OBE理念下熱分析原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

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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

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(outcomebasededucation，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(yǔ)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(guó)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(kù)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(yè)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)。

5結(jié)語(yǔ)

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

作者:楊仲禹 韓曉琪 關(guān)亞楠 段二紅 單位:河北科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院