OBE理念下熱分析原理實驗教學(xué)設(shè)計
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摘要:熱分析動力學(xué)是一種通過熱重數(shù)據(jù)計算獲取動力學(xué)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(xué)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(xué)生對能量轉(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，從多個方面對熱分析原理實驗教學(xué)設(shè)計進行改善。在OBE模式下實施的熱分析原理實驗教學(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;實驗教學(xué)設(shè)計;熱分析原理
熱分析動力學(xué)通常是線性升溫條件下對固體物質(zhì)的反應(yīng)動力學(xué)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(dá)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(xué)的難點在于同時涉及多方面知識和技能的綜合學(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、實驗數(shù)據(jù)的匯總和圖譜的繪制、動力學(xué)參數(shù)的計算與分析等。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，抑制了其對熱分析原理實驗課程學(xué)習(xí)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(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教育理念采用實時、動態(tài)的方式設(shè)計培養(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)熱分析原理實驗教學(xué)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(xué)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(xué)生能夠熟練掌握熱分析動力學(xué)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(xué)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(xué)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(xué)要求的確定
1．1實驗教學(xué)目的
(1)學(xué)生能夠了解熱分析動力學(xué)基本理論;(2)學(xué)生能夠獨立使用相關(guān)儀器完成熱重實驗;(3)學(xué)生根據(jù)獲取的實驗數(shù)據(jù)計算動力學(xué)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(xué)過程與方法
(1)利用軟件平臺上傳學(xué)前預(yù)習(xí)視頻及相關(guān)背景資料，強調(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、動力學(xué)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(xué)獨立進行熱分析動力學(xué)計算，分析動力學(xué)參數(shù)變化規(guī)律。
2學(xué)情分析及教學(xué)預(yù)測
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)知識基礎(chǔ)，各小組人員思維活躍，有利于實驗教學(xué)內(nèi)容的推進;(2)學(xué)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(xué)生具有一定獨立思考、實踐和創(chuàng)新的能力。
2．2實驗教學(xué)預(yù)測
學(xué)生通過線上背景資料和基本概念知識的自主學(xué)習(xí)，線下相關(guān)文獻(xiàn)資料和規(guī)章流程的主動調(diào)研深入了解熱分析動力學(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(xué)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(xué)過程的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，見表1。
3．2實驗教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計
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，將相關(guān)知識點的視頻、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)通平臺上的資源，學(xué)生獨立完成任務(wù)點，并根據(jù)所學(xué)習(xí)內(nèi)容進行在線虛擬實驗，認(rèn)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(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、理解動力學(xué)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(xué)習(xí)讓學(xué)生對模糊的知識點有初步認(rèn)識，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、動力學(xué)參數(shù)計算與分析。(3)使學(xué)生感悟個人自主學(xué)習(xí)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(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)平臺的學(xué)習(xí)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(xué)基本原理，重點模型的推導(dǎo)過程及動力學(xué)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(xì)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(xué)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(xué)計算，基本流程如圖1所示。利用多種數(shù)學(xué)模型獲取動力學(xué)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(xué)生分別進行組內(nèi)討論和各小組間交流，培養(yǎng)學(xué)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(dāng)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(xué)模型等三個方面，讓學(xué)生通過所學(xué)知識及進一步深入查找資料獨立完成。學(xué)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(xué)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(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(xué)知識進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將課程的要點進行總結(jié)，對如何進行熱重實驗及計算動力學(xué)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(xué)流程圖教學(xué)流程圖如圖2所示。
4教學(xué)考核方式與成績評定的改進
采用學(xué)分制模式和成果導(dǎo)向的課程考核方式，尤其注重平時過程的評價。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(zhǔn)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(xué)內(nèi)容、學(xué)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(xí)情況+10%×小測成績+10%×出勤+30%×課上表現(xiàn)+40%×課后作業(yè)。
5結(jié)語
通過運用OBE教學(xué)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(xué)生更加形象生動地獲取知識，培養(yǎng)學(xué)生將理論應(yīng)用于實踐的能力，提高學(xué)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(xué)、實踐一體化。
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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