基于翻转课堂模式的化工热力学教学方法

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　　[摘要]化工热力学是化学工程与技术一级学科下属各专业的专业教育核心课程。课题组倡导在化工热力学翻转课堂模式的教学设计中，应包括课前精心备课、课堂组织教学以及课后考核评估三个环节，“以学生为中心”。采用“设疑-解疑-答疑”的渐进式教学方法，强调基础理论与工程实际的紧密结合，激发学生学习兴趣，培养学生自主学习能力和创新能力，为高素质工程技术人才的培养奠定基础。
　　[关键词]化工热力学;翻转课堂;教学方法;自主学习;考核方式
　　[中图分类号]G642
　　[文献标识码]A
　　[文章编号]2095-3437（2020）04-0109-03
　　作为一种新颖的教学方式，翻转课堂（Flipped Classroom）就是指将授课教师的“教”和学生们的“学”彻底翻转、颠倒过来，将学习的主动决定权从教师转移给学生，以“学生为中心”进行教学，又称为颠倒课堂（Inverted Classroom）。上课前，学生通过看视频、听播客、阅读书籍等进行自主学习;课堂上，教师以学生提出的问题为引导，重点为学生答疑解惑，而无须系统讲解相关知识;下课后，学生则自主规划复习学习内容及其节奏。因此，翻转课堂的教学方法实质就是将知识的传播和知识的内化两个教学过程进行颠倒，这种教学方法的应用能够激发学生的学习兴趣，极大地促进学生的主动学习。
　　化工热力学是化学工程与技术一级学科下属各专业（如化学工程与工艺专业、能源化学工程专业等）的专业教育核心课程，此课程基于数学、物理化学及工程基础知识等，以热力学基本定律为基础，用热力学函数（P、V、T、H、S等）分析某些化工过程达到平衡的条件、状态和能量利用及其效率问题，制订节能降耗措施，以提高过程能量利用率。对于化学工程与技术学科的学生而言，这是一门从基础课过渡到专业课的桥梁课程，必须掌握其基本理论知识，才能具备分析和解决工程中有关化工热力学问题的能力。然而，化工热力学这门课的特点是理论性较强、概念抽象、公式繁多（多达106个公式），导致学生认为这是一门“焓焓”糊糊、“熵”透脑筋的课程而产生畏难情绪。此外，教师们在讲授这门课时大多采用“填鸭式”的传统授课方式，忽略了学生个性化学习、自主学习能力的培养。
　　2017年9月到2018年10月，笔者有幸到美国得克萨斯大学奥斯汀分校（The University of Texas at Austin，UT）以访问学者的身份进修了1年。通过学习，收获颇丰，在此结合化工热力学课程教学现状，阐述课程团队教师需要精心重新构建化工热力学的教学设计，包括课前精心备课、课堂组织教学以及课后考核评估三个环节，希望能对课堂教学注入一点活力，提供一定的参考。
　　一、课前精心备课
　　与传统备课方式不同，要达到翻转课堂的效果，教师在课前必须通过制作微视频、制作“空白”型PPT、设置问题和疑点，督促学生查阅资料。
　　1.教学微视频必须短小精悍。时长控制在学生能够集中精力的范围之内（如小于10min），可以通过动画、图片、文字等表达应该掌握的相关知识点。此外，微视频的内容在基于理论教学内容的基础上，必须密切联系实际生产或生活中的实例。比如，在讲授状态方程的应用时，结合能源利用现状，设置问题：同样一罐压缩天然气，夏天跑的里程为什么比冬天的短？提示学生可以分别应用理想气体状态方程、RK方程等计算一定体积的储气罐在一定压力（如20MPa）和不同温度（冬天15℃，夏天为45℃）下压缩天然气能行驶的里程数。理论联系实际，让学生明白所学知识可以应用，这样可大大提高学生的学习兴趣和主动性。
　　2.制作“空白”型PPT。传统的PPT内容翔实，问题及解决方法尽在其中，鼠标轻轻一点，公式映入眼帘，学生感觉眼花缭乱，没有思考的时间和余地。而“空白”型PPT是一种设置了疑点的PPT。例如，UT的Ganesan教授在讲授系统与环境相关知识时，学生课前拿到的PPT上仅有封闭系统的特点：“与环境之间没有物质传递，但有能量传递”，而孤立系统和开放系统的特点需要学生自己总结。此举极大提高了学生的自主学习能力，正应了“Tell me，I will forget;Show me，I may remember;Involve me，I will understand”这句话。
　　3.设置问题和疑点，督促学生查阅资料。针对课程概念抽象、公式繁多的特点，备课并不能完全局限于现代多媒体教学方法，也可以适当采用传统方法，教师在上课前给学生设置问题和疑点，促使学生查阅资料，主动思考，学习新知识。美国高校的本科生教学大多数是没有固定教材的，教材只是授课教师的参考资料，教学内容是由教师参考最新研究和一些经典教材自己组织的，并不局限于某一本教材。因此，为了解决教师提前设置的问题和疑点，学生不得不通过网络、图书馆等查阅资料解决，大大提高了其学习的主观能动性。
　　可见，课前精心备课、设置疑点是实现翻转课堂的关键步骤，可以说，教师是学生学习过程的设计者。
　　二、课堂组织教学
　　在课堂教学中，教师们可以通过翻转课堂的模式组织教学，听取学生在自学過程中遇到的各种问题，采用启发式教学、案例式教学和课堂分组讨论等形式解决，并针对学生提出的问题进行重点讲解和章节总结，深化知识点的关联性，加深学生对课程内容的理解。另外，也可结合学生就业讲授教学内容，强化与学生的交流和互动，注重使学生深入理解所学知识，提高教学效果。
　　1.采用启发式教学，营造轻松安全的氛围。在课堂教学中，教师应将传统系统讲授知识的精力用于精心组织课堂教学，以解惑和讨论为主，注重通过翻转课堂强化与学生的交流。这就要求教师需要提前收集学生在课前自学中遇到的问题，针对这些问题进行重点讲解，答疑解惑，使学生听后有种豁然开朗的感觉，同时通过随堂测试、课堂提问、师生互换、单元测试等教学方式和手段，督促学生主动认真学习，以达到提高教学效率和效果的目的。由于实行翻转课堂的授课方式，学生都是有备而来，在解决学生提出的疑点和授课过程中，可更多采用美国倡导的“以学生为中心”（Student-Centered-ness，SC）的启发式教学方法。启发式不仅体现在提出问题、解决问题、师生讨论方面，而且与教室的布局、生生讨论有关。美国高校的教室布置非常随意，椅子是可以活动的，方便学生之间进行小组讨论;也有的教室类似国内固定座椅的布局，学生坐着听教师讲课，但是授课教师讲课时在教室里随意走动，有利于学生集中精力听课;每一间教室都有多媒体、各种投影仪等，教师通过投影仪边写边讲学生提出的各种疑点，有利于学生对疑点难点的消化和吸收。因此，面对国内教室布局，教师可以不拘泥于讲台而是通过在教室随意走动督促学生集中精力，引导学生思考，鼓励学生提问，并把积极提问的频次作为判断学生学习能力的一个重要标准之一，使学生成为教学活动的参与者和领跑者。课堂氛围不仅需要轻松活泼，而且需要一种安全的氛围，即学生可以毫无负担地提出任何问题，甚至可以质疑教师的观点，而不被斥责或在总成绩中因此举降低分数。 　　2.及时总结内容，深化知识点的关联性。及时总结内容包括学生分组讨论总结和教师总结两部分。在讲解相关疑点难点重点后，教师可以按照座位确定5～10人为一组，并用数字为每个小组编号，确定组长，通过集思广益、各抒己见去总结本章节的内容，采取激励措施，使各组之间形成竞争的氛围，并通过总结使学生理解各知识点之间的关系。当学生在进行小组学习和讨论总结时，授课教师在教室走动给予帮助和指导，这样不仅培养了学生现代社会所需的合作学习能力和团队协作能力，而且也为教师自己后续的总结收集、补充、完善资料，达到了教学相长的目的。在各小组总结的基础上，教师还要对本节（或本章）内容进行总结，侧重于对本节（或本章）内容承上启下的作用进行讲解，使学生感受到教材中的相关内容“放下了是一堆，提起来是一串”，始终有一条主线贯穿其中，深化各知识点之间的逻辑关系。例如，在讲授立方型状态方程的相关内容时，形式多样的状态方程，均可写作通式P=RT/V-b-Attr，结合方程中的参数，可总结如表1所示。
　　这样通过与最简单的理想气体状态方程比较，得出“方程结构越复杂，精度越高”的结论，并通过后续的上机实训进行验证，培养学生通过软件计算解决实际工程问题的意识。
　　3.结合学生就业，讲授教学内容。面对抽象难懂、公式繁多的教材，提倡授课过程中穿插一些教师本人对本课程独到的见解，如该课程在日后工作中的应用、就业方向以及职业生涯规划等方面的内容。有工程实践经验的教师，可以该专业学生日后就业的炼油或化工厂等实际生产装置为例，让学生设身处地地思考：如果工作后领导需要进行装置的标定，期间需要利用Aspen Plus等化工软件进行计算，面对课堂上学习过的van der Waals、Redlich-Kwong、Soave-Redlich-Kwong、Peng-Robinson等状态方程，如何选取一个合适的方程进行计算？任务的完成与否将会影响到本人的薪金待遇和职位晋升，如此现实的问题迫使学生不得不考虑如何解决，这样教师就能引导学生思考并理解各个方程的适用范围。此举不仅传授了知识，缓解了学生大脑压力，而且使学生意识到课堂上所学知识和就业后的工作是息息相关的，势必会影响他们的前途和命运，这样会激发学生学习的兴趣和欲望，教学效果也在不知不觉中得以改善。
　　总之，在课堂教学中，教师精心组织课堂教学，为学生解决疑点问题，教师的作用由讲授知识转变为引导学生学习，学生的学习由被动接受转变为自主学习，可以说，教师是学生学习过程的引导者和合作者。
　　三、课后考核评估
　　课后的首要环节是检测学生们的学习效果和学习质量，可以通过辅导答疑、在线开放课程平台、期中期末考试等多渠道评定学习效果和质量。
　　1.改善辅导答疑的内容和形式。目前尽管课程设置了每周的辅导答疑时间，但每次前来问问题的学生寥寥无几，若我们将单元测试、期中考试等与学生最终成绩息息相关的教学环节穿插于此，结合网络在线平台的建设，线下线上有机结合，问题也就迎刃而解了。例如，UT的Maynard教授的助教在每周一次的答疑课上，不仅为学生讲解作业中的疑点，而且不定期地设置小测验，测验成绩计入总成绩中，此举督促了学生按时参加答疑活动。
　　2.考核方式多样化。目前，化工热力学课程的考核方式比较固定，一般期末考试成绩占总成绩70%～80%的比例，平时作业成绩占总成绩的20%～30%，且考试内容大多数都是课堂上所讲的，学生习惯考前复印记录完整的笔记，考前临阵磨枪，考试照样可以顺利通过。这种制度造成了学生不注重平时的学习过程，更谈不上自主学习和创新性学习。因此，期末考试成绩所占比例一定要较小，以便杜绝考前突击的现象。美国大学教师对于考核模式有很大的自主权，同样一门课程，不同的授课教师考核方式及各环节所占比例各异，但共同点都是侧重于学习过程，而期末考试成绩所占比例均仅为20%左右。比如UT的Maynard教授提供的一份化工热力学教学大纲显示，最终成绩由家庭作业（9%）、随堂测试（15%）、平时考试（每次占19%）和期末考试（19%）组成，完全颠覆了考核侧重点观念。该校的教学非常注重学习过程，学生们在学习的同时，及时消化吸收，避免了将疑点堆积至期末难以下咽的问题。
　　3.采用半开卷考试方式。目前对于化工热力学课程期末考试，有的学校采用闭卷考试，有的则是开卷考试。闭卷考试的弊端是公式太多，在短时间内记忆困难，可能会导致夹带等作弊现象的发生;开卷考试的弊端是学生完全依赖教材和作业，考场上很多时间用来翻阅资料而不去认真审题思考，还会出现相互传送资料的现象。UT的Ganesan教授和Maynard教授均采用了半开卷的考试方法，允许学生携带一张规定尺寸（如3英寸×5英寸）的“小抄”（cheat sheet），而教师则提供可能会用到的公式、方程及图表等资料，这样避免了學生死记硬背公式，减轻了考试负担，促使学生将学习的重心放在理解和应用知识方面，体现了以学生为中心的教学理念和教书育人的教育宗旨。
　　总之，考核评估应包括平时作业、随堂测验、课堂提问、师生互动、生生互动、单元测验以及实验上机等，还应该结合大数据、相关软件等，减少教师的工作量，尽可能客观公正地评价学生的学习，让教师成为学生学习过程的辅导者。
　　综上所述，翻转课堂的模型如图1所示。
　　四、结语
　　诚然，我国的大学教育模式经过多年的探索，拥有了自己的特色，能够使学生系统掌握知识，但是，这种教育模式不利于培养学生的自学能力和创新能力。因此，我们可以取长补短，借鉴和学习美国高等学校的教育模式，改变教学观念，认识到课程教学模式改革的必要性，学习和掌握多种多样的教学手段、教学方法和考核方式等。我们可以从翻转课堂的教学模式着手，贯彻“以学生为中心”的教学理念，以工程教育专业认证为契机，采用“设疑-解疑-答疑”的渐进式教学方法，使教师成为学生学习过程中的设计者、引导者、合作者和辅导者，促进教师积极主动提高自身的教学业务水平。希望通过上述改革和探索，持续改进，培养学生的自主学习和创新能力，为高素质工程技术人才的培养奠定基础。
　　[责任编辑：钟岚]
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