基于導向教育的吸附劑合成實驗教學設計

楊仲禹，關亞楠，段二紅

(河北科技大學環境科學與工程學院，河北 石家莊 050018)

固體吸附法是一種通過固體吸附劑吸附污染物的方法。其中，高效低耗碳基多孔材料的合成成為關鍵。金屬有機骨架(Metal-Organic Frameworks，MOFs)是一系列以無機金屬離子或金屬簇為中心，以有機配體為連接劑，在一定條件下，通過化學鍵之間的配位作用，自組裝合成的具有永久孔隙度的開放式新型多孔晶體骨架材料[1]。經科研人員們的研究發現，以MOFs為犧牲模板，通過在高溫惰性氛圍中對其熱解碳化制備的MOFs衍生碳基材料在一定程度上既保留了原生MOFs的部分優點，如豐富的孔隙率，大比表面積和良好拓撲結構等，同時還可以克服上述缺點，且由于MOFs中含有大量的金屬節點和雜原子(N，P，S等)，因而高溫熱解制得的MOFs衍生碳基材料相較于傳統碳材料往往具有更優異的性能。為此，以自主制備金屬骨架基多孔炭材料作為吸附劑為目的，針對環境工程本科生開設的高溫熱解合成吸附劑實驗教學課程為為未來環境治理工程實踐中吸附法的學習打下良好的基礎。

但依照傳統實驗教學課程培養模式，理論與實踐結合不緊密，理論知識傳授過程中過于注重材料合成機理的講解，實踐操作過程中僅僅以特例展示為主，不利于學生邏輯思維的創造性培養，學生的主觀能動性往往不高，動手能力不強，理論知識難以得到鞏固與應用[2]。由Spady等人基于學習成果提出的目標導向教育(outcome based education，OBE)是一種以學生為主的教育模式，基于實現學生特定學習產出的OBE教育理念視教育結構和課程為手段[3-4]，采用動態實時的方式擬定培養目標，以拓展學生自主發現和解決實際問題為原則，注重實踐過程中實用性技能的訓練，將理論和實踐緊密結合，突出拓展解決開放性復雜工程問題的能力[5]。為此，以環境工程本科生為講授對象，以高溫熱解合成的吸附劑應用于解決吸附凈化工程問題為目標，實時追蹤國內外前沿動態，引導學生將理論用于實踐，培養其邏輯思維能力，提升其發現問題，解決問題的綜合能力。

1 高溫熱解合成吸附劑實驗教學要求的確定

1.1 知識與技能

(1)學生能夠了解吸附劑合成基本原理；(2)學生能夠獨立使用一系列相關設備完成吸附材料的合成；(3)學生能夠掌握吸附劑材料基本表征方法，并進行初步的分析。

1.2 實驗教學過程與方法

(1)使用網絡平臺上傳學前資料，培養學生課前自主預習能力；(2)系統講授吸附劑合成基本原理；(3)以網絡虛擬實驗室和現實催化實驗室為基礎，學習相關儀器工作原理和操作規程；(4)以小組為單位依次獨立進行吸附劑合成實驗；(5)將制備的材料進行表征，通過文獻調研與小組間討論初步評估材料的吸附性能。

1.3 感情態度與價值觀

學生通過線上自主預習，線下老師講授，虛擬實驗室和現實實驗室對比，親自動手進行實驗操作，文獻資料的查詢和相互討論，逐步引導學生將理論知識應用于實踐應用，培養其創造性邏輯思維，貫徹從實際出發，善于發現問題，解決問題的意識。

2 實驗教學方法

2.1 方法設計與改進

利用 BOPPPS 教學方法設計實驗教學過程結構，如表1所示。

表1 BOPPPS 教學設計Table 1 BOPPPS teaching design

2.2 實驗教學環節設計

(1)線上自主預習，激發學習熱情

通過學習軟件，上傳預習資料，包括：相關課件、文獻、視頻等，突出吸附凈化過程在環境領域的重要地位，表明吸附劑的合成是該治理方法的關鍵，從而激發學生學習熱情，促進其主觀能動性。

(2)線下認真講授，鞏固基礎知識

線下講授過程中，利用板書和多媒體相結合的方式，有利于學生更加便捷、深入的理解所傳授的知識理論。其內容為：①在線上自主學習吸附凈化過程和吸附劑重要作用基礎上，配合材料合成基本原理以及國內外著名科學家相關事例，通過文字、圖片、視頻的展示，講解吸附劑發展歷史。②通過改變PPT切換方式，活躍課堂氣氛，提升學生專注力的同時詳細講授吸附劑合成具體實驗操作流程，見圖1所示。③概況總結講解要點，以小組為單位討論合成過程反應條件的變化對吸附劑合成可能的影響。

(3)“虛擬”與“現實”，舊知聯新知

利用網絡虛擬實驗室，初步認識各類儀器設備，了解各類儀器基本工作原理。虛擬仿真實驗的建設為學生提供了課外學習的良好機會，實驗也可以反復模擬，多次學習，也實現了多個實驗的對比，實驗收獲大、實驗可摸索的范圍增多、實現了全日可以實驗的要求，并且鍛煉了思考能力，增強了對實驗的興趣。同時通過現實催化實驗室，近距離接觸操作儀器設備，從而盡快熟練掌握各種儀器的使用操作規程和實驗具體流程，顯著提高學生個人動手能力。

(4)總結回顧，應用拓展

學生互相討論吸附材料合成實驗過程遇到的問題和相應解決方案，教師總結點評整體教學情況。教師布置課后練習，重點考察學生對理論知識的掌握、實驗儀器的使用、數學模型的應用以及制備吸附材料活性分析，并與自媒體平臺相結合，利用課堂之外自媒體平臺的在線學習進行知識的鞏固與拓展，合理利用時間進行個性化的指導和幫助，確保每個學生都能完全掌握知識點。

2.3 實驗教學流程圖

實驗教學流程圖如圖2所示。

圖2 實驗教學流程圖Fig.2 Experimental teaching chart

3 教學考核方式與成績評定改進

輸出性成果的考核是OBE理念教學評定的關鍵，在實驗教學課程中可以采用線上預習+課堂表現+課后練習相結合的方式。線上預習以完成教師上傳任務點進度情況進行量化計算；課堂表現包括：考勤、提問、操作和討論等形式實現評定的量化計算；課后練習以內容完整性、結果準確性及格式規范性實現考核的量化計算。綜合成績以三方面考核因素所占百分比最終確定。

4 結 語

基于導向教育的吸附劑合成實驗教學設計，強調理論聯系實踐，利用線上平臺和線下講授，對比“虛擬”和“現實”，突出成果性輸出，有效培養學生邏輯思維能力，注重緊密結合工程實踐和實驗條件精準控制，通過對實驗的摸索，提高學習能力和實踐創新能力。