基于OBE理念的熱分析原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

楊仲禹 韓曉琪 關(guān)亞楠 段二紅

摘?要：熱分析動(dòng)力學(xué)是一種通過熱重?cái)?shù)據(jù)計(jì)算獲取動(dòng)力學(xué)參數(shù)（最概然機(jī)理函數(shù)、指前因子和表觀反應(yīng)活化能）對(duì)材料熱化學(xué)反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行探究的理論，普遍用于生物質(zhì)轉(zhuǎn)化和有機(jī)固廢的高溫降解。熱分析原理實(shí)驗(yàn)的開展可有效促進(jìn)學(xué)生對(duì)能量轉(zhuǎn)化和環(huán)境治理等方面的學(xué)習(xí)。本文以目標(biāo)導(dǎo)向教育（OBE）理念探索為基礎(chǔ)，提升學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，從多個(gè)方面對(duì)熱分析原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行改善。在OBE模式下實(shí)施的熱分析原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅可以改變枯燥的教學(xué)氛圍，有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，還為學(xué)校培養(yǎng)人才和推進(jìn)教育革新提供理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：目標(biāo)導(dǎo)向教育理念;實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì);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(dòng)力學(xué)通常是線性升溫條件下對(duì)固體物質(zhì)的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行分析，研究定量表征反應(yīng)過程，明確遵循的最概然機(jī)理函數(shù)f（α），計(jì)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(dá)式，廣泛應(yīng)用于無機(jī)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(xiǎn)性評(píng)估、反應(yīng)器設(shè)計(jì)以及最佳工藝條件評(píng)定[1]。

傳統(tǒng)熱分析原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的難點(diǎn)在于同時(shí)涉及多方面知識(shí)和技能的綜合學(xué)習(xí)，包括基本概念的學(xué)習(xí)、重要公式的推導(dǎo)、大型熱重儀器的使用、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的匯總和圖譜的繪制、動(dòng)力學(xué)參數(shù)的計(jì)算與分析等。學(xué)生容易固守思維，經(jīng)常割裂式分塊學(xué)習(xí)，難以相互融合促進(jìn)，抑制了其對(duì)熱分析原理實(shí)驗(yàn)課程學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，削弱了獨(dú)立思考和解決問題的能力的培養(yǎng)。

目標(biāo)導(dǎo)向教育（outcome based education，OBE）是1981年由Spady等人提出的基于學(xué)習(xí)成果的教育模式，它是一種以學(xué)生學(xué)習(xí)成果為導(dǎo)向，以學(xué)生為主的教育模式[2]。OBE教育理念采用實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的方式設(shè)計(jì)培養(yǎng)目標(biāo)，以培養(yǎng)學(xué)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(dá)、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(shí)驗(yàn)教學(xué)遇到的難題。

為此，本文嘗試基于OBE理念對(duì)熱分析原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行一系列改革與探索，以環(huán)境專業(yè)本科生為授課對(duì)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(shí)時(shí)追蹤國內(nèi)外前沿發(fā)展動(dòng)態(tài)，以求學(xué)生能夠熟練掌握熱分析動(dòng)力學(xué)基本原理，自主操作相關(guān)儀器設(shè)備，高效匯總實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和圖表，有效計(jì)算分析動(dòng)力學(xué)參數(shù)，并能對(duì)比老師提供的實(shí)例舉一反三，獲得解決相似開放性問題的能力;同時(shí)希望學(xué)生能夠在老師所提出的問題中，通過相互討論、主動(dòng)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(xué)要求的確定

1.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的

（1）學(xué)生能夠了解熱分析動(dòng)力學(xué)基本理論;

（2）學(xué)生能夠獨(dú)立使用相關(guān)儀器完成熱重實(shí)驗(yàn);

（3）學(xué)生根據(jù)獲取的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算動(dòng)力學(xué)參數(shù)，簡(jiǎn)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(píng)估可能的最概然機(jī)理函數(shù)。

1.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程與方法

（1）利用軟件平臺(tái)上傳學(xué)前預(yù)習(xí)視頻及相關(guān)背景資料，強(qiáng)調(diào)學(xué)生課前自我學(xué)習(xí)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(dòng)力學(xué)參數(shù)計(jì)算與分析等方面基礎(chǔ)知識(shí);（3）以網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室和熱重實(shí)驗(yàn)相關(guān)視頻為基礎(chǔ)，通過小組間相互討論熟悉實(shí)驗(yàn)儀器的基本組成與工作原理;

（4）以小組為單位獨(dú)立進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作與數(shù)據(jù)匯總;

（5）每位同學(xué)獨(dú)立進(jìn)行熱分析動(dòng)力學(xué)計(jì)算，分析動(dòng)力學(xué)參數(shù)變化規(guī)律。

2 學(xué)情分析及教學(xué)預(yù)測(cè)

2.1 學(xué)情分析

（1）學(xué)生具有一定物理化學(xué)、分析化學(xué)知識(shí)基礎(chǔ)，各小組人員思維活躍，有利于實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的推進(jìn);

（2）學(xué)生對(duì)熱重實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)，但不清楚實(shí)驗(yàn)的基本流程;

（3）學(xué)生具有一定獨(dú)立思考、實(shí)踐和創(chuàng)新的能力。

2.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)預(yù)測(cè)

學(xué)生通過線上背景資料和基本概念知識(shí)的自主學(xué)習(xí)，線下相關(guān)文獻(xiàn)資料和規(guī)章流程的主動(dòng)調(diào)研深入了解熱分析動(dòng)力學(xué)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(xué)習(xí)物質(zhì)合成與分解反應(yīng)，對(duì)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(shí)際應(yīng)用間相互關(guān)聯(lián)。

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法

3.1 方法的設(shè)計(jì)與改進(jìn)

本文采用BOPPPS的方法來對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，見表1。

3.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

3.2.1 線上學(xué)習(xí)，匯總問題

首先通過線上搭建學(xué)習(xí)平臺(tái)，將相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的視頻、課件、文獻(xiàn)資料、習(xí)題庫等學(xué)習(xí)資源上傳。利用學(xué)習(xí)通平臺(tái)上的資源，學(xué)生獨(dú)立完成任務(wù)點(diǎn)，并根據(jù)所學(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行在線虛擬實(shí)驗(yàn)，認(rèn)識(shí)各類實(shí)驗(yàn)儀器，親身進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，熟練掌握全程操作步驟[3]。這部分希望學(xué)生利用學(xué)習(xí)通相關(guān)資料的學(xué)習(xí)，初步了解熱重原理、理解動(dòng)力學(xué)參數(shù)的含義及計(jì)算方法，通過線上虛擬實(shí)驗(yàn)，熟悉如何使用熱分析儀，提前學(xué)習(xí)讓學(xué)生對(duì)模糊的知識(shí)點(diǎn)有初步認(rèn)識(shí)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率。

3.2.2 明確學(xué)習(xí)目標(biāo)

（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(dòng)力學(xué)參數(shù)計(jì)算與分析。

（3）使學(xué)生感悟個(gè)人自主學(xué)習(xí)和團(tuán)隊(duì)協(xié)同合作的力量，將理論運(yùn)用于實(shí)際，有效提升其邏輯思維能力、動(dòng)手能力，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。

3.2.3 線下學(xué)習(xí)，溫故知新

教師根據(jù)學(xué)生在學(xué)習(xí)平臺(tái)的學(xué)習(xí)情況及反饋的問題，在理論知識(shí)方面以講授和提問的方式系統(tǒng)講解熱分析動(dòng)力學(xué)基本原理，重點(diǎn)模型的推導(dǎo)過程及動(dòng)力學(xué)參數(shù)的計(jì)算方法。實(shí)驗(yàn)操作方面，以視頻和討論的方式詳細(xì)闡述實(shí)驗(yàn)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(xué)生以小組為單位設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，獨(dú)立使用熱分析儀獲取熱重?cái)?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?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行熱分析動(dòng)力學(xué)計(jì)算，基本流程如圖1所示。利用多種數(shù)學(xué)模型獲取動(dòng)力學(xué)參數(shù)，推斷該物質(zhì)高溫降解可能的最概然機(jī)理函數(shù)。組織學(xué)生分別進(jìn)行組內(nèi)討論和各小組間交流，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作過程中動(dòng)手能力的同時(shí)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(shí)運(yùn)用

教師布置課后作業(yè)，可適當(dāng)提高難度，著重突出匯總實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、分析變化規(guī)律、構(gòu)建數(shù)學(xué)模型等三個(gè)方面，讓學(xué)生通過所學(xué)知識(shí)及進(jìn)一步深入查找資料獨(dú)立完成。學(xué)生將理論用于實(shí)踐后，又將實(shí)踐服務(wù)于理論，能夠在鞏固所學(xué)內(nèi)容的同時(shí)真正做到理論與實(shí)踐相結(jié)合，進(jìn)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(jì)

左側(cè)為多媒體屏幕，右側(cè)為板書，兩者相互配合補(bǔ)充。

板書左側(cè)書寫樹狀圖以及各個(gè)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(xué)內(nèi)容，并在黑板上書寫出課程標(biāo)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(duì)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(jiǎn)便，有利于對(duì)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行全方位深層次的理解，因此將它作為展示教學(xué)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(xué)生的專注力。

（3）用PPT將課程的要點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)，對(duì)如何進(jìn)行熱重實(shí)驗(yàn)及計(jì)算動(dòng)力學(xué)三要素進(jìn)行深入討論。Flash可處理動(dòng)圖，因此將它作為展示熱分析儀運(yùn)行的課件。

3.4 教學(xué)流程圖

教學(xué)流程圖如圖2所示。

4 教學(xué)考核方式與成績(jī)?cè)u(píng)定的改進(jìn)

采用學(xué)分制模式和成果導(dǎo)向的課程考核方式，尤其注重平時(shí)過程的評(píng)價(jià)。采用預(yù)習(xí)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(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力以及提問回答問題形式來實(shí)現(xiàn)量化考核。課后作業(yè)通過實(shí)驗(yàn)報(bào)告格式準(zhǔn)確性、內(nèi)容完整度等實(shí)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(jī)來展示（此百分比可依據(jù)所學(xué)內(nèi)容、學(xué)生課堂表現(xiàn)等方面進(jìn)行調(diào)控）。成績(jī)?cè)u(píng)定辦法如下：

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

結(jié)語

通過運(yùn)用OBE教學(xué)模式，可以將理論與實(shí)踐、線上與線下、虛擬與現(xiàn)實(shí)相結(jié)合，使學(xué)生更加形象生動(dòng)地獲取知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生將理論應(yīng)用于實(shí)踐的能力，提高學(xué)生動(dòng)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(shí)現(xiàn)教、學(xué)、實(shí)踐一體化。

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項(xiàng)目：河北科技大學(xué)理工學(xué)院2020年度教育教學(xué)研究項(xiàng)目（2020Y2）

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