OBE工程教育理念下的化工干燥实验教学改革

徐 颖 王春虎 郝庆兰

（天津科技大学化工与材料学院，300457）

化工原理（包括实验和课程设计）是大化类专业学生最重要的专业基础课，在培养学生的工程素养以及分析解决化工实际问题的能力，尤其是解决复杂化学工程问题的能力方面，是大化类专业其他专业课无法替代的。因此，教学中如何充分利用化工原理课程的特点，引导学生树立正确的工程观，培养和提高学生的工程实践能力，对培养合格的工程技术人才具有十分重要的意义。

干燥作为化工原理教学的一个重要单元操作，在化工、食品和制药等生产过程中都有广泛的应用。干燥过程不仅受到空气温度、湿度、空气流速等操作条件的影响，还受到物料结构、物料物理化学性质等的影响[1-2]。所以合理设计洞道干燥实验内容，可以引导学生运用干燥的基本原理和知识，去分析和判断影响干燥过程的主要因素，从而解决干燥过程的复杂工程问题。

基于成果导向的教育理念（OBE理念）强调教学要基于学生的学习产出，要注重学生学习的效果，并保证学生都能获得步入社会后所需要具备的知识、能力和素质[3-4]。在学生学习产出目标明确的基础上，教师根据教学内容，采用多样化的教学方法和评价方式，帮助学生达到最佳的学习体验和学习效果。本文将OBE理念应用于化工原理洞道干燥实验教学中，在同样的洞道干燥实验设备和同样的恒定干燥实验条件下，指导学生采用时间基准和质量基准两种数据采集方法完成干燥实验，撰写实验报告时，学生须对不同采集方法得到的两组实验数据进行处理，并对两组实验数据的结果进行分析和判断。本文的干燥实验方案和实验内容有别于传统的验证型干燥实验教学，在实验组织和实施过程中，强调了学生的学习效果，该实验项目教学的改革效果，可推广应用到化工原理实验的其他实验项目中，以促进实验实践课对工程教育认证专业学生毕业要求的有效达成。

一、OBE理念的实验方案设计

在学生充分预习和考虑影响干燥过程因素的基础上，以运用所学理论知识解决工程实际问题的能力培养为出发点设计洞道干燥实验内容，实验方案设计思路如图1所示。与传统的以授课为主体方式的验证型洞道干燥实验不同，OBE理念下的洞道干燥实验方案和内容，在将科学实验方法论传授给学生的同时，强调学生的主体意识，强调学生能够“基于专业理论，根据实验特征，设计可行实验方案”的要求，着力培养学生应用和分析解决实际问题的能力。这样的实验设计，有利于提高本科实验教学的质量，有利于学生分析和解决实际能力的培养，有利于学生毕业要求的达成，同时也体现了持续改进的教学理念。

二、实验教学实施过程

实验教学的实施过程主要分为实验方案设计阶段、实验方案审核阶段、实验实施阶段、学生完成实验数据处理、分析和撰写实验报告阶段以及教师评价考核阶段。

1.实验方案设计和审核阶段

图1 OBE理念下的实验方案设计思路

学生在预习实验的基础上，根据实验室具备的实验条件，合理选择干燥物料和操作参数，并根据教师指导的质量基准和时间基准两种数据采集方法制定合理的实验方案，在进实验室前提交实验方案给指导教师审核。指导教师主要审核学生实验方案的完整性、科学性和可实施性以及实验数据记录表格的合理性。若实验方案可行，则学生可以进入实验室开展实验；若指导教师对学生实验方案有质疑，学生参考教师给出的修改建议对实验方案进行修改，待实验方案审核通过后进入实验室开展实验。

通过这样的实验方案设计和审核过程，提高了学生综合运用理论课所学知识，恰当表述化学工程与工艺专业问题的能力，并能针对实际问题提出不同的解决方案，这些能力和素质的培养，都是工程教育认证要求学生具备的能力和素质。审核和修改实验方案的过程，也是一个持续改进过程，体现了工程教育认证持续改进的核心要求。

2.实验实施阶段

学生按通过的实验方案安全地实施并完成实验。学生采用经过自己认真思考后确定的方案实施实验，实验的积极性有了很大的提高，而且在整个实验过程中，学生对在同样的实验条件下用不同数据记录方法会得到什么样的数据结果一直保持有好奇心，不时会提出各种问题与指导教师讨论。这样的干燥实验过程，可以培养学生在理解单元操作理论知识的基础上，应用理论知识去分析和比较不同方案的能力。

3.实数据处理、分析和报告写作阶段

完成实验后，学生须按要求独立完成实验数据的处理、分析和实验报告的撰写，报告中须对两种实验数据采集方法产生的差异结果进行分析并提出解决方案。以其中一组学生选择毛呢为干燥物料的实验数据为例，学生对时间基准和质量基准采集到的数据进行处理后，得到的干燥曲线和干燥速率曲线如图2和图3所示。由图可知，采用时间基准和质量基准两种数据采集方式得到的干燥曲线的数据点几乎是重合的，即物料的干基含水率随干燥时间的延长逐渐降低，但物料的干燥速率曲线差别很大（图3）。由图3可知，两种数据采集方式得到的干燥速度曲线都存在恒速干燥阶段和降速干燥阶段，均属于是理论课已经学过的正常的干燥速度曲线，数据采集方式对恒速干燥阶段（BC段，干燥速度维持恒定）没有影响，但对降速干燥阶段（CD段，干燥速度逐渐降低）的曲线影响很大，时间基准采集的数据在干燥的降速阶段出现了平台现象[5-6]。

图2 物料恒定干燥条件下的干燥曲线

图3 物料在恒定干燥条件下的干燥速度曲线

与传统的只要求学生用质量基准记录数据不同，学生得到这样的实验结果，最初的想法是数据记录有误或数据处理有误，但经过核对数据后，发现数据记录和数据处理过程都是正确的。带着这样的疑问，学生来找指导教师答疑。教师引导学生对所得到的数据结果要从源头的实验过程进行分析，学生在实验条件下完成的毛呢的干燥过程是一热质同时传递的相对缓慢的过程。当物料干燥由恒速干燥阶段转入降速干燥阶段时，采用时间基准采集记录数据，因数据记录时间间隔较短，导致了干燥物料在相同的干燥时间内缓慢失去的水分量是相同的，这样就得到了在降速干燥阶段有数据平台出现的干燥速度曲线。分析了数据出现问题的原因后，学生也得到了解决这一问题的方法：①采用质量基准记录干燥实验数据；②增大时间基准记录数据的时间间隔，使物料干燥在相同的时间内失去的水分量不相等即可得到和质量基准记录数据的结果。

两种常用的数据采集方法，本质上都是合理的，没有任何差别，但针对具体的实验项目和过程，须做出合适的选择并得到合理的结论。这样的干燥实验设计，可以培养学生对实验结果进行分析和解释，并获得合理有效结论的能力，对学生步入社会后运用所学专业知识去分析、判断和解决复杂工程问题具有非常重要的意义。

4.评价考核阶段

教师根据学生提交实验报告的质量给出实验报告成绩，实验报告的质量包括书写格式、数据处理质量和数据分析讨论、写作的语言表达和逻辑关系等。指导教师对学生的实验的平时考核是贯穿于学生实验的整个过程的，包括对学生的实验预习、实验方案制订、实验过程操作等。这样的实验考核方式，对学生运用知识解决问题能力的培养是全方位的，同时，学生写作的逻辑性也有了提高。

三、OBE理念下实验改革的意义

基于学生成果产出的OBE教学理念，学生的学习效果在很大程度上取决于教师的教学设计。工程经验的积累需要一个长期的实践过程，学生工程素质与能力的提高也并非一蹴而就。如何在实验教学中培养学生工程研究的方法，对于学生工程意识的培养、工程知识的积累具有重要的意义，改革后的化工原理洞道干燥实验的意义主要体现在以下几个方面。

第一，给传统的实验课程赋予新的生命力。改变了传统化工原理干燥实验以教师讲授、学生机械重复实验操作采集数据的验证实验模式。干燥实验采集数据耗时长，学生只机械采集数据难免感觉枯燥，缺乏主动思考的意识，以不同的数据采集记录方式设计洞道干燥实验，激发了学生的学习热情。

第二，培养了学生应用理论知识去分析和解决问题的综合能力。学生在同样的实验条件下，采用两种常规的数据记录采集方法，得到的不同的干燥速率曲线，这就需要学生自主查找资料，讨论分析数据出现差别的原因，并获得解决问题的方法。这样的实验设计和实验实施过程，实现了学生从死背硬记理论知识到应用知识解决问题的转变。另外，在完成实验和撰写实验报告过程中，有利于学生养成认真、细致、综合考虑问题的思维习惯，以及辩证看待问题、实事求是的科学精神。

第三，对教师提出了更高的要求。在有限的实验教学学时内，如何让学生学有所获，是每个教师都应该认真思考的问题。此外，学生在项目实施过程中碰到的问题往往都不是预先能想到的，这些随机出现问题的解决，需要指导教师具有丰富的知识和经验。教学过程不但要培养学生具有自主学习和终生学习的意识，教师更要有自主学习和终生学习的能力。

四、结束语

以注重学生学习效果的干燥实验教学改革，改变了传统干燥实验以验证型为教学目的的模式，学生通过自主设计实验方案，在相同条件下，通过对两种实验数据采集方法得到的不同实验结果进行分析讨论并提出解决方案，不但加深了学生对干燥单元操作理论知识的理解，而且锻炼了学生应用知识去分析和解决实际问题的能力。通过整理实验数据，并对实验结果进行分析、关联和解释，获得合理有效的结论，这些能力的培养有效地支撑了学生毕业要求的达成。本文对传统实验教学内容进行的OBE理念设计具有很好的推广价值。