基于OBE理念的热分析原理实验教学设计

杨仲禹 韩晓琪 关亚楠 段二红

摘 要：热分析动力学是一种通过热重数据计算获取动力学参数（最概然机理函数、指前因子和表观反应活化能）对材料热化学反应机理进行探究的理论，普遍用于生物质转化和有机固废的高温降解。热分析原理实验的开展可有效促进学生对能量转化和环境治理等方面的学习。本文以目标导向教育（OBE）理念探索为基础，提升学生解决复杂工程问题的能力，从多个方面对热分析原理实验教学设计进行改善。在OBE模式下实施的热分析原理实验教学不仅可以改变枯燥的教学氛围，有效激发学生学习兴趣，还为学校培养人才和推进教育革新提供理论基础。

关键词：目标导向教育理念;实验教学设计;热分析原理

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

熱分析动力学通常是线性升温条件下对固体物质的反应动力学进行分析，研究定量表征反应过程，明确遵循的最概然机理函数f（α），计算指前因子A和表观活化能E，获取反应速率常数k，提出dα/dt表达式，广泛应用于无机物分解、材料使用寿命和热稳定性分析、易燃易爆物质危险性评估、反应器设计以及最佳工艺条件评定[1]。

传统热分析原理实验教学的难点在于同时涉及多方面知识和技能的综合学习，包括基本概念的学习、重要公式的推导、大型热重仪器的使用、实验数据的汇总和图谱的绘制、动力学参数的计算与分析等。学生容易固守思维，经常割裂式分块学习，难以相互融合促进，抑制了其对热分析原理实验课程学习的积极性和主动性，削弱了独立思考和解决问题的能力的培养。

目标导向教育（outcome based education，OBE）是1981年由Spady等人提出的基于学习成果的教育模式，它是一种以学生学习成果为导向，以学生为主的教育模式[2]。OBE教育理念采用实时、动态的方式设计培养目标，以培养学生自主解决开放性问题为主旨，兼顾逻辑思维创新、言语表达、分析汇总及统筹与策划等高阶能力的培养。所以OBE理念理论上可以有效改善传统热分析原理实验教学遇到的难题。

为此，本文尝试基于OBE理念对热分析原理实验教学设计进行一系列改革与探索，以环境专业本科生为授课对象，以热分析原理在能量转化和环境治理中的应用为核心，实时追踪国内外前沿发展动态，以求学生能够熟练掌握热分析动力学基本原理，自主操作相关仪器设备，高效汇总实验数据和图表，有效计算分析动力学参数，并能对比老师提供的实例举一反三，获得解决相似开放性问题的能力;同时希望学生能够在老师所提出的问题中，通过相互讨论、主动发言的形式提升思考问题和综合分析的能力。

1 热分析原理教学要求的确定

1.1 实验教学目的

（1）学生能够了解热分析动力学基本理论;

（2）学生能够独立使用相关仪器完成热重实验;

（3）学生根据获取的实验数据计算动力学参数，简单分析物质高温反应过程表观活化能变化规律，初步筛选评估可能的最概然机理函数。

1.2 实验教学过程与方法

（1）利用软件平台上传学前预习视频及相关背景资料，强调学生课前自我学习能力;

（2）系统教授热分析原理、数据汇总与图形绘制、动力学参数计算与分析等方面基础知识;（3）以网络虚拟实验室和热重实验相关视频为基础，通过小组间相互讨论熟悉实验仪器的基本组成与工作原理;

（4）以小组为单位独立进行实验操作与数据汇总;

（5）每位同学独立进行热分析动力学计算，分析动力学参数变化规律。

2 学情分析及教学预测

2.1 学情分析

（1）学生具有一定物理化学、分析化学知识基础，各小组人员思维活跃，有利于实验教学内容的推进;

（2）学生对热重实验有着基本概念，初步了解是关于温度与质量的变化规律的实验，但不清楚实验的基本流程;

（3）学生具有一定独立思考、实践和创新的能力。

2.2 实验教学预测

学生通过线上背景资料和基本概念知识的自主学习，线下相关文献资料和规章流程的主动调研深入了解热分析动力学基本原理，有效提升了其发现问题、解决问题的能力，初步学习物质合成与分解反应，对物质温度与质量间交互作用有一定的了解，系统建立理论分析和实际应用间相互关联。

3 实验教学方法

3.1 方法的设计与改进

本文采用BOPPPS的方法来对实验教学过程的结构进行设计，见表1。

3.2 实验教学环节设计

3.2.1 线上学习，汇总问题

首先通过线上搭建学习平台，將相关知识点的视频、课件、文献资料、习题库等学习资源上传。利用学习通平台上的资源，学生独立完成任务点，并根据所学习内容进行在线虚拟实验，认识各类实验仪器，亲身进行实验操作，熟练掌握全程操作步骤[3]。这部分希望学生利用学习通相关资料的学习，初步了解热重原理、理解动力学参数的含义及计算方法，通过线上虚拟实验，熟悉如何使用热分析仪，提前学习让学生对模糊的知识点有初步认识，提高学生学习效率。

3.2.2 明确学习目标

（1）熟悉热分析仪的基础构成和基本操作流程。

（2）掌握TG与DTG曲线图谱的绘制、动力学参数计算与分析。

（3）使学生感悟个人自主学习和团队协同合作的力量，将理论运用于实际，有效提升其逻辑思维能力、动手能力，培养学生解决复杂工程问题的能力。

3.2.3 线下学习，温故知新

教师根据学生在学习平台的学习情况及反馈的问题，在理论知识方面以讲授和提问的方式系统讲解热分析动力学基本原理，重点模型的推导过程及动力学参数的计算方法。实验操作方面，以视频和讨论的方式详细阐述实验全部流程，包括：热分析仪和质谱离子源的基本工作原理、样品的规范称量、支架的组装和拆卸、系统操作软件的应用等。老师以某一物质高温降解发布任务，学生以小组为单位设计实验方案，独立使用热分析仪获取热重数据，绘制TG/DTG曲线图。依据热解特性曲线，筛选有效温度范围内热重数据进行热分析动力学计算，基本流程如图1所示。利用多种数学模型获取动力学参数，推断该物质高温降解可能的最概然机理函数。组织学生分别进行组内讨论和各小组间交流，培养学生实验操作过程中动手能力的同时有效提升其发现问题、解决问题的能力。

3.2.4 课后作业，知识运用

教师布置课后作业，可适当提高难度，着重突出汇总实验数据、分析变化规律、构建数学模型等三个方面，让学生通过所学知识及进一步深入查找资料独立完成。学生将理论用于实践后，又将实践服务于理论，能够在巩固所学内容的同时真正做到理论与实践相结合，进一步深化拓展其解决复杂工程问题的能力。

3.3 板书设计

左侧为多媒体屏幕，右侧为板书，两者相互配合补充。

板书左侧书写树状图以及各个题目间相互关联的关系。

（1）通过多媒体展示TG-DTG图像，引出课程所学内容，并在黑板上书写出课程标题。

（2）通过将自己所绘的结构图与多媒体所展示的仪器结构图加以对比，在黑板上板书出热重原理及其应用的树状图。

PPT能够承载大量信息，处理图片和视频更加简便，有利于对所学知识进行全方位深层次的理解，因此将它作为展示教学内容的主要多媒体课件，其内容为：

（1）配合热重原理以及其发展历史的讲解，展示文字内容和相关图片、视频。

（2）应用PPT每页切换方式的不同，增加课程的趣味性，提升学生的专注力。

（3）用PPT将课程的要点进行总结，对如何进行热重实验及计算动力学三要素进行深入讨论。Flash可处理动图，因此将它作为展示热分析仪运行的课件。

3.4 教学流程图

教学流程图如图2所示。

4 教学考核方式与成绩评定的改进

采用学分制模式和成果导向的课程考核方式，尤其注重平时过程的评价。采用预习情况、课堂表现、课后作业相结合的形式。课堂表现可以通过考勤、实验动手能力以及提问回答问题形式来实现量化考核。课后作业通过实验报告格式准确性、内容完整度等实现量化考核[4]。最终课堂表现与课后作业以不同百分比结合后的综合成绩来展示（此百分比可依据所学内容、学生课堂表现等方面进行调控）。成绩评定办法如下：

最终成绩=10%预习情况+10%×小测成绩+10%×出勤+30%×课上表现+40%×课后作业。

结语

通过运用OBE教学模式，可以将理论与实践、线上与线下、虚拟与现实相结合，使学生更加形象生动地获取知识，培养学生将理论应用于实践的能力，提高学生动手能力、逻辑思维能力，培养其解决复杂工程问题的能力，实现教、学、实践一体化。

参考文献：

[1]胡荣祖，高胜利，赵凤起，等.热分析动力学（第二版）[M].北京：科学出版社，2008.

[2]寇嘉，康壮壮.浅谈大学教育与中学教育的有效衔接[J].新西部（理论版），2016（20）：127-128，132.

[3]王璐，席晓晶，关润伶.基于OBE理念的环境工程专业“无机及分析化学”课程建设[J].安徽化工，2020（46）：146-147，150.

[4]魏惠荣，牛腾，展惠英.基于OBE理念的教学模式研究[J].兰州文理学院学报（自然科学版），2020（34）：122-124，128.

项目：河北科技大学理工学院2020年度教育教学研究项目（2020Y2）

作者简介：杨仲禹（1990— ），男，汉族，河北石家庄人，博士，中级职称，研究方向：环境催化。