《Education for Chemical Engineers》：Impact of a structured flipped classroom model on conceptual understanding and controller design skills in process control engineering
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摘要过程控制工程被广泛认为是本科化工课程中分析要求最高的课程之一。传统的以讲授为主的教学方式往往限制了学生主动解决问题和基于应用的实践学习的机会。本研究在为期六周的时间里，分析了一个应用于四年级学生过程控制课程的反转课堂框架。六十名学生被平均分为两组（每组n = 30），分别
摘要
过程控制工程被广泛认为是本科化工课程中分析要求最高的课程之一。传统的以讲授为主的教学方式往往限制了学生主动解决问题和基于应用的实践学习的机会。本研究在为期六周的时间里，分析了一个应用于四年级学生过程控制课程的反转课堂框架。六十名学生被平均分为两组（每组n = 30），分别接受传统教学和反转课堂教学。为评估效果，研究使用了经过验证的概念测验，并结合了聚焦于控制器设计技能的考核以及一道独特的迁移应用题。结果显示，反转课堂组在概念理解（d = 1.54）、控制器设计技能（d = 1.17）和迁移应用表现（d = 2.98）方面均有显著提升。即使将先验知识作为协变量纳入分析，协方差分析（ANCOVA）也证实两组之间的表现差异具有统计学显著性。研究表明，结构化的课前准备与课内的分析性互动相结合，能显著提升过程控制教育中高阶学习效果。
引言
过程控制构成了现代化工产业的运行核心。无论是调节反应器温度、维持分离单元流量，还是稳定管道压力，控制策略在确保过程可靠性、产品质量和操作安全方面都发挥着至关重要的作用（Bequette, 2003; Seborg et al., 2010）。在工业装置中，控制系统被广泛用于调节温度、压力和流量等关键过程变量，以维持稳定高效的运行状态（Smith and Corripio, 2005）。尽管其工业相关性极高，但学生在掌握这门学科时仍普遍遇到困难。过程控制的认知要求远不止于公式推导；学习者必须解读系统动态行为、评估稳定性表现，并在复杂交互系统中为控制器参数选择提供合理性论证（Bequette and Ogunnaike, 2001; Moodley, 2020）。
在许多工程项目中，教学方式仍以讲授为主。虽然讲座能够高效地呈现公式推导和理论框架，但常常将复杂的推理过程压缩在单次教学环节中，要求学生同时处理符号变换与概念解读（Freeman et al., 2014, Prince, 2004）。这种"教学压缩"可能限制了反思、讨论和引导式应用的机会，尤其是在分析要求高的学科中，学生需要将数学表示与概念理解进行整合。这种"教学压缩"会引发认知超载（Prince and Felder, 2006）。
近年来，工程教育改革日益强调主动学习策略，旨在提升学生参与度并促进更深入的概念理解。多项研究表明，与传统的以讲授为主的教学方式相比，主动学习环境能够提升STEM学科的学习成绩并降低课程挂科率（Freeman et al., 2014, Prince, 2004）。在这些方法中，反转课堂作为一种实用模式引起了广泛的学术关注，它允许教师在保证内容覆盖的同时，将课堂时间重新分配给协作问题解决和互动式讨论（Bishop and Verleger, 2013, Karabulut-Ilgu et al., 2018）。然而，在化工领域，尤其是过程控制课程中，有严格统计评估支持的实证研究数量极为有限，仅有个别研究探讨了该领域反转课堂或主动学习干预的效果（Lewin and Barzilai, 2022, Munir et al., 2018）。
本研究探讨以下问题：结构化的反转课堂模式在多大程度上能够提升学生对动态系统的概念理解水平，与传统教学方法相比？
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反转学习方式如何影响学生在控制器设计与实施方面的熟练程度？
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该模式在多大程度上提升了学生将控制原理迁移并应用于不熟悉或复杂动态系统配置的能力？
章节摘要
工程教育中的主动学习
在过去二十年间，工程教育研究日益质疑在分析密集型学科中被动式讲授格式的有效性。当前文献指出，当学生在规定的教学时间内有机会对外处理其思维过程，并通过实践应用检验概念框架时，他们的学习效果更佳（Freeman et al., 2014, Prince, 2004）。考试表现、概念理解和课程
参与者
选修过程控制工程课程的四年级本科化工专业学生总数为60名。本研究面向过程控制工程课程，所有60名选修该课程的四年级本科生均参与了研究。参与者来自同一届学术群体，此前已完成数学、过程计算和基础仪表等先修课程。在干预实施前，向学生介绍了研究结构，参与方式为
概念理解
后测表现显示两组教学组之间存在明显差异（图1）。接受反转课堂教学的学生平均得分为73.90%（SD = 8.14），而传统讲授组为61.06%（SD = 8.47）。差异具有统计学显著性，t (58) = ?5.98, p = 1.47 × 10??，效应量较大（Cohen's d = 1.54）。
标准差的相似性表明，这一改善并非由少数高分学生推动，而是
讨论
本研究结果表明，结构化的反转课堂模式能够有效提升过程控制工程的学习成果。反转课堂组的学生在概念理解、控制器设计能力和迁移应用表现方面均优于传统教学组。在工程教育和STEM教育中，也有其他研究表明反转课堂和主动学习方法能够带来类似的学习成果提升（Freeman et al., 2014, Lo and Hew, 2019）。此外，
局限性
在解释本研究结果时，需要承认以下几项局限性。本研究仅在一所院校环境中进行，这可能限制了研究结果对其他具有不同学生人口统计特征或教学文化的学术环境的普适性。此外，本研究未评估知识的长期保持情况，因此观察到的提升效果是否能在干预结束后的较长期限内持续存在仍是一个悬而未决的问题。虽然效应量的
结论
本研究的证据支持在过程控制工程中转向反转课堂教学，因为它能够促进学生对核心概念及其技术实施的"双重掌握"。通过将课堂时间重新分配给分析性互动和引导式问题解决，这种教学方式使學生能够更深入地参与控制概念的学习，并将其更有效地应用于不熟悉的系统。
研究结果表明，反转课堂教学，当其经过有意设计而非
CRediT作者贡献声明
Sunil Misal：初稿撰写、可视化、验证、监督、软件、项目管理、方法论、调查研究、形式化分析、数据整理、概念构思。Vikas S. Hakke：调查研究、审阅与编辑。
利益冲突声明
作者声明，他们不存在任何已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。
致谢
作者衷心感谢普拉瓦拉农村工程学院（Loni）在计算设施和研究指导方面提供的支持。作者已阅读并批准最终稿件。
Sunil Misal|Vikas S. Hakke
化学工程系，普拉瓦拉农村工程学院，Loni-413736，印度马哈拉施特拉邦
