基于OBE理念的熱分析原理實驗教學設(shè)計

楊仲禹 韓曉琪 關(guān)亞楠 段二紅

摘?要：熱分析動力學是一種通過熱重數(shù)據(jù)計算獲取動力學參數(shù)（最概然機理函數(shù)、指前因子和表觀反應(yīng)活化能）對材料熱化學反應(yīng)機理進行探究的理論，普遍用于生物質(zhì)轉(zhuǎn)化和有機固廢的高溫降解。熱分析原理實驗的開展可有效促進學生對能量轉(zhuǎn)化和環(huán)境治理等方面的學習。本文以目標導向教育（OBE）理念探索為基礎(chǔ)，提升學生解決復(fù)雜工程問題的能力，從多個方面對熱分析原理實驗教學設(shè)計進行改善。在OBE模式下實施的熱分析原理實驗教學不僅可以改變枯燥的教學氛圍，有效激發(fā)學生學習興趣，還為學校培養(yǎng)人才和推進教育革新提供理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：目標導向教育理念;實驗教學設(shè)計;熱分析原理

Abstract：Thermal analysis kinetics is a theory that explores the thermochemical reaction mechanism of materials through the calculation of thermogravimetric data to obtain kinetic parameters（the most probable mechanism function，pre-factors，and reaction activation energy），which is commonly used in biomass conversion and high temperature degradation of organic solid waste.The development of thermal analysis principle experiments can effectively promote students' learning of energy conversion and environmental governance.The article highlights to improve students' ability to solve complex engineering problems based on the exploration of the OBE concept，and the thermal analysis principle experimental teaching design is improved from many aspects.The experimental teaching design implemented under the OBE mode can not only change the boring study atmosphere and effectively stimulate students' interest in learning，but also provide a theoretical basis for schools to cultivate talents and promote educational innovation.

Keywords：OBE concept;experimental teaching design;thermal analysis principle

熱分析動力學通常是線性升溫條件下對固體物質(zhì)的反應(yīng)動力學進行分析，研究定量表征反應(yīng)過程，明確遵循的最概然機理函數(shù)f（α），計算指前因子A和表觀活化能E，獲取反應(yīng)速率常數(shù)k，提出dα/dt表達式，廣泛應(yīng)用于無機物分解、材料使用壽命和熱穩(wěn)定性分析、易燃易爆物質(zhì)危險性評估、反應(yīng)器設(shè)計以及最佳工藝條件評定[1]。

傳統(tǒng)熱分析原理實驗教學的難點在于同時涉及多方面知識和技能的綜合學習，包括基本概念的學習、重要公式的推導、大型熱重儀器的使用、實驗數(shù)據(jù)的匯總和圖譜的繪制、動力學參數(shù)的計算與分析等。學生容易固守思維，經(jīng)常割裂式分塊學習，難以相互融合促進，抑制了其對熱分析原理實驗課程學習的積極性和主動性，削弱了獨立思考和解決問題的能力的培養(yǎng)。

目標導向教育（outcome based education，OBE）是1981年由Spady等人提出的基于學習成果的教育模式，它是一種以學生學習成果為導向，以學生為主的教育模式[2]。OBE教育理念采用實時、動態(tài)的方式設(shè)計培養(yǎng)目標，以培養(yǎng)學生自主解決開放性問題為主旨，兼顧邏輯思維創(chuàng)新、言語表達、分析匯總及統(tǒng)籌與策劃等高階能力的培養(yǎng)。所以O(shè)BE理念理論上可以有效改善傳統(tǒng)熱分析原理實驗教學遇到的難題。

為此，本文嘗試基于OBE理念對熱分析原理實驗教學設(shè)計進行一系列改革與探索，以環(huán)境專業(yè)本科生為授課對象，以熱分析原理在能量轉(zhuǎn)化和環(huán)境治理中的應(yīng)用為核心，實時追蹤國內(nèi)外前沿發(fā)展動態(tài)，以求學生能夠熟練掌握熱分析動力學基本原理，自主操作相關(guān)儀器設(shè)備，高效匯總實驗數(shù)據(jù)和圖表，有效計算分析動力學參數(shù)，并能對比老師提供的實例舉一反三，獲得解決相似開放性問題的能力;同時希望學生能夠在老師所提出的問題中，通過相互討論、主動發(fā)言的形式提升思考問題和綜合分析的能力。

1 熱分析原理教學要求的確定

1.1 實驗教學目的

（1）學生能夠了解熱分析動力學基本理論;

（2）學生能夠獨立使用相關(guān)儀器完成熱重實驗;

（3）學生根據(jù)獲取的實驗數(shù)據(jù)計算動力學參數(shù)，簡單分析物質(zhì)高溫反應(yīng)過程表觀活化能變化規(guī)律，初步篩選評估可能的最概然機理函數(shù)。

1.2 實驗教學過程與方法

（1）利用軟件平臺上傳學前預(yù)習視頻及相關(guān)背景資料，強調(diào)學生課前自我學習能力;

（2）系統(tǒng)教授熱分析原理、數(shù)據(jù)匯總與圖形繪制、動力學參數(shù)計算與分析等方面基礎(chǔ)知識;（3）以網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室和熱重實驗相關(guān)視頻為基礎(chǔ)，通過小組間相互討論熟悉實驗儀器的基本組成與工作原理;

（4）以小組為單位獨立進行實驗操作與數(shù)據(jù)匯總;

（5）每位同學獨立進行熱分析動力學計算，分析動力學參數(shù)變化規(guī)律。

2 學情分析及教學預(yù)測

2.1 學情分析

（1）學生具有一定物理化學、分析化學知識基礎(chǔ)，各小組人員思維活躍，有利于實驗教學內(nèi)容的推進;

（2）學生對熱重實驗有著基本概念，初步了解是關(guān)于溫度與質(zhì)量的變化規(guī)律的實驗，但不清楚實驗的基本流程;

（3）學生具有一定獨立思考、實踐和創(chuàng)新的能力。

2.2 實驗教學預(yù)測

學生通過線上背景資料和基本概念知識的自主學習，線下相關(guān)文獻資料和規(guī)章流程的主動調(diào)研深入了解熱分析動力學基本原理，有效提升了其發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，初步學習物質(zhì)合成與分解反應(yīng)，對物質(zhì)溫度與質(zhì)量間交互作用有一定的了解，系統(tǒng)建立理論分析和實際應(yīng)用間相互關(guān)聯(lián)。

3 實驗教學方法

3.1 方法的設(shè)計與改進

本文采用BOPPPS的方法來對實驗教學過程的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，見表1。

3.2 實驗教學環(huán)節(jié)設(shè)計

3.2.1 線上學習，匯總問題

首先通過線上搭建學習平臺，將相關(guān)知識點的視頻、課件、文獻資料、習題庫等學習資源上傳。利用學習通平臺上的資源，學生獨立完成任務(wù)點，并根據(jù)所學習內(nèi)容進行在線虛擬實驗，認識各類實驗儀器，親身進行實驗操作，熟練掌握全程操作步驟[3]。這部分希望學生利用學習通相關(guān)資料的學習，初步了解熱重原理、理解動力學參數(shù)的含義及計算方法，通過線上虛擬實驗，熟悉如何使用熱分析儀，提前學習讓學生對模糊的知識點有初步認識，提高學生學習效率。

3.2.2 明確學習目標

（1）熟悉熱分析儀的基礎(chǔ)構(gòu)成和基本操作流程。

（2）掌握TG與DTG曲線圖譜的繪制、動力學參數(shù)計算與分析。

（3）使學生感悟個人自主學習和團隊協(xié)同合作的力量，將理論運用于實際，有效提升其邏輯思維能力、動手能力，培養(yǎng)學生解決復(fù)雜工程問題的能力。

3.2.3 線下學習，溫故知新

教師根據(jù)學生在學習平臺的學習情況及反饋的問題，在理論知識方面以講授和提問的方式系統(tǒng)講解熱分析動力學基本原理，重點模型的推導過程及動力學參數(shù)的計算方法。實驗操作方面，以視頻和討論的方式詳細闡述實驗全部流程，包括：熱分析儀和質(zhì)譜離子源的基本工作原理、樣品的規(guī)范稱量、支架的組裝和拆卸、系統(tǒng)操作軟件的應(yīng)用等。老師以某一物質(zhì)高溫降解發(fā)布任務(wù)，學生以小組為單位設(shè)計實驗方案，獨立使用熱分析儀獲取熱重數(shù)據(jù)，繪制TG/DTG曲線圖。依據(jù)熱解特性曲線，篩選有效溫度范圍內(nèi)熱重數(shù)據(jù)進行熱分析動力學計算，基本流程如圖1所示。利用多種數(shù)學模型獲取動力學參數(shù)，推斷該物質(zhì)高溫降解可能的最概然機理函數(shù)。組織學生分別進行組內(nèi)討論和各小組間交流，培養(yǎng)學生實驗操作過程中動手能力的同時有效提升其發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力。

3.2.4 課后作業(yè)，知識運用

教師布置課后作業(yè)，可適當提高難度，著重突出匯總實驗數(shù)據(jù)、分析變化規(guī)律、構(gòu)建數(shù)學模型等三個方面，讓學生通過所學知識及進一步深入查找資料獨立完成。學生將理論用于實踐后，又將實踐服務(wù)于理論，能夠在鞏固所學內(nèi)容的同時真正做到理論與實踐相結(jié)合，進一步深化拓展其解決復(fù)雜工程問題的能力。

3.3 板書設(shè)計

左側(cè)為多媒體屏幕，右側(cè)為板書，兩者相互配合補充。

板書左側(cè)書寫樹狀圖以及各個題目間相互關(guān)聯(lián)的關(guān)系。

（1）通過多媒體展示TG-DTG圖像，引出課程所學內(nèi)容，并在黑板上書寫出課程標題。

（2）通過將自己所繪的結(jié)構(gòu)圖與多媒體所展示的儀器結(jié)構(gòu)圖加以對比，在黑板上板書出熱重原理及其應(yīng)用的樹狀圖。

PPT能夠承載大量信息，處理圖片和視頻更加簡便，有利于對所學知識進行全方位深層次的理解，因此將它作為展示教學內(nèi)容的主要多媒體課件，其內(nèi)容為：

（1）配合熱重原理以及其發(fā)展歷史的講解，展示文字內(nèi)容和相關(guān)圖片、視頻。

（2）應(yīng)用PPT每頁切換方式的不同，增加課程的趣味性，提升學生的專注力。

（3）用PPT將課程的要點進行總結(jié)，對如何進行熱重實驗及計算動力學三要素進行深入討論。Flash可處理動圖，因此將它作為展示熱分析儀運行的課件。

3.4 教學流程圖

教學流程圖如圖2所示。

4 教學考核方式與成績評定的改進

采用學分制模式和成果導向的課程考核方式，尤其注重平時過程的評價。采用預(yù)習情況、課堂表現(xiàn)、課后作業(yè)相結(jié)合的形式。課堂表現(xiàn)可以通過考勤、實驗動手能力以及提問回答問題形式來實現(xiàn)量化考核。課后作業(yè)通過實驗報告格式準確性、內(nèi)容完整度等實現(xiàn)量化考核[4]。最終課堂表現(xiàn)與課后作業(yè)以不同百分比結(jié)合后的綜合成績來展示（此百分比可依據(jù)所學內(nèi)容、學生課堂表現(xiàn)等方面進行調(diào)控）。成績評定辦法如下：

最終成績=10%預(yù)習情況+10%×小測成績+10%×出勤+30%×課上表現(xiàn)+40%×課后作業(yè)。

結(jié)語

通過運用OBE教學模式，可以將理論與實踐、線上與線下、虛擬與現(xiàn)實相結(jié)合，使學生更加形象生動地獲取知識，培養(yǎng)學生將理論應(yīng)用于實踐的能力，提高學生動手能力、邏輯思維能力，培養(yǎng)其解決復(fù)雜工程問題的能力，實現(xiàn)教、學、實踐一體化。

參考文獻：

[1]胡榮祖，高勝利，趙鳳起，等.熱分析動力學（第二版）[M].北京：科學出版社，2008.

[2]寇嘉，康壯壯.淺談大學教育與中學教育的有效銜接[J].新西部（理論版），2016（20）：127-128，132.

[3]王璐，席曉晶，關(guān)潤伶.基于OBE理念的環(huán)境工程專業(yè)“無機及分析化學”課程建設(shè)[J].安徽化工，2020（46）：146-147，150.

[4]魏惠榮，牛騰，展惠英.基于OBE理念的教學模式研究[J].蘭州文理學院學報（自然科學版），2020（34）：122-124，128.

項目：河北科技大學理工學院2020年度教育教學研究項目（2020Y2）

作者簡介：楊仲禹（1990—?），男，漢族，河北石家莊人，博士，中級職稱，研究方向：環(huán)境催化。