基于實例引導創新的《化工原理》教學改革與實踐

＊葛雪惠 尤新強 李玲 葉長燊 楊臣

（福州大學化工學院 福建 350116）

《化工原理》是化學工程與工藝、制藥工程、過程裝備與控制工程專業、生物工程、食品科學與工程專業、環境工程專業的一門主干課，它以化工生產中的物理加工過程為背景，研究和探討化工生產中大規模改變物質物理性質的基本規律，應用這些規律解決化工生產中的實際問題，并將這些規律按其操作原理的共性歸納成若干單元操作[1-2]。

課程需要達到的目標是通過課程教學，掌握本課程的主要研究方法及主要單元操作的基本原理、工藝計算和典型設備的結構與設計，培養學生具備根據各單元操作在技術上和經濟上的特點，進行“單元過程和設備”選擇、過程計算、設備設計、故障處理的能力，并針對實例進行分析評價，進而進行創新性的構建。

1.學情分析：高階認知教學目標完成度較低

(1)定性分析

化工原理課程是一門專業性很強的課程，它的學習要求先修課程基礎，如高等數學、工程制圖、大學物理等，及后續課程的進一步加強，如化工原理課程設計、化工設計等，是化工及相關學科本科生全過程培養中非常重要的環節。

化工原理課程作為一門典型的工科課程，有以下幾個特點：

①理論學習難度較大：化工原理以“三傳”（動量傳遞、熱量傳遞和質量傳遞）現象為基礎，涉及大量的理論推導和公式計算，教學過程中易出現老師在黑板上奮筆疾書，學生卻如望天書的情況，但理論知識如同基石，如果沒能很好掌握，后續認知的提升也無從談起[3]。

②實踐訓練難以開展：化工原理課程涉及20多種單元操作，比如流體輸送、加熱、干燥、吸收、萃取等，每一種單元操作從理論到設備都有各自的特點，而化工廠一般遠離市區，占地面積大，投資費用大，操作起來專業壁壘高，操作不當會造成嚴重事故，這就導致帶領學生們對每一個單元操作都進行實地參觀比較困難，實際操作更是幾乎不可能[4-5]。

③整體創新難以開展：化工操作中的每一次進步都是在對理論的深入理解，對實際設備的運行過程了然于胸，再結合大量實驗的基礎上實現的，在課堂上要實現這樣的整體創新非常困難[6-7]。

(2)定量分析

課程成績由平時作業（10%）、平時小測（20%）、期末考試（70%）構成，如圖1所示。在考察的時候對課程目標1～3分別設計考察題目，并進行定量分析，課程目標4為價值觀塑造，無法定量分析。

圖1 化工原理課程目標

教學目標達成度收集了18級化工、18級化學及19級化工的數據，其中18級福州大學化學專業課程綜合成績主要集中于70～90分數段，占比60.3%，優秀占比13.2%，60～69分數段人數占比22.0%較多，卷面平均成績62.0分，綜合平均成績70.0分，平時小測平均成績89.0分。本課程包括三大教學目標，達成度分別為0.840、0.710、0.680。19級福州大學化工專業課程綜合成績主要集中于70～90分數段，占比56.7%，優秀占比3.7%，60～69分數段人數占比27.0%較多，卷面平均成績63.0分，綜合平均成績71.0分，平時小測平均成績83.4分。本課程包括三大教學目標，達成度分別為0.780、0.687、0.668。

從圖2中可以看出，教學目標1的達成度最高，基本都能超過0.7，而教學目標2和教學目標3的達成度逐漸下降，其中教學目標3的達成度最低，這是因為教學目標2和教學目標3為綜合分析和實例設計，對學生綜合運用知識的要求大幅提升。

圖2 三個班級教學目標達成度分析表

從學情分析中可知，在化工原理課程的教學過程中，存在基礎理論知識理解需要加強、中高階認知迫于客觀原因難以開展的問題，教學改革與創新需要從存在的這幾個痛點入手。

2.方案設計：實例引導創新

針對學情分析的痛點，化工原理教學團隊提出以實際案例作為抓手，通過教學過程中與學生們共同分析探討實際案例，加強互動與實踐，設計貫通低、中、高階認知的教學方案，通過實際案例結合微創新思維引導，提升學生們的學習獲得感及學習興趣，形成“實例引導創新”的教學范式。

（1）挖掘“有血有肉”的精選實例，自然融入課程。針對每個章節深入挖掘精選案例，將每個單元操作過程串聯成一個個生動的故事，引導學生們的學習興趣和價值理念。

（2）線上線下教學結合，針對性強化理論學習。依托在線開放課程資源（慕課等），使用現代信息技術，綜合啟發式講解、傳統板書等手段，強化理論教學過程，同時建設線上習題庫反映學生們總體完成情況和不同知識點的掌握比例，及時發現學生的薄弱環節，從而針對性輔導。

（3）實例引導微創新，提升高階認知能力。在確保學生們基本掌握理論知識的前提下，引導學生團隊協作進行實例分析，并利用創新思考范式，引導學生們對實例進行整合優化，促使其利用知識去主動完成較為復雜的整合過程，增強對專業的認可。

3.實施過程：精選實例，多管齊下，層層深入，以學生發展為中心

實施過程的總體思路為以學生發展為中心，綜合運用多種手段，層層深入，具體方式如下所示。

（1）全階段全過程教學，融入整體培養過程?；ぴ碚n程有其先修課程與后續課程，因此在講授時需要把握其在學生整體培養過程中的位置，在課程講述時回顧前面學過的知識，重點講述化工原理課程的單元操作，而對于單元設備的細節及實際操作，則留至后續的化工設計、化工實驗中進一步探索，符合學生知識學習過程逐步深入的自然規律。

（2）豐富教學資源，滿足學生需求。依托豐富的在線學習視頻，結合課程教學，帶給學生們系統性的教學體驗，同時輔助性地分享時間較短但制作精良的教學資源，比如微信公眾號、知乎專欄等針對某個知識點的生動細致講述，提升學生的學習興趣，并通過豐富線上題庫、雨課堂在線測驗等手段建立中長期、線上線下的綜合教學模式，提升學生對教學內容的掌握度。

（3）學習方法分享，針對性解決學生困難。授之以魚不如授之以漁，課程教學中也會經常分享一些好的學習方法，比如通過進行“思維導圖”練習、針對知識點自己設置題目等方式讓學生們更好地熟悉和掌握好的學習方法。

（4）倡導微創新，以學生為主進行深入分析?；ぴ碇猩婕?0多個單元操作，如果以理論講解-設備分析-習題計算的方式來講授，會相對比較枯燥。因此我們采取翻轉課堂的方式，先讓學生們利用豐富的教學資源，對理論知識有基本的掌握，再采用以實例為核心，分組討論的形式，討論實際案例的優缺點，例如針對常用的弓形擋板存在壓降大及流動死區的缺點，引導學生們采用逆向思維、分析綜合、聯想思維、直接思維等方法去思考改進方法，提出采用螺旋式折流擋板的方法減少死區，從而實現減壓降耗的效果。雖然課堂中的改進相對微小，但要充分肯定學生們的這種“微創新”，這對化學工程的持續改進非常重要。

（5）精選案例融入課堂，引導學生興趣。針對每個章節深入挖掘精選案例，將每個單元操作過程串聯成生動的故事，引導學生們的學習興趣和價值理念。譬如在蒸餾章節的學習中，以我院化工過程強化團隊在反應精餾領域的科研工作為例。醋酸甲酯簡稱MA，是PTA的副產物，而PTA是很多生活用品的重要化工原料。但PTA生產過程中會產生大量MA副產物，傳統的水解工藝水解率僅為23%左右，化工過程強化團隊不斷查閱文獻，團隊討論，往返于實驗室和工廠一線，水解率在一次次失敗中不斷提升，最高可達99.5%以上，產生了巨大的經濟效益和社會效益。利用身邊鮮活的事例，極大增強了學生們的學習興趣和在學習過程中面對困難和失敗勇于擔當、勇于拼搏的創新精神。

4.教學創新成效

本文主要講述了基于實際案例進行化工原理教學并引導學生進行創新性思維和創新性設計的教學改革實踐。根據最初的環境專業班級（64人）的教學評價，學生對基于實際案例進行的化工原理教學及創新實踐改革評價較高，評價分數高達97分（滿分100分），從評教結果來看，學生認為通過思政引導和案例分享的方式，有效傳遞了正確的價值觀念和道德觀念，而豐富的教學資源和全過程全階段教學有助于學生學習知識點的融會貫通和及時查缺補漏，課外延伸和創新引導有助于提升學生的自我學習能力、分析能力、表達能力和創新意識，學生認為通過及時與老師同學們進行討論交流，不僅有助于知識的理解，提升學習興趣，而且提升了他們進一步投身專業深造的熱情。后續可將教學改革實踐進一步拓展到化學工程與工藝、制藥工程、過程裝備與控制工程專業、生物工程、化學專業和食品科學與工程專業（學生人數約600人），促進教學迭代優化。

5.結語

本文主要講述了基于實際案例進行化工原理教學并引導學生進行創新性思維和創新性設計的教學改革實踐。根據定性和定量的學情分析，確立了“實例引導創新”的思路，對理工科課程設計貫通低、中、高階認知的教學方案，引發學生學習興趣，結合工程案例和實驗技術培養學生動手能力，使用創新思維范式引導學生進行自組織學習、主動構建案例，取得了一定的成效，而學生的創新成果又納入課程內容，促進教學迭代優化。