丁美麗 陳慕華 顧曉利 張雄飛 馮 藝 朱玉香 王 潔 姚建峰

(南京林業(yè)大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，江蘇 南京 210037)

《化工原理》是化學(xué)工程類及相近專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，在公共基礎(chǔ)課和專業(yè)課之間起到了非常重要的橋梁作用[1]。課程主要運(yùn)用自然科學(xué)的原理考察、解釋和處理工程實(shí)際問題，從理論上闡明化工生產(chǎn)中流體流動(dòng)、傳熱、蒸餾等各個(gè)單元操作過程的基本原理，典型設(shè)備的結(jié)構(gòu)、工藝尺寸計(jì)算和選型，探索強(qiáng)化過程的途徑，通過課程學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)操作和課程設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生處理工程技術(shù)中一般問題的綜合能力，為其以后的專業(yè)課學(xué)習(xí)奠定良好的基礎(chǔ)。

本文基于對(duì)化工原理課堂教學(xué)現(xiàn)狀的分析，探索“顛覆認(rèn)知”策略在化工原理教學(xué)中的應(yīng)用，旨在激發(fā)并充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，引導(dǎo)學(xué)生理解該課程的概念、原理及典型化工設(shè)備的設(shè)計(jì)與選型，最終實(shí)現(xiàn)課堂教學(xué)整體效果與質(zhì)量的提升以及學(xué)生實(shí)踐意識(shí)、工程意識(shí)和創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)。

1 化工原理課堂教學(xué)現(xiàn)狀分析

化工原理課程主要基于物理、化學(xué)、數(shù)學(xué)等自然科學(xué)基本原理，如質(zhì)量守恒、能量守恒、平衡關(guān)系等，研究各化工單元操作的基本原理、典型設(shè)備的構(gòu)造及工藝尺寸的計(jì)算或造型，并能用以分析和解決工程技術(shù)中的一般問題。該課程涉及到很多學(xué)生在公共基礎(chǔ)課程中未接觸過的基本概念、知識(shí)點(diǎn)以及工程計(jì)算公式，學(xué)生在課程學(xué)習(xí)過程中普遍認(rèn)為該課程內(nèi)容龐雜，符號(hào)和計(jì)算公式記憶難度大[2,3]，很快就喪失了對(duì)該課程的學(xué)習(xí)興趣。傳統(tǒng)化工原理課堂教學(xué)多以講授法為主，教師通過敘述、描繪、解釋和推論等方式對(duì)學(xué)生進(jìn)行較為直接的課程知識(shí)灌輸，這使得學(xué)生很難在整節(jié)課堂中都保持高度的注意力，長(zhǎng)此以往還會(huì)造成學(xué)生對(duì)教師的依賴心理，從而在很大程度上抑制了其學(xué)習(xí)的獨(dú)立性和自主性。不僅如此，由于化工原理課程每一章的知識(shí)關(guān)聯(lián)性很強(qiáng)，學(xué)生在課程學(xué)習(xí)初期如果無法進(jìn)入狀態(tài)很容易對(duì)后面章節(jié)的學(xué)習(xí)產(chǎn)生畏懼心理，更無法做到對(duì)知識(shí)點(diǎn)的融會(huì)貫通和舉一反三，進(jìn)而嚴(yán)重影響學(xué)生各方面的能力培養(yǎng)。

2 “顛覆認(rèn)知”激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)力，提高教學(xué)質(zhì)量

美國(guó)著名教育心理學(xué)家奧蘇伯爾將學(xué)校情境中的學(xué)業(yè)成就動(dòng)機(jī)分為認(rèn)知內(nèi)驅(qū)力、自我提高內(nèi)驅(qū)力和附屬內(nèi)驅(qū)力[4]。對(duì)于正值青年期的大學(xué)生而言，他們的學(xué)業(yè)成就動(dòng)機(jī)主要為認(rèn)知內(nèi)驅(qū)力和自我提高內(nèi)驅(qū)力。他們希望通過學(xué)習(xí)來理解事物、掌握知識(shí)、解決問題或是由自身學(xué)業(yè)成績(jī)而獲得相應(yīng)的地位和威望。因此，打破傳統(tǒng)課堂教學(xué)模式，通過合適的教學(xué)策略來激發(fā)學(xué)生的認(rèn)知內(nèi)驅(qū)力，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)參與知識(shí)的建構(gòu)，提升教學(xué)質(zhì)量的同時(shí)加強(qiáng)師生之間的互動(dòng)[5]，是目前化工原理課程教學(xué)亟需解決的一個(gè)重要問題，同時(shí)也是化工原理課程教學(xué)改革值得深入探索的問題。

有鑒于此，結(jié)合化工原理課程的特點(diǎn)，我們?cè)诳紤]學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展水平和已有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，利用“顛覆認(rèn)知”策略從以下三個(gè)方面對(duì)該課程進(jìn)行教學(xué)改革，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中對(duì)自身原有認(rèn)知出現(xiàn)顛覆，對(duì)課程內(nèi)容產(chǎn)生濃厚興趣，從而主動(dòng)打破原有認(rèn)知架構(gòu)，并在教師的引導(dǎo)下積極主動(dòng)地重新構(gòu)建新的思維方式和知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，真正做到將“要我學(xué)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤拔乙獙W(xué)”。

2.1 顛覆認(rèn)知策略用于概念教學(xué)

化工原理課程涉及很多基本概念學(xué)習(xí)，而好的基本概念學(xué)習(xí)效果又為原理學(xué)習(xí)奠定了良好的基礎(chǔ)。為改善概念教學(xué)的整體效果，教師可以在課堂教學(xué)的導(dǎo)課環(huán)節(jié)利用顛覆認(rèn)知策略巧妙地吸引學(xué)生的注意力，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)現(xiàn)象背后的原因或本質(zhì)進(jìn)行刨根問底式的追問和思考，然后自然過渡到概念教學(xué)，讓學(xué)生更容易接受和理解很多基本概念。

以傳熱的三種基本方式為例，教師在課堂導(dǎo)入階段提出問題：“我們用手觸摸冰塊都會(huì)覺得冰很冷，那么如果我們用冰塊搭建房子是否會(huì)感覺很涼快？”多數(shù)學(xué)生會(huì)根據(jù)生活經(jīng)驗(yàn)回答：“是的。”這時(shí)教師再提問：“如果用冰塊建的房子令人感覺涼快，那為什么生活在北極的因紐特人還會(huì)住在冰屋內(nèi)呢？”學(xué)生面對(duì)與自身以往認(rèn)知完全不同的現(xiàn)象時(shí)會(huì)產(chǎn)生極強(qiáng)的好奇心。由此，教師告訴學(xué)生：“其實(shí)因紐特人用冰建造的冰屋內(nèi)部是很暖和的，今天就讓我們從傳熱的三種基本方式一起來揭示冰屋保暖的奧秘?！贝藭r(shí)，學(xué)生對(duì)本節(jié)課程的學(xué)習(xí)內(nèi)容產(chǎn)生了濃厚的興趣，同時(shí)也希望通過學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)了解傳熱的三種基本方式分別是什么以及這些傳熱的基本方式在冰屋保暖中又分別起到了什么樣的作用。在整個(gè)概念教學(xué)過程中，學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性被調(diào)動(dòng)，會(huì)主動(dòng)參與到概念的理解和分析中，并與教師給出的結(jié)論相比較，不斷進(jìn)行自我反思，課堂參與度大幅度提高，對(duì)于基本概念的理解也更加高效。

2.2 顛覆認(rèn)知策略用于原理教學(xué)

原理教學(xué)往往需要建立在概念教學(xué)的基礎(chǔ)之上，比起概念教學(xué)也更為復(fù)雜。因此，學(xué)生強(qiáng)烈的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)是原理教學(xué)得以有效進(jìn)行的重要前提?；ぴ硎且婚T實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，倘若教師在原理教學(xué)中能夠聯(lián)系生活實(shí)例，利用顛覆認(rèn)知策略使學(xué)生對(duì)自身無法解釋的現(xiàn)象產(chǎn)生迫切的求知心理，就可以快速讓同學(xué)進(jìn)入最佳的學(xué)習(xí)狀態(tài)，以達(dá)到較好的教學(xué)效果。以流體流動(dòng)中的伯努利原理為例，教師在課堂中可以與學(xué)生一起完成小實(shí)驗(yàn)，嘗試用幾口氣將一個(gè)氣球吹大。實(shí)驗(yàn)成功后，教師提問：“如果將氣球換成一個(gè)又長(zhǎng)又大的塑料袋，我們還可以吹幾口氣就將塑料袋吹大嗎？”即使不經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，多數(shù)學(xué)生憑借自身經(jīng)驗(yàn)也會(huì)得出無法實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)的結(jié)果。這時(shí)教師可以親自演示實(shí)驗(yàn)過程或直接利用相關(guān)網(wǎng)絡(luò)視頻資源告訴學(xué)生，這個(gè)目標(biāo)其實(shí)是可以實(shí)現(xiàn)的，使學(xué)生產(chǎn)生認(rèn)知沖突并對(duì)難于解釋的現(xiàn)象背后的本質(zhì)或因果規(guī)律產(chǎn)生強(qiáng)烈的興趣。此時(shí)教師直接給出簡(jiǎn)單解釋：“離袋口遠(yuǎn)一點(diǎn)吹塑料袋，會(huì)使得塑料袋口處因流體流動(dòng)產(chǎn)生低壓，大氣壓就會(huì)將氣體壓入到塑料袋中，因此我們只需幾口氣就可以將一個(gè)又長(zhǎng)又大的塑料袋吹大，這其實(shí)利用到的就是我們今天要學(xué)習(xí)到的伯努利原理?！痹趯W(xué)生對(duì)伯努利原理有初步印象后，再逐步引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)和理解伯努利方程，最后通過伯努利方程再總結(jié)出相應(yīng)規(guī)律即伯努利原理：等高流動(dòng)時(shí)，流速大，壓力就小。

通過創(chuàng)設(shè)豐富的情境使學(xué)生對(duì)已有生活經(jīng)驗(yàn)的認(rèn)知產(chǎn)生顛覆，可以讓學(xué)生迅速對(duì)眼前的事物產(chǎn)生高度的興趣，也更愿意主動(dòng)了解相關(guān)原理[6]。教師在此基礎(chǔ)上加以適當(dāng)引導(dǎo)，讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題并利用所學(xué)知識(shí)分析問題，最后幫助學(xué)生深入理解相關(guān)原理并總結(jié)相應(yīng)的基本規(guī)律。如此開展原理教學(xué)，有利于學(xué)生在牢固掌握相關(guān)原理的同時(shí)獲得課程原理的學(xué)習(xí)方法。

2.3 顛覆認(rèn)知策略用于化工設(shè)備教學(xué)

根據(jù)工程教育專業(yè)認(rèn)證理念，化工原理課程近年來在教學(xué)大綱、教學(xué)條件、考核機(jī)制等多個(gè)方面都進(jìn)行了全面改進(jìn)，以期培養(yǎng)學(xué)生的工程素養(yǎng)以及創(chuàng)新、應(yīng)用與分析能力[7]。其中，對(duì)于化工原理課程中的化工設(shè)備，需要學(xué)生在學(xué)完課程以后能夠針對(duì)單元操作過程的特性，確定單元操作主體設(shè)備的類型和操作條件，并進(jìn)行單元操作設(shè)備的設(shè)計(jì)優(yōu)化。為了加強(qiáng)學(xué)生對(duì)于化工設(shè)備相關(guān)內(nèi)容的理解，在化工設(shè)備教學(xué)過程中，教師可以適當(dāng)設(shè)置問題障礙情境，使學(xué)生形成認(rèn)知沖突，教師由此引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)獲取知識(shí)并解決問題，最后教師對(duì)該化工設(shè)備的相關(guān)原理與設(shè)計(jì)優(yōu)化進(jìn)行歸納總結(jié)。

如講授流體輸送機(jī)械中的離心泵時(shí)，對(duì)于離心泵基本方程，在了解葉片不同的彎曲形式形成不同大小的流動(dòng)角對(duì)于離心泵理論壓頭大小的影響規(guī)律—當(dāng)使用后彎葉片時(shí)流動(dòng)角小于90度則理論壓頭值較小，而當(dāng)使用前彎葉片時(shí)流動(dòng)角大于90度則理論壓頭值較大的基礎(chǔ)上，教師提問“根據(jù)此規(guī)律，我們應(yīng)該在設(shè)計(jì)或使用離心泵時(shí)選擇何種葉輪？”因?yàn)榍懊鎰倢W(xué)習(xí)流動(dòng)角對(duì)于離心泵理論壓頭大小的影響規(guī)律，大部分學(xué)生都會(huì)選擇具有前彎葉片的葉輪。此時(shí)教師可以直接給出結(jié)論“事實(shí)上在工業(yè)生產(chǎn)中離心泵多用后彎葉片”。學(xué)生在面對(duì)與其分析結(jié)果不同時(shí)會(huì)產(chǎn)生求知懸念，基于此，教師從理論壓頭、靜壓頭和流動(dòng)角的關(guān)系曲線圖引導(dǎo)學(xué)生分析三者之間的關(guān)系，與學(xué)生共同總結(jié)在流動(dòng)角不斷變化過程中離心泵理論壓頭與靜壓頭的變化規(guī)律，最終由學(xué)生自主分析解決問題，并得到結(jié)論：雖然使用前彎葉片流動(dòng)角大于90度時(shí)理論壓頭值較大，但其中動(dòng)壓頭比例也較大，為了避免因過大動(dòng)壓頭造成能量轉(zhuǎn)換時(shí)產(chǎn)生較大的能量損失，應(yīng)該使用后彎葉片。

如此，根據(jù)所學(xué)內(nèi)容創(chuàng)設(shè)問題情境，用問題有效啟發(fā)學(xué)生思考，在學(xué)生因?qū)嶋H結(jié)果感覺內(nèi)心受到巨大沖擊以后，引導(dǎo)他們主動(dòng)參與教學(xué)過程，深入探究相關(guān)規(guī)律，從而準(zhǔn)確理解典型單元操作設(shè)備的合理結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)計(jì)算等。

3 結(jié)語

不憤不啟，不悱不發(fā)，學(xué)生在認(rèn)識(shí)顛覆時(shí)產(chǎn)生的強(qiáng)大好奇心可以促使學(xué)生主動(dòng)參與學(xué)習(xí)。因此，教師在充分考慮學(xué)生認(rèn)知水平的基礎(chǔ)上，利用顛覆認(rèn)知策略適當(dāng)設(shè)置認(rèn)知沖突可以顯著提高學(xué)生的求知欲望和對(duì)化工原理課程知識(shí)點(diǎn)的關(guān)注度，促使學(xué)生不斷發(fā)現(xiàn)問題；此外，在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生可以自主構(gòu)建新的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，提高其對(duì)課程知識(shí)的理解力，有效提升課程教學(xué)效果同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生綜合工程能力，為國(guó)家培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用型人才。