基于抽象工厂模式的化工原理课程动态构建的研究

孙雪妮，韶晖，张莉，屈蕴茜

化工原理是大化类专业学生（包括化学工程和工艺、生物工程、环境工程、高分子材料等）的一门基础核心课。课程以化工生产中的单元操作，如流体输送、多元物系分离、传热等为主要内容，综合运用数理化等多门学科的知识去分析化工单元操作中涉及到的“三传”（动量传递、热量传递和质量传递）原理，并通过工艺和过程计算去完成设备的设计、选型及优化。[1]2017年，教育部在高等工程教育发展战略研讨会上提出了“新工科”这一概念，要求深化教学改革，创新教学方法，培养出高水平的新工科人才，使得我国的工程专业能率先进入高等工程教育世界的“第一方阵”。[2]在此背景下，如何针对不同专业、不同层次的大化类学生，科学、合理、高效地制定教学计划，进行教学资源的有序整合，完成知识的精准定位，从而加强学生的工程意识，增强其解决实际工程问题的能力，提高他们的综合素质，是化工原理课程改革的关键。虽然许多教师对化工原理课程的教学改革进行了有意义的探讨和研究，但现阶段的化工原理课程仍多采用传统方式进行教学。[3]这种传统教学模式不利于综合性、应用型人才的培养，也不利于化工原理课程的现代化教学发展。此外，针对不同学科及不同基础的学生对象，不少教师往往采用同一个教学课件进行授课，教学质量并不理想。前苏联发明家阿奇舒勒在他的五大发现中指出：创新设计所依据的科学原理往往属于其他领域。[4]故针对化工原理课程中传统教学模式存在的不足，我们尝试跨学科引入新的教育教学方法对化工原理教学模式进行有效的补充。

本论文受传统“碎片化”教学思路启发，借鉴软件工程中的设计开发方法，首先提出利用面向对象中“类”的概念，将化工原理课程的知识点细分为“类”元素。在此基础上，将抽象工厂模式的基本架构思想引入到化工原理教学当中，对各章节知识点进行柔性构建和动态重组，并针对不同的教学对象搭建相应的教学计划及教学内容。以此形成“面向学生”的全新“敏捷教学”模式。本研究为“新工科”导向下化工原理课程的教学改革提供了一种新的思路和理念。

一 课程教学内容的“类”划分

类（Class）是面向对象程序设计（OOP，Object- Oriented Programming）中的概念，是对一些具有共同特征的对象的抽象集合体。我们利用“类”的概念，将化工原理课程内容划分为一系列合适的“类”元素。化工原理研究的内容为“三传”理论，在此基础上可将课程分为三大章节：流体流动、传热和质量传递，之后将各章节再碎化为一个个小的知识点。对各章节知识点进行“类”划分和碎片化后，即可形成专属化工原理的UML（Unified Modeling Language）类图，用以表示知识点之间存在的各种关系。[5]此举有助于化工原理内容框架的动态构建，也有利于化工原理数据库的开发。以化工原理中传热章节为例，以泛化（Generalization）和聚合（Aggregation）对主要知识点进行划分并绘制UML类图，如图1所示。

图1 化工原理传热章节的UML类图

接着将知识点碎片化为更小的具有相对独立性和完整性的知识点单元。针对每一个小知识点单元分别给出类名称、类属性和类方法。类名称可用来查找和调用整个知识单元；类属性用以描述类的特征，方便后台人员管理具有相同属性的对象；而针对不同的教学对象，我们可以动态地删减或增加类方法，达到知识点的敏捷构建。以热传导章节为例，将知识点碎片化为热传导机理、傅里叶定律和热传导方程三个小单元，分别给出它们的类名称、类属性和类方法，见表1。之后我们便可以采用设计模式中的抽象工厂模式来对化工原理课程进行动态重组。

二 抽象工厂模式应用

设计模式可分为创建型、结构型和行为型三大类共23种模式。创建型模式包括工厂模式、抽象工厂模式、单例模式、构建模式和原型模式，被广泛应用于模块及项目的重构。[6]针对不同专业不同层次的学生，不少教师不能及时的调整教学内容，从而使得授课效果不理想，会出现讲授的知识和学生的专业不能交叉融合的现象。我们现在将设计模式从软件开发领域引入到化工原理教学当中，针对化工原理课程，我们以学生为关注对 象，在“类”的基础上，采取抽象工厂模式对化工原理教学资源进行动态构建、整合及优化，从而形成“面向学生”的动态教学模式。此外，这一模式还利于运用现代化手段、融合人工智能算法来搭建专属化工原理的大数据库。

图2 抽象工厂模式在化工原理中的类图

在前一章节我们对知识点进行了“类”划分和碎片化，以类属性为基础，知识点可分为“基本概念”“定律公式”和“综合运用”三大类。之后采用抽象工厂模式对知识点进行重构，对应的类图描述如图2所示。首先定义一个抽象工厂类Abstract Factory，底下包含了Factory 1、Factory 2和Factory 3三个具体的工厂，分别用来提供基本概念、定律公式和综合运用实例的所有知识点。而生产出来的产品则是客户（学生）需要的产品（动量传递、热量传递和质量传递的知识点）。在此基础上，建立多个抽象工厂（多媒体课件数据库、例题数据库、动画flash数据库等），教师可从各工厂中抽取知识点碎片进行动态重组，将构建后的教学内容（产品）呈现在学生面前。

三 化工原理课程动态构建实例

现分别针对本校华罗庚学院和石油化工学院的化学工程专业学生开设化工原理课程，以学生为主体，充分重视学生的不同知识基础，采用上述思想和构建理念对化工原理课程进行一定的柔性构建和动态重组。

（1）在学期初课程开始之前，教师先根据类划分原则，对各章节中的内容进行“碎片化”分类，并定义知识点的类名称、类属性和类方法。

（2）清楚学生的培养目标及学生的学习基础。两个学院所设立的化工专业均旨在培养具备化学工程理论知识、国际化视野、创新意识及工程意识，掌握设备设计、过程模拟优化的工程技术人才。本校石油化工学院的本科生基础较好，以大班教学模式为主；而华罗庚学院为本科生拔尖人才培养特区，学生基础优秀，以小班教学为主。

（3）建立多个抽象工厂，也就是数据库，如多媒体PPT课件库、Flash动画库、例题库、习题库和考题库等，每一个工厂下都有若干子工厂存放具有相同类属性的知识点，如：基本概念、定律公式和综合运用实例。在教学过程当中，教师可根据具体需要从数据库中搜索类名称，然后直接调用各模块，再进行一定的动态排列组合，之后便可顺利的开展教学，如图3所示。例如：在数据库中搜索关键词“PPT”、“定律”和“热传导”后便可得到含有相关知识点的PPT课件。同理还可以搜索得到含有相关知识点的例题和习题。

图3 抽象工厂模式下的化工原理教学内容动态组合示例图

（4）框架搭建完成后，教师便可根据之前制定的教学计划对选取的模块中的类方法进行修改，针对不同层次不同基础的学生，采用合适的方法来阐述知识点，从而使得教学内容更贴近学生的专业。如：针对两个学院的学生讲授热传导方程时，类方法中的平壁和圆筒壁和球壁都需要学生了解掌握。而针对华罗庚学院的学生，则可添加类方法中的球壁导热方程或非稳定态下导热方程。由此可见，仅通过修改类方法，教师便可达到不同的教学目的。教师还可以添加新的类方法，从而丰富化工原理数据库的资源。此举不但有利于教师利用现代化手段来组织安排教学及考核内容，而且随着教学的开展，还能形成一个专属于化工原理的知识数据库。

四 总结

在化工原理教学中借鉴面向对象程序设计的思想，对化工原理知识点进行“类”划分。针对不同的教学对象，利用软件设计模式中的抽象工厂模式，对教学内容进行柔性构建及动态组合，以此形成“敏捷教学”的全新模式。在因材施教、因人施教的基础上，尝试引入新 的教育教学方法对传统教学方式进行有效的补充。从教学方法、教学手段上进行改革和创新，真正做到教学方法手段的现代化和多样化，培养出满足“新工科”要求的综合型、应用型人才。