂講解與交流互動同步進行，使學生專注于教師的釋疑解惑，不僅可以激發(fā)學生的學習興趣和積極性，而且可以加深學生對知識點的理解程度。

(3) 課后：學生課后通過慕課堂習題和課后作業(yè)鞏固拓展，引發(fā)思考討論，將課堂學習延續(xù)到課后的移動學習中，滿足個性化的學習需求，使學生牢固地掌握教學內(nèi)容。學生完成習題提交后能及時獲取參考答案，便于對照自查。最后統(tǒng)計學情、問卷調(diào)查內(nèi)容，匯總分析教學效果，及時調(diào)整教學方案，并根據(jù)學生反饋情況，在下次常規(guī)課堂上及時指出學生學習過程中的一些共性問題，以提高大部分學生的知識水平，對完成情況不好的學生及時通過微信、QQ溝通交流不理解的知識點和習題，敦促其學習。同時課堂教學與實踐環(huán)節(jié)需要緊密結(jié)合，要求學生及時到化工原理實驗室完成相關(guān)知識點的化工原理實驗，促使學生對理論知識的深度思考，達到學以致用、提升工程實踐能力的目的。

(4) 線上考核、線下考核同步進行，著重過程考核。除了重要的線下閉卷考試，平時考核也是包括線上和線下的多元考核?；ぴ碚n程成績評定：期末成績占60%，中國大學MOOC平臺線上成績占20%，平時成績占20%。期末考試采用常規(guī)閉卷考試方式；中國大學MOOC平臺線上成績等于MOOC單元測試和期末測驗成績的加權(quán)平均；平時成績由課堂考勤、課后作業(yè)、章節(jié)總結(jié)或課堂討論、慕課堂線下參與討論和練習情況等構(gòu)成，其中考勤僅占平時成績的10%，課后作業(yè)、章節(jié)總結(jié)、課堂討論、慕課堂線下參與討論和練習情況等占90%。利用慕課堂每周對于學生線下學習情況進行學情分析，實現(xiàn)學生考核前置化、日?；M一步強化多元過程考核。

4.3 成效特色

經(jīng)過兩個學年的教學實踐后，教學團隊發(fā)現(xiàn)化工原理的線上線下協(xié)同教學過程中呈現(xiàn)出了常規(guī)課堂教學不可比擬的教學優(yōu)勢，具體表現(xiàn)在以下兩個方面：

(1) 濃縮課堂加強實踐。通過中國大學MOOC平臺課前線上導學、自主學習效果反饋使縮減學時與拓寬學生知識面的矛盾得以緩解。問題前置的課堂教學模式，使教學更有針對性，大大提升了學生的學習興趣和主動性，課堂授課由教師獨白到互動再到部分知識點學生上臺“講課”，使得課堂的教學氛圍、學習氛圍更加濃厚，更有利于理論知識的理解和拓展。慕課堂對學生進行學習跟蹤，適時掌握每位學生課前、課中及課后的學習情況，夯實學生的專業(yè)基礎(chǔ)，更加準確地了解學生學習過程中遇到的困難，做出針對性的指導，為教學過程的持續(xù)改進提供了依據(jù)。

西北大學2017級化學工程與工藝專業(yè)化工原理課程實行常規(guī)課堂授課模式，由于新冠疫情影響，2018級實行完全網(wǎng)上教學，2019級開始使用線上線下協(xié)同教學模式。現(xiàn)通過三個年級春季學期期末試卷成績進行評價。由圖2可見，完全線上上課的2018級不及格率與2017級基本接近，然而71%的學生集中于60-79分之間，究其原因是大部分學生不能很快適應(yīng)線上授課模式，加之自控力和自主學習性稍差。同時我們也發(fā)現(xiàn)2018級的優(yōu)秀率(＞ 90分)稍高于2017級，這表明具有良好學習習慣的學生受益于中國大學MOOC平臺上豐富的學習資源。實行協(xié)同教學模式的2019級不及格率明顯下降，而且成績良好和優(yōu)秀的學生人數(shù)也得以明顯提高，充分肯定了線上線下協(xié)同教學模式的教學效果。

圖2 不同教學模式實施效果對比

(2) 突出學生的主體性?；ぴ砭€上線下協(xié)同教學模式踐行了工程教育專業(yè)認證“以學生為中心”的教育理念。學生可以根據(jù)自己的學習時間或習慣來安排課余學習，提高了自我管理意識；在課前通過中國大學MOOC平臺進行課前的預(yù)習，提高了學習效率；在課堂上的答疑和互動也使得他們的學習目的更加明確，拓展了學生的思路；在課后利用慕課堂平臺復習所學的內(nèi)容，增強了學習效果。實體課堂、中國大學MOOC平臺與慕課堂的有機結(jié)合，實現(xiàn)了以學生為中心，引導學生自主學習，啟迪學生深度思考，強化了實踐，強調(diào)了工程應(yīng)用。例如：2018級化學工程與工藝專業(yè)學生黃佳卓在課程評價頁面留言：“教師采取線上線下混合的教學模式特別好，在課堂上沒有理解的知識可以課后看視頻消化，課前也可以看視頻預(yù)習，大大地提高了我自主學習、自主思考和自主解決問題的能力，慕課堂的練習和討論題，也提高了我的工程實踐能力。”

5 結(jié)語

化工原理作為化工類專業(yè)的核心基礎(chǔ)課程，需要做到教學統(tǒng)合。本文基于工程教育專業(yè)認證OBE理念，結(jié)合化工原理課程特點，融合線下教學和線上教學的優(yōu)點，對西北大學化工原理課程進行線上線下協(xié)同教學的研究與探索。經(jīng)過持續(xù)的教學改革，本課程成為一門教學素材豐富、知識更新有序、教學手段先進、課程與實踐緊密結(jié)合的具有鮮明特色的專業(yè)基礎(chǔ)課程，突出學生的主體地位，調(diào)動了學生的學習積極性，能有效提高化工原理課程的教學質(zhì)量。