翻转课堂教学模式在化工原理课程设计中的实践*

郑大锋，杨东杰，钟 理

(华南理工大学化学与化工学院，广东 广州 510640)

化工原理课程设计是化类专业本科学生在完成了化工原理课程学习后的一门强化实践课程，主要内容是对化工生产过程的单元操作进行实践性设计[1-2]。通过该实践课程，不仅可以提高学生工程计算能力、解决复杂工程问题的能力和创新能力，而且还可建立学生的经济意识，培养团队精神[3]。因此，化工原理课程设计是工科化类专业非常重要的本科教学环节。

化工原理课程设计实践环节与理论教学脱节现象严重，导致许多学生对要设计的单元操作计算、公式查阅、标准查阅一知半解、甚至完全脱离国标规范。为提高化工原理课程设计的教学质量，我国化工原理课程一线教师进行了大量的探索和实践，并已经取得了有益的成果[4-7]。但由于历史和现实原因，化工原理课程设计仍然普遍存在学生积极性不高、参与度差、设计效果差等问题[8-10]，导致该课程的目标达成度偏低。如何提高化工原理课程设计的教学效果，实现课程的目标达成度，是高校有关老师需要解决的热点问题。

1 翻转课堂的内涵及其与化工原理课程设计的融合点

翻转课堂又称“颠倒课堂”，其宗旨是将学习的主动权交给学生。从2007年翻转课堂的概念被正式提出以来，其发展势头如燎原之势，迅速从美国发展到全世界，从基础教育到高等教育领域，成为教学改革的热点[11-13]。

翻转课堂教学模式体现了教育的人性化[14]。翻转课堂的教学原则是先学后教，教师主要对学生进行个性化辅导。化工原理课程设计的特点是分散设计为主，集中授课为辅，并且注重交流合作，因此翻转课堂模式在教育人性化上与化工原理课程设计是高度融合的。

翻转课堂模式强调学生在课堂中交流讨论、分享知识和思路，从而激发学习的积极主动性[15]。现阶段化工原理课程设计的主要问题之一是学生参与的积极性不高，因此采用翻转课堂模式能较好弥补化工原理课程设计的缺点。

再次，翻转课堂突破了传统课堂时间空间的限制，这较好克服了传统化工原理课程设计课堂上教师辅导时间短、知识量大的矛盾。

基于此，笔者尝试在化工原理课程设计实践课程中采用翻转课堂教学模式，摸索合适的教学方法和手段，以提高化工原理课程设计教学效果，促进教学改革，并引来他山美玉。

2 翻转课堂模式在化工原理课程设计教学中的具体实施措施

笔者根据多年的教学经验和化工原理课程设计的课程目标，结合翻转课堂的特点和优势，将化工原理课程设计教学过程分解为以下模块。

2.1 线上教学

目前有关化工原理课程的慕课建设已经比较普遍。为了充分利用这些资源，笔者直接引进国内名校的有关化工单元操作设备设计和计算在线课程作为网络教学资源进行线上学习。如在换热器设计和精馏塔设计部分，笔者选择了兰州大学严世强教授在智慧树上的开放课程《化学工程基础》作为教学资源供学生学习。严教授授课严禁认真、逻辑性强，多媒体课件直观形象，学生接受度高。同时，笔者还选择了天津大学在中国大学MOOC上的《化工原理》作为教学资源。该开放课程适应性强，可充分满足不同专业学生的需要。

此外，笔者自己还制作了有关塔设备、换热设备的结构、工艺计算、设备计算的动画视频，并上传至网络云盘中，供学生在传统课堂之前进行学习。学生可以根据自己学习能力自主制定学习计划和进度，反复学习，加深理解，并重点标识难点和疑问。

2.2 课堂集中教学

翻转课堂要求课中师生之间保持良好互动。笔者在学生完成线上视频学习后，再根据化工原理课程设计的课程目标和知识点，将课程内容分解，采用基于问题为中心的教学模式。每一部分内容都围绕一个问题展开教学，以学生讨论为主，并提出解决方案[16]。如对于换热系统的设计任务，笔者先将课程内容分解为传热面积的估算、换热管长及管数的计算、壳体内径的计算、组件的选择、换热器的核算和换热器结构几大部分。每一部分都设置一个中心问题，并分别安排独立一个单元时间集中讲解，学生在解决迷惑后，再进行分散讨论，形成最终的解决方案，保障课程设计的质量。对于学生在线上学习的个别问题，采用一对一的方式在课中解决。

在精馏塔设计课程中，笔者在将课程分解为工艺计算、结构计算、机械计算、流体力学性能核算、辅助部件选型等部分。对于每一部分，笔者也都安排独立单元时间讲解，并留出充分时间由学生思考讨论，在形成自己的解决方案后再进入下一单元的学习。

2.3 线下设计

在完成视频学习、集中讲解的基础上，笔者给每位学生安排了内容不同的设计任务。如针对换热器课程设计，笔者分别安排了不同原料温度、不同冷却温度、不同流量、不同换热器形式的设计任务，使每位学生均有独立任务，避免相互抄袭。针对精馏塔的设计，笔者给每位学生布置了乙醇-水体系、正戊烷-正己烷体系的分离设计。同一体系要求产品纯度不同、产量不同、精馏塔形式不同。在设计过程中，学生只能互相合作，难以生搬硬套。

在共性的设计问题上，要求学生分工协作，互相讨论。如在精馏塔课程设计中，计算内容涉及物料衡算、热量衡算、相平衡关系与传递速率、主要设备结构设计与附属设备选用等，计算量大，往往涉及非线性方程组求解及非平衡级的计算，手算较难完成，因此在设计过程中要求学生采用计算机、练习使用各种计算软件编程完成设计计算。笔者鼓励学生之间互相帮助，必要时组成几个计算小组共同编程完成设计计算。在制图过程中，为培养学生在今后实际工程设计中的计算机能力，笔者鼓励学生采用 Aspen plus、PRO II、Auto CAD软件绘制设备图、工艺流程图和模拟结果。在制图阶段，笔者安排几位已掌握Auto CAD软件的学生在课堂上为全体学生讲解该软件的使用方法和窍门。

2.4 课后评价和反思

化工原理课程设计是考查课程，目前常用的考核方法是平时表现+说明书+图纸质量+答辩。如何科学合理评价课程的学习效果，也是提高化工原理课程设计质量的关键。

在化工原理课程设计采用翻转课堂模式，有助于建立更为科学的线上与线下相结合的考核体系。利用线上平台，可以客观、高效反映学生线上学习的情况，为更合理评价学生的平时表现提供了科学依据。同时，线上平台可以实现自我评价、生生互评、教师点评，构建多元的综合评价体系，改革传统的化工原理课程设计考核系统。

线下评价仍然是必要的考核手段。结合翻转课堂和信息化辅助教学手段的应用，笔者增加了计算机应用能力考核。如在装配图和流程图绘制中，笔者鼓励学生采用Aspen plus、PRO II、Auto CAD软件绘制。

课后反思，持续改进是翻转课堂教学的特点。根据课程评价结果，学生可以反思是否已经达到预期的学习效果，探索原因，提升学习能力。教师也可以根据课程总的考核结果，反思课程目标是否已经达成，如果某一部分没有达成，应该从哪些方面加以完善，从而有目的的加强教学，持续改进教学效果。

3 改革成效与展望

实践初步证明，在化工原理课程设计中采用基于翻转课堂的教学模式，并将线上与线下学习有机融合，能在较短时间内有效强化和巩固化工单元设备设计的理论基础，增强学生的学习主动性，并能充分激发学生学习的主体性和积极性。近两年，参与改革的班级学生设计说明书撰写的规范性、设计方案的合理性、工艺计算的正确性方面比改革之前有所改善。笔者从工程知识、设计解决方案和使用现代工具等方面进行了课程目标达成度分析。在设计解决方案上，课程目标达成度提高了约8%；工程知识上，课程目标达成度提高了约6%。但由于实践时间有限，此教学改革仍需要进一步完善。下一阶段，笔者计划开发一门化工单元设备基础的在线开放课程，并进一步优化线下课程知识模块，重点解决学生学习过程中的疑难点，回归学生在学习过程中的主体作用，力争打造化工原理课程设计金课。