問題導向/翻轉課堂教學在生物工程專業“化工原理”課程中的應用探索

李璐，肖南，解新安，李雁

華南農業大學 食品學院，廣東 廣州 510642

2010年教育部啟動的“卓越工程師培養計劃”，明確將“重視工程人才培養國際化”列為中國工程教育改革發展的重大戰略之一[1]。近年，教育部又提出“新工科”背景下的工程教育改革，致力于培養具有國際視野的卓越工程技術人才[2]。高校承擔著為社會提供人才的重任，如何使高校學生在校學習期間獲得工程思維和解決實際問題的能力是工程人才培養的核心。

作為學生進入工程領域的敲門磚，“化工原理”通過單元操作對加工過程中的各種平衡關系以及影響因素進行熱力學及動力學研究，是我院面對生物工程專業開設的主干專業必修課程之一，也是該專業發酵工程工藝原理、釀酒工藝學、發酵設備、發酵工廠設計等專業課的先修課程。該課程具有工程實踐性強、注重應用等特點，對培養學生，尤其是工程類課程較少的農業院校的學生的工程意識、工程計算能力、解決實際工程問題的能力具有舉足輕重的作用。但受限于農業院校學生薄弱的先修學科基礎和難以學以致用等現狀，學生的學習積極性普遍不高，對其工程能力的培養效果也很不理想。

筆者基于所在教學團隊十幾年對化工及食品工程原理課程的教學經驗，在“廣東省精品資源共享課”項目資助及建設的基礎上，以新工科改革和卓越工程師培養計劃為契機，結合國內外工程教育發展和現代高等教育改革的趨勢，通過探索新的教學手段和方法來提高學生學習的主動性，進一步培養學生工程意識和解決問題的能力，以滿足社會對高層次工程人才的需求。

1 翻轉課堂與傳統PBL教學方法的融合

PBL (Problem-based learning) 教學法，也譯作“問題導向學習法”，強調以問題為導向，以解決問題為主線，鼓勵學生通過自主探索、分組合作等方式去獲得自主學習和解決復雜問題的能力[3]。PBL教學法作為一種建構主義思想指導下的教學模式，于1969年首次被美國神經病學教授Howard Barrows應用于醫學領域[4]，因效果良好而逐漸被推廣到其他教育教學實踐中，是目前國際上比較流行的一種教學方法。

翻轉課堂 (Flipped classroom) 是近年基于信息技術蓬勃發展而興起的一種新型教學模式，它最基本的理念是把知識學習過程放在教室外，學生先根據教師布置的任務和資源選擇合適方式自主學習，課堂上學生再在教師引導下通過內容討論、針對性疑惑解答及團隊協作交流等方式，完成知識的建構和內化[5-6]。與傳統教學相比，它將傳統課堂“預習-課堂講授-復習”的學習流程翻轉為“課前自主學習-課中知識內化-課后總結提高”的學習步驟，本質上是一種先學后教的模式，因更符合人類認知規律而成為實施差異化教學和個性化教學的有效手段，在國內外的教育教學領域獲得快速發展[7]。

筆者分析這兩種教學模式發現，翻轉課堂和PBL教學在教學特點及學習方式上存在很多共通性和互補性。如果將兩者有效融合用于生物工程專業“化工原理”課程的教學，將生物工程中常采用的生產工藝和操作設備作為理論教學內容的載體，教師在任務布置和課堂討論時通過聯系生活或生產實際構建問題場景，以解決問題為導向引入相關授課內容，必能激發學生對課程的興趣，并在自主學習、疑難探究、問題解決的過程中實現對其工程思維意識的建立和強化，這對于培養學生的學習能力、創新精神以及培養更多具有較高素質的卓越工程人才都將具有重要作用。

2 基于PBL的翻轉課堂教學模式設計與實踐

2.1 基于導入問題和網絡資源進行課前教學設計

2.1.1 通過工程案例或生活情境實現問題導入

興趣是最好的老師，因此在課前學習時，教師可根據教學目標設計一些能夠讓學生產生共鳴或認知沖突的情景，激發學生的參與欲望，調動學生運用已有的知識去積極思考，并帶著解決問題的意愿去學習和主動查閱文獻，真正變“要我學”為“我要學”。如在講解固體干燥前可先讓大家思考如下生活現象：為什么降低食品中的含水量能延長其保質期呢？在廣州三四月份的“回南天”(我國華南地區一種潮濕天氣現象的稱呼) 里，為什么衣服會特別難晾干呢？通過這種與生活實際緊密相連的問題讓學生產生對濕空氣性質及對流干燥原理等課程內容的學習愿望。也可以通過生物工程生產工藝中涉及到的與教學內容相關的工程案例進行問題導入，如在講解流動輸送機械時，可結合學生正在上的釀酒工藝學課程中提到的“純生”啤酒的生產特點及生產工藝，假設某企業在“純生”啤酒的過濾澄清工藝中需處理的啤酒流量是120 m3/h，進出超濾膜設備的壓力分別為2.02×105Pa和1.52×105Pa，請他們幫企業選擇合適的泵。學生因有了解決實際問題的需求而更有積極性去系統預習泵的型號、適用范圍、選型計算等相關課程內容。

2.1.2 學生根據問題、學習資源和教學任務進行課前自主學習

課前學習是翻轉課堂能夠順利進行的關鍵，合適的課前預習既能提升學生的學習興趣，又能幫助其實現既定的學習目標。因此，在通過問題導入引起學生的學習興趣后，教師還必須根據授課的主題和重難點合理安排教學內容，內容不僅要“?！焙汀熬?，還要具有比較好的可控性和延伸性。本教學團隊建設完成的廣東省精品資源共享課教學網站可提供絕大部分章節授課視頻、課件ppt及對應的自測題目 (網址：http://spgcyl.course.scau.edu.cn/index.asp?index.html)?？紤]到學生觀看完整的授課視頻進行課前學習可能時間過長，我們還會針對性錄制部分20 min以內的短視頻，鼓勵學生結合教學目標及任務，通過教材文獻、課程平臺、互聯網等多個渠道完成課前學習，并通過回答導入問題和系統自測來檢查課前學習效果。同時，對于課前學習中遇到的問題，學生可在課程網站互動區或QQ交流群中留言討論，實現學生與學生、學生與老師間的多方位實時交流。老師也可選擇部分有代表性的問題帶入課堂，組織同學實施更大范圍、更深層次的討論。

例如筆者在對“固體干燥”章節實施翻轉教學前，會提前告知本章的教學目標是：①掌握和理解濕空氣的性質；②能利用空氣性質的特點解釋相關的生活現象；③能通過干燥過程中的物料衡算、熱量衡算及干燥時間計算等，完成食品干燥加工中最佳工藝參數的優化工作。據此給學生設定課前學習任務如下：①通過觀看授課視頻等資源自主完成對濕空氣溫度、濕度、比熱等性質的定義及相關公式學習；②思考回答引入問題，想想生活中還有哪些現象或事情與空氣的性質有關？試著用相關原理進行解釋；③預習應用熱空氣對流干燥的物料衡算和熱量恒算以及相關工程例題，考慮如何應用這些知識去優化食品干燥加工中的工藝參數；④如果把前面學過的固體流態化和干燥結合起來，所得的流態化干燥與普通干燥相比有什么優勢？能不能找到其在食品或生物工程工業中的應用實例？通過這些具有層次性的“問題鏈”，引導學生將問題不斷向前推進，在學習、思考、探究、討論和解決問題的過程中，引導學生體會知識的發現和形成過程，加深對知識本質的理解，形成和掌握解決食品及生物類工程問題時的思維方式。

2.2 基于主題討論及答疑解惑的課堂交互教學

課堂學習繼續采用PBL與翻轉教學相融合的模式。教師可結合課前學習的導入問題和教學目標，通過交互式課堂應答系統，快速掌握學生學習進度與掌握情況，及時發現學生理解或掌握不到位的知識點及學習疑惑，尋找多個問題的共性聯結點，在此基礎上組織難點學習或小組討論，通過師生互動、生生互動來深化課前學習的內容，實現對學生已知知識的深化、拓展和應用，完成知識內化的過程。

例如，筆者在利用翻轉課堂組織“固體干燥”中濕空氣性質的學習時，會先把學生 (一般是兩個班，約50人) 分成10個學習小組，抽取其中7個小組分別講述相對濕度、濕含量、熱焓、露點溫度等7個重點概念，另外3個小組負責提問和補充。然后讓同學尋找生活中和濕空氣性質相關的例子或現象，并試著從理論上給予解釋。大家討論后發現秋天晝夜溫差大時早晨會有露水就與露點溫度有關；食品干燥后含水量降低會停止或減弱微生物的活動，從而延長食品的保質期；“回南天”衣服特別難干是空氣相對濕度接近飽和，因此無法完成水分的傳質過程等在自我講述和討論應用的過程中，學生深化了對課前自學知識的理解和掌握，并通過與生活現象的關聯拓展了應用性和趣味性。之后再由老師介紹焓濕圖的應用，給每個小組設定不同的獨立狀態參數查圖，小組討論后派代表展示查圖過程及結果，鼓勵其他小組有疑問或不同意見時馬上提問并進行討論，在進一步鞏固不同條件下如何在焓濕圖中確定狀態點方法的同時，實現師生互動和生生互動。最后，教師再對整個過程中暴露出的難點問題進行講解和補充，引導學生對整節課的知識進行總結和梳理，并引申出后續需解決的相關工程問題，推動學生注重知識的內化和應用，培養其提出問題、分析問題和解決問題的能力。

總之，在翻轉課堂教學中，因學生在課前已經針對性地完成了相關內容的自主學習，因此在課堂上，學生是課堂的中心和主導者，教師有更充足的時間組織學生討論、針對性地解答疑惑等，使得具有不同學習背景、生活閱歷的同學在已有的知識基礎上建構出新認知，使課堂教學成為知識的處理與轉化過程。

2.3 通過總結梳理和實踐應用實現課后鞏固拓展

課后總結反饋環節是檢驗學生是否真正掌握知識的有效途徑。首先應采用多種評價形式，如教師評價、學生互評等，對學生課前和課中的表現進行客觀全面的學習評價。然后教師通過學習平臺布置課后作業，促進學生對相關知識的梳理和總結。在此基礎上，通過提供一些工程實際應用的拓展資源，指導學生進行實踐的驗證與應用。如針對“食品干燥”的已授內容，引導學生設計綜合性干燥實驗——流態化干燥和洞道干燥對不同食品物料的干燥效果對比，并結合所查詢到的工業中兩種干燥手段的應用情況，分析流態化干燥的優勢及適用類型。再如在完成傳熱學習后分享這樣一個工程案例：原為我國長三角地區某城市設計的萬噸有機酸生產工廠，后因種種原因落戶在遼寧某地區，但原設計方案并未進行相應修改與調整。項目建成后，在冬季時出現室外物料管道結晶、堵塞等現象，造成生產停頓，損失巨大。請同學們結合傳熱中有關保溫和強化傳熱等相關知識，對該現象產生的原因及解決策略進行分析，從而強化學生分析問題、解決問題的工程能力，而且他們在后續進行發酵工廠設計等專業課程學習時也會自覺考慮設備使用的環境因素[8]。同時，我們也鼓勵學生積極參與全國大學生化工設計大賽、食品工程虛擬仿真大賽等，通過多方面的學以致用達到更好的教學效果。

以上3個環節層層遞進，有效融合了課前學習、課中內化、課后鞏固的翻轉課堂和以問題為導向的PBL教學模式，該模式的整體過程如圖1所示。

圖1 基于PBL的翻轉課堂教學模式Fig.1 Flip classroom teaching mode based on PBL.

3 基于PBL翻轉課堂教學改革的評價方式和效果

教學改革的一個重要環節是對學生的學習過程及效果進行合理評價。根據翻轉課堂的教學特點，我們重新制定了化工原理課程的成績評價體系 (表1)，切實將課前自主學習能力、團隊合作能力以及分析解決問題能力體現到對學生學習的動態評估中，同時仍將能相對客觀反映學生掌握知識能力的期末考試作為重要考察內容，占總分的60%。對積極參加全國大學生化工設計大賽及課程相關創新課題研究的同學，在最終考核成績不超過100分的情況下給予最高5分的機動獎勵。圖2是化工原理課程教學改革前 (2016級，47人)和實施翻轉課堂教學改革后 (2017級，49人) 學生的平時成績 (圖2A) 和期末成績 (圖2B) 的對比。從圖中可以看出，傳統模式下學生平時成績因評價依據單一導致區分度 (0.13) 很小，成績基本集中在85–95分之間；而實施翻轉課堂教學后，平時表現所占比重增加及多角度評價方式使區分度顯著加大 (0.42)，表現突出的同學可能能拿到滿分，表現差的同學可能低至65分，更科學合理地評價了每個學生在學習中的付出和成果。圖2B中期末成績的結果則表明實施翻轉課堂教學改革后，學生的成績得到了明顯提高，分析原因可能是在這種“先學后教”的模式下，學生可以根據自己的學習習慣和時間安排學習進度，發揮了學生在學習中的主體作用。其次，通過線上線下的實時反饋，教師能更準確地了解到學生學習的難點疑惑，從而提供更有針對性的指導[9]。

表1 化工原理課程評價方式Table 1 Evaluation methods of Principles of Chemical Engineering course

圖2 實施翻轉課堂教學改革前后學生平時成績 (A) 和期末成績 (B) 比較Fig.2 Comparison of students’ usual achievements (A) and final testing (B) between ordinary class and the flipped teaching class.

同時，我們也以無記名問卷方式對參與課程改革的49名同學進行了滿意度調查 (問卷設計及調查結果見表2)。從調查結果可以看出，除“獎勵分值的推動作用”選項外，其余各調查項中的滿意率均超過90%，大多數同學對課程改革在提高學習興趣和效果、工程能力的培養等方面給予了較高的認可度。深入了解后發現，學生對獎勵分值激勵作用不滿意的主要原因是參加比賽或課題等很難剛好在授課學期完成，導致該獎勵機制形同虛設，不能對學生的學習積極性起到有效激勵作用。同時，學生也希望課程考核能進一步細化，內容方面能進一步加強與工廠實際的聯系和應用，能有更多的flash甚至虛擬仿真學習資源等，這也為課程后續的持續改進指明了方向。

表2 基于PBL的化工原理翻轉課堂教學改革效果評價Table 2 Reform effect evaluation of PBL/flipped teaching in principles of chemical engineering

4 結語

在“化工原理”課程中開展基于PBL的翻轉課堂教學模式的探索與實踐，促進了問題導向探究性教學思想和現代教育技術下的翻轉課堂教學模式的融合，改傳統的“先教后學”為“先學后教”，使學生的被動學習轉換為自主探究式的主動學習，在加強學生基礎知識掌握和提升工程能力等方面取得了顯著成效，可為社會及食品生物工程行業培養具有持久學習能力的創新型工程技術人才。