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化工原理实验课程数字转型背景下教学改革探索

2023-10-26 47 上传者：管理员

摘要：在数字转型的大背景下，信息技术与教育教学深度融合是新时期高校教育教学改革的重点。教学团队依据人才培养目标，以信息技术为依托，建设丰富的数字化教学资源，设计有效的线上线下教学活动，构建多元化教学评价体系，提高了化工原理实验课程教学质量，为实验教学的多元化发展提供参考。

关键词：
化工原理
实验教学
教学实践
教学改革
数字化转型
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世界正处于以信息技术为核心的大变局时代，我国“十三五”规划纲要正式将“数字中国”上升为国家战略[1]，数字信息技术正在赋能和重塑越来越多领域，随着物联网、云计算、大数据、人工智能等新技术在教育教学中的广泛应用，信息技术在教育教学领域已由“简单应用”转向“深度融合”的阶段，教育数字化成了教育教学领域备受关注的新热点话题，推进数字化建设将成为教育改革实践的重要方向[2]。2023年2月在北京召开了主题为“数字变革与教育未来”的世界数字教育大会，教育部长怀进鹏在会上指出我国将深化实施教育数字化战略行动[3]。2023年5月，习近平总书记在主持中央政治局第五次集体学习时发表重要讲话，指出我国将进一步推进数字教育，为个性化学习、终身学习、扩大优质教育资源覆盖面和教育现代化提供有效支撑[4]。

高校课堂是人才培养的重要阵地，培养学生成为适应经济社会发展的创新型、应用型人才是高等教育高质量发展的重要任务。实验室被认为是高校三大支柱之一，实验教学是培养学生实践能力、科学思维和创新能力的重要途径，相比高等教育其他教学领域，高校实验教学研究的关注度则相对较低[5]。化工原理实验是化工类学生必修的一门专业基础课，是运用化工原理理论和工程实验方法来解决化工实际问题的重要实践过程，课程内容按照化工单元操作原理设置，每个实验相当于一个化工生产过程，而化工过程问题复杂且受很多工程因素影响，学生通过学习本课程可以对复杂的实际工程问题进行准确表达，进一步开展研究工作，为化工设计和应用打下坚实基础。本文结合实践教学经验，分析九江学院当前信息技术与化工原理实验课程教学融合情况，为其他实验课程教学与信息技术深度融合提供相关参考。

1、数字化转型背景下化工原理实验课程教学创新的必要性

传统化工原理实验课程部分教学内容受限于成本和危险等因素无法正常开展，课程教学内容十分有限；预习是化工原理实验学习的重要内容，传统教学过程中学生只能根据教材进行机械抄写，无法激发学生学习兴趣；传统授课模式要求学生在固定时间固定地点进行集中学习，教师进行示范操作，学生只是模仿操作动作，课后学生也无法回看，无法达到个性化学习目标。针对以上教学痛点问题，课程教学团队充分利用信息技术，通过丰富数字化实验教学资源，实施线上线下混合式教学模式和创新多元化实验教学评价等方式拓宽课程教学的广度和深度，充分发挥学生的主动性，旨在推动化工实验教学的多元化发展。

2、数字化转型背景下化工原理实验课程教学创新途径

2.1丰富数字化实验教学资源

数字化教学资源具有多样性、互动性、可定制性、可更新性等特点，优质的数字化教学资源是建设一流化工原理实验课程的重要支撑。在数字化转型背景下，数字化教学资源日渐丰富，课程教学团队严格按照教学培养方案要求开发和整合数字化教学资源。

2.1.1教学基础资源库建设

课程教学团队分阶段逐步细化基础教学资源，建成精品化数字教学资源。首先根据教学内容进行资源搜集和制作，将电子化教学大纲、授课计划、教材、讲义上传到网络教学平台，方便学生随时随地查看学习。为了将知识点可视化、形象化，课程教学团队录制了实验原理、实验操作部分的微课视频，同时配有仪器内部结构相关flash动画及实际生产设备图片等。再次通过购买、网络搜素等形式建设适合教学需求的习题库，习题库题型以选择题、填空题、判断题和简答题为主，习题库中的客观题用于在课前检测学习预习效果，方便教师实时掌握学生预习情况，简答题为实验后的思考题，以巩固和拓展学生学习内容。习题库中习题学生可以自主进行练习，易于学生查漏补缺。在教学基础资源库建设过程中鼓励学生参与，如微课录制时要求操作熟练的学生进行操作演示。实验报告是非常重要的实验教学资源，将典型实验报告扫描发布到网络教学平台上可以实现教学资源有效迭代使用。

2.1.2虚仿实验资源库建设

教育部发布的《教育信息化2.0行动计划》中提出“加强高等学校虚拟仿真实训教学环境建设”[6]，随着信息技术与教育教学的深度融合，虚拟仿真实验建设将成为实验教学改革的重要内容。

我校于2019年完成建设了流体流动综合实验、恒压过滤实验、传热综合实验、吸收解吸综合实验、精馏综合实验、洞道干燥实验、萃取实验等典型化工虚拟仿真实验，这一模块虚拟仿真实验发布在欧倍尔仿真云平台，精馏塔单元与安全演练和吸收解吸操作工艺3D虚拟仿真综合实训等两个典型化工实训项目在江西省高校虚拟仿真实验教学共享服务平台上线。典型化工虚拟仿真实验包括实验介绍、设备介绍和操作说明三部分。实验介绍涵盖实验目的、实验原理、实验装置、实验步骤和实验注意事项等内容，易于学生在操作前快速对实验内容进行初步了解。设备介绍通过文字和视频的两种不同形式对虚拟仿真实验中涉及到的设备进行详细、多维度的介绍，方便学生更加形象、直观地了解仪器结构。操作说明利用文字的形式对软件使用方法进行了详细说明，助力学生提前熟悉软件操作方法。针对实际的生产实习过程出于安全考虑学生大部分时间只能参观厂区和设备，动手实操的机会很少，且在生产过程中的事故安全处理情况无法呈现给学生等现实问题，课程教学团队开发了两个典型化工实训项目，通过三维仿真模拟工厂环境，以设备、流程和操作认知为主要教学内容，使学生建立现代化工业生产运作方式，项目的中控室DCS具有操作实际化，故障模拟化、控制网络化等特点，提供了一个与真实生产非常相似的操作环境，其中各种画面的布置、颜色、数值信息动态现实、状态信息动态指示、操作方式等方面与真实工厂中控室的DCS操作相同。

2.1.3课程思政案例库建设

图1化工原理实验课程数字化教学资源

新时代下高校教育的根本任务是立德树人，教学团队依据课程目标重组教学内容，构建嵌入式课程思政教学平台资源，深挖化工原理实验课程蕴含的思政元素，开展课程思政案例库建设。

结合化工原理实验课程特点，课程教学团队经调研和研讨，从以下4个方面挖掘课程思政元素：(1)挖掘课程中蕴含的马克思主义哲学内容，如雷诺实验揭示的物质运动规律，数学模型法反映了主要矛盾和次要矛盾，引导学生理解和认识其中的哲学思想，树立实事求是、具体问题具体分析、科学发展等人文意识。(2)挖掘化工行业专家为行业发展做出不懈努力的事迹，如在学习萃取实验时介绍苏元复先生在液液萃取领域中取得的卓越建树等，通过榜样经历激励学生努力学好专业知识，培养不畏艰辛、勇于探索的科学精神。(3)挖掘化工行业的重大工程，如学习流体流动实验时介绍我国西气东输工程，学习传热综合实验时介绍青藏铁路破解高原冻土难题，激发学生爱国主义精神，培养文化自信。(4)挖掘化工行业规范、规程，如《化工工艺设计手册》《石油化工设备设计选用手册》等，塑造尊重规则意识，培养职业素养，为未来就业提供有力保障。

2.2实施线上线下混合式教学模式

在全方位开发整合数字化教学资源的前提下，依托网络化教学平台，将优质数字化教学资源与课堂实践教学有机结合起来，整合传统教学模式和在线教学模式的优点，实施线上线下新型混合式教学模式，变革教学结构，激发学习兴趣，在发挥教师主导作用的基础上，充分体现学生的主体地位，进一步提高教学质量。

课前教师在教学云平台发布教学资源和学习任务单，学生根据学习任务单进行自主式学习，根据自己的实际情况安排线上学习时间，教师可以根据教学云平台对学生学习时间、学习进度进行查看和督促。通过发布在线测试检查学生预习效果，然后统计学生测试完成情况，对相应数据进行分析，及时调整教学重难点内容，实现精准教学。学生进入虚仿实验室可以全方位观察实验装置结构，熟悉操作流程，避免了传统教学中学生只能机械摘抄教材内容而导致预习效果差的现象。学生自主学习过程中有任何问题都可以通过QQ、微信等社交工具与同学和老师进行沟通，为进行线下翻转课堂奠定坚实基础。

应用线上教学资源能实现简单知识课前自学，课前学生基本掌握实验原理和实验流程，线下课堂通过汇报、讨论、分析等教学活动将核心知识点传递给学生[7]，学生通过自主探究的形式深入理解基本理论。比如在学习精馏综合实验时，课前教师在教学云平台发布讨论：为何会出现漏液和液泛等异常操作？这些异常操作会产生哪些影响？应该如何处理这些异常操作？在精馏开车实操过程中让学生进行自主实验，通过自主调试可以直观地认识到不同因素对精馏塔稳定性的影响，引导学生对实验结果进行总结，通过查找资料、分析讨论，积极发言，进而掌握回流比、加热功率等关键参数。适时引入相关科技前沿，阅读科技论文《萃取精馏与变压精馏分离甲醇/乙酸异丙酯工艺优化及节能》，学生能够了解共沸物分离技术，拓宽知识学习广度，提高课程高阶性。观看记录短片《科技报国大先生——余国琮》，结合课前学生自主查找的余国琮先生事迹，课堂分享观看感，学生表示为余先生胸怀祖国、严谨治学的科学家精神感动，觉得专业知识“学有所用”，提升了专业自信。融入紧贴知识内容的思政元素不仅能助力知识传授，且“润物无声”地进行价值塑造。线下课堂学生角色由接收者转变为创造者，能更好地激发学习内驱力，促进学习主动性，教师可以实时了解学生对知识的掌握程度，及时反馈教学效果。

课后延续课前和课堂的师生、生生互动讨论，引导学生就课堂还未解决的疑问进行线上讨论和分析，通过教学云平台和社交平台将高互动的交流沟通贯穿在课程教学全周期过程中。实验报告是实验课重要的成果体现，传统实验报告存在格式僵化，报告内容有限和保存不方便等问题[8]，教学团队改革实验报告形式，采用电子化实验报告丰富报告内容，内插视频和图片等素材能更真实记录实验过程。

2.3创建多元化实验教学评价

教学评价是教师收集学生反馈的信息，了解教学质量，调控教学行为的重要手段，是教学活动中重要环节[9]。传统教学评价以期末考试这种单一形式作为评价手段，学生容易产生临时抱佛脚，学习基础不牢等问题。信息技术的发展有利于建立多元化考核评价体系，教学团队基于知识传授、能力培养、价值塑造“三位一体”的教育理念，构建了过程性评价和总结性评价相结合的多维度教学评价体系。

过程性考核占总评成绩50%，贯穿课前、课中和课后全过程，其中线上学习在过程性评价中占20%，包括线上视频学习，线上作业，线上考试，签到和课堂互动等，虚拟仿真实验操作在该部分占10%，这两部分评价任务可以由教学云平台进行统计完成，极大地减轻了教师教学负担，且实时的教学反馈能促进学生及时调整学习策略。课中翻转课堂包括小组汇报、小组讨论和文献阅读等教学活动，占比20%；课中实验操作成绩占比为20%，制定评价量规表，由学生和教师共同对该部分进行评价；课后实验报告占过程性成绩30%，由教师对实验报告质量进行评价。

总结性评价是学期末或课程结束时进行的综合考核，总评后折算成50分。结课考试作为总结性评价，主要体现知识目标达成情况，采取闭卷笔试和操作考核相结合的方式进行。

图2多元化考核评价体系

3、结语

针对化工原理实验课程教学痛点问题，教学团队加强自身数字素养，强化信息技术与课程教学融合，在一定程度上打破了教学内容、教学时间和教学场地的限制。丰富的数字化资源建设是课程改革的基石；线上线下教学模式能适应不同学生的学习节奏和学习能力，为学生异步学习提供条件；信息技术为实现多元化教学评价提供了便利，可以实现全方位、全过程采集教学数据。在后期教学中将通过深入挖掘教学数据，对师生行为进行分析诊断，提出针对性意见以提高课程教学质量，促进信息技术与教育教学深度融合。

参考文献:

[1]黄荣怀,杨俊锋.教育数字化转型的内涵与实施路径[J].新华文摘,2022(13):124-125.

[2]祝智庭,胡姣｡教育数字化转型的实践逻辑与发展机遇[J].电化教育研究,2022,43(1):5-15.

[5]杨选瑾,熊宏齐.研究型大学实验教学信息化实证研究[J].中国大学教学,2018(3):.75-78.

[7]王秀云,宿艳,张永策,等.分析化学实验智慧教学模式设计与应用[J].大学化学,2021,36(01):119-123.

[8]诸海滨,刘安然,赵红,等.有机化学实验报告电子化的教学改革实践[J].广州化工,2021, 49(15):267-269.

[9]吴淑娟.地方高校教学评价制度的审视与优化[J].高教论坛,2022(06)-.79-82.

基金资助:江西省高等学校教学改革研究课题(JXJG-20-17-1);九江学院校级教学改革研究课题重点项目(XJJGZD-20-06);江西省教育厅科学技术研究项目(GJJ170970);江西省虚拟仿真实验教学项目(2020-2-0083);

文章来源:刘芬,柏凌,杨涛等.数字转型背景下化工原理实验课程教学改革探索[J].广东化工,2023,50(20):184-186.