基于OBE理念的化学反应工程PBL教学模式设计与实践-反应级数求取为例

2020-01-16张青瑞孙西花

山东化工 2019年24期

张青瑞,孙西花

(青岛科技大学化工学院，山东青岛 266042)

化学反应工程是化学工程与工艺专业的核心课，课程学习的主要目的是让学生了解和掌握有关化学反应速率、反应器流动模型、反应器的选型与设计等化学反应过程的基本理论和知识，培养学生分析、计算和解决化工生产中有关化学反应过程实际问题的能力[1]。由于该课程包含了大量公式推导、模型的建立与求解，课程内容比较苦涩难懂。根据该课程的特点，主要偏重课堂教学。为了增加学生的学习兴趣提高学生的工程思维，在课堂上列举了大量的案例，教学内容也比较多，课堂上主要以老师讲为主。老师采用了多种教学手段在讲台上滔滔不绝，但总有小部分学生听得津津有味，部分学生硬着头皮在听，部分学生放弃了去听。如何让每位学生参与到教学中呢？不仅人在教室中，心和思维也在教学内容中。我们基于OBE(Outcomes - based Education)教学理念以学生为中心，采用基于问题学习的PBL(Problem-Based Learning)教学模式尝试将讲台变成大舞台，老师作为编剧和主持人，学生作为嘉宾和观众，老师抛出问题，学生讲解，从而引领学生一步步进入内容的学习中来[2-3]。下面以反应级数求取为例介绍PBL教学模式在化学反应工程教学中的应用。

1 反应级数求取教学内容

化学反应工程的主要研究对象是工业反应器，即如何使化学反应在工业上有效地付诸实现。这需要多方面的知识，其中化学反应动力学是所需的最基本的知识之一[4]。在进行反应器选型、设计和优化时必须先掌握反应动力学规律，获取动力学方程，反应级数是动力学方程中的重要参数，如何采用实验数据求取动力学参数是化学反应速率方程的变换与积分中的一个知识点。该内容主要使学生掌握化学反应动力学求取的基本理论和知识，培养学生具备研究分析和开发设计反应装置的能力，解决化工生产中有关化学反应动力学的实际问题。通过各种动力学参数求取方法的学习、比较和分析，使学生能够对问题进行全面深度的分析，找出较好的解决方法。教学重点：差分法、半衰期法和参数估值法的思路、实验安排和数据处理。教学难点：参数估值法的思路、求解方法和相关软件。教学内容为：

(1)差分法：动力学方程

(2)半衰期法：

(3)参数估值法：

2 教学方法

采用自主学习法、讨论探究法、实践检验法等方法将课内和课外、学生主体和教师主导相结合，使学生能真正参与到学习中，发展学生的自主学习、全面分析和深入思考的能力。

3 教学活动设计

教学过程分为课前、课中和课后三个阶段。课前：通过学习通平台发布任务，学生通过网络、教材和参考资料学习相关内容，准备课堂讲述。课中分为以下几步：

第一步移动签到：利用学习通进行移动网络签到，加强学生管理。

第二步通过案例回顾旧知，导入新课：引入教材(李绍芬主编反应工程)中例2.2反应动力学方程确定的案例，复习前面讲过的通过反应速率方程的积分求取已知反应级数的反应速率常数，导入问题，如果反应级数未知，如何确定反应级数呢？从而引出本节所学内容。

第三步学生讲述：采用学习通抢答或提问功能或者点名挑选3名学生讲述三种方法的思路。为鼓励学生积极发言，奖励学生的参与和付出，课前说明课堂上积极发言的同学平时成绩给予加分。

第四步层层递进，深入讨论：根据学生讲述的内容，引导学生层层递进进行深入思考和分析。

第五步布置课后作业：由于课堂时间有限，一些实际操作应用在课堂上不能完成，要求学生课后通过查阅文献和进一步学习相关方法和软件，完成课后作业，做到理论和实践的结合。

4 教学实践

对于半衰期法，学生的讲述不一定与PPT中一致，因此提前给学生PPT是把双刃剑。一方面学生能提前了解该方法，但另一方面它限制了学生的思维。在不给学生PPT的情况下，学生会根据书中其它方法的思路采用列举的方法对该方法进行介绍，比如他会举例当反应级数为0、1和2时半衰期时间与浓度的关系，因此根据这种关系反过来推算出反应级数。这时，可随机提问1名学生，请其对该学生的三个结论重复一遍，加强学生的记忆，为后面例题做准备。然后接着学生的思路提问，如果反应级数不为整数时该如何求取呢？此时采用教师讲授的方法，引出半衰期法的学习。该方法介绍完后，提问问题如果采用半衰期法进行反应级数的求取，该如何安排实验呢？如果学生能说出来，就表扬说和文献中的思路基本一致，如果学生答不上来，也鼓励学生，正是由于你们的不会，才需要我们进行下面的学习。给学生展示文献中采用该方法的实验数据如表1所示。该表此时先展示前两列内容，为了进一步鼓励学生，接着提问刚才的学生，该文献中安排了几次实验得到的数据？初始浓度和半衰期如何得到的？引导学生一步步说出实验的安排和数据的处理。最后问学生，根据前面学生讲的不同反应级数下半衰期和初始浓度的关系的结论，该反应的反应级数是几？从而前后呼应，将PPT与学生讲述很好的结合。

表1 同反应时间蔗糖的浓度

表1(续)

对前两种方法进行简要总结，提出问题当动力学参数较多时，前面两种方法不太适用，该如何求取呢？由此引出参数估值法。针对该方法，由于要用到较多的数值分析和优化方法的知识，大部分学生还没有相关的基础，学生对该内容的讲述一般不是很清晰，此时指出该方法的难度并表扬该学生的辛勤付出，接着抓住学生急于弄明白的心理，抛出问题该方法的思路是什么以及该方法要用到哪些知识呢？给学生介绍该方法的思路以及用到的相关方法(求解微分方程组的四阶龙格库塔法、最小二乘优化方法、牛顿迭代共轭梯度等迭代方法)和相关计算软件(如matlab)。最后问题如果反应是复合反应，如何求解动力学参数？给学生布置复合反应动力学参数求取的大作业。

课后：请学生学习相关软件和四阶龙格库塔法，完成动力学参数求取的作业，可以给学生固定的案例或者让学生自己查阅文献，学习文献中实验方案，并根据文献中的数据采用所学方法求取动力学参数，最后写成报告提交到学习通平台。学生通过自己编程求解，将理论与实践结合，不仅更好的理解和掌握该部分内容，学习了相应的计算求解思路和方法，也为后面间歇反应器和平推流反应器的设计计算做准备。

课堂评价：课后大作业以分组的形式完成，由课代表组织同学自由组合，每组5人，各个组选出组长，给每位组员分配任务，最终完成课程报告。作业最终成绩采用组长评价、评委评价和老师评价相结合的方式。每组派1名学生介绍报告内容然后全体组员回答台下学生和老师的提问，再由班级选出的5位同学作为答辩委员，给每组打分。以5位评委的平均分为每组答辩成绩，老师给出每组报告的成绩，答辩成绩的30%加上报告成绩的70%作为每组成绩，根据每组组长给各个组员的打分，折换成系数，乘以各组成绩即为每位学生的报告成绩。

5 教学效果

通过以上PBL教学模式，课堂取到了很好的教学效果，在上课过程中，学生的注意力和学习兴趣得到了很大提高，平时看到学生收拾书本就知道快要下课了，该教学模式的课堂上直到下课铃响起，学生还意犹未尽。学生通过网络平台预习、课堂讲解、课堂讨论和课后练习，将理论很好应用于工程实践，通过解决遇到的实际问题，加深了对理论知识的掌握。另外，课堂上的深入讨论，也拉近了老师和学生的距离，老师和学生一起倾听学生的讲解和点评，互相学习。

在PBL课堂教学过程中，我有以下体会：

(1)如何把控好课堂秩序？学生的思维是发散的，有的与老师备课的内容不一致，如何将学生的思维与自己的思维结合，引导学生向一个方向前进。老师提的问题既能结合前面学生的讲解，又能往下引导学生进一步思考，需要老师对内容有很好的掌握。同时，老师还能以主持人的身份，既能引导学生深入讨论学习，又能调节课堂氛围，对学生的讲解要进行适当的点评和延伸，吸引学生的兴趣，也使课堂氛围轻松有趣。比如在讲到差分方法的时候，刚好是某个班长讲解的，结合他讲解的中心差分法，提到他管理班级时可能采用中庸的方法不偏不倚，这是不是就是最好的方法呢？从而进一步引申到其它差分方法的了解，扩展学生的思维模式。

(2)如何让学生积极主动发言?将课堂发言与平时成绩挂钩，课前给学生说明，每位学生课堂讲解一次，平时成绩加5分。积极回答问题一次平时成绩最高加2分，从而吸引学生的兴趣激发他们的动力。另外第一次发言学生的表现会影响后面的学生，同时也会逐渐打开学生的思路和回答的勇气。但是如何让第一次的发言比较顺利需要老师有所准备，在本次课堂中我选择了3个班的班长来介绍3种方法，3位班长的讲解效果非常好，每位准备的很充分，思路清晰，表述流畅，将板书和口述结合的非常好，一下子开了好头，后面的问题就采用学习通平台随机点名的方式找学生回答和讨论。另外，无论学生能不能回答出问题，老师需对每位学生的回答都有针对性评价和灵活变通的引导，比如学生实在回答不出来，如果老师直接另找其他学生，可能出现尴尬的场面另外也会影响其他学生的积极性，可以给他们一个求助的机会，找其他学生帮助回答，取到了很好的效果。后面课堂中学生发言的积极性逐渐增高，准备也越来越充分，讲解方法也逐渐多样化。

(3)作业独立完成还是分组完成？分组作业与个人作业结合进行，课后习题采用每人独立完成提交，大作业采用分组完成。之前认为每位学生单独交份作业，可以督促每位学生去完成，由于现在网络比较发达，答案几乎千篇一律。尤其交的电子版作业，版本数目日趋下降。而让学生分组完成大作业时，每个小组之间的作业几乎不重复，都是各组独立完成，另外，分组是学生自由组合，不积极主动的学生组队就会比较困难，这也促使他们主动寻找队友，完成任务也相对比较积极。

(4)PBL教学模式的改进。PBL教学模式虽然取得了好的教学效果，但也有一些问题。PBL教学模式不是单纯学生讲老师评就行，课堂讨论和点评是一个重要环节，虽然这种方式大大提高了学生的兴趣和注意力，但花费时间比较多。本次的教学内容除了参数估值法外其它内容相对比较简单一些，但也花费了两节课的时间，影响了教学进度。另外学生还需课前学习课后练习，花费的时间也不少。因此，随着在线课程的建设，PBL课堂教学需与在线学习相结合，如何不增加课时的情况下让线上线下的学习充分结合，提高学习效率和学生的兴趣。需对课程进行系统设计，将线下学习的课时和线上学习的课时统一起来，一部分内容进行在线学习，一部分内容课堂讨论，既提高了学生学习的兴趣和深度，也可以完成教学任务。PBL课堂虽然学生是主要表演者，其实老师是真正的主角，课堂效果的好坏很大程度上决定于老师的主持。这需要老师像编剧一样准备好每堂课的内容和问题的设置与衔接，备课充分，还要求老师有丰富的教学经验和专业知识，能根据现场情况灵活应变主持把控好课堂。另外，在课程评价学生打分环节，出现个别评委给所有小组打分一样的情况，而且给的分几乎满分，失去了打分的意义，该评委的成绩只能取消。因此，在选择评委的时候需要选出认真负责的学生，另外制定好评委打分规则，能把成绩区分开。PBL教学模式不是千篇一律固定不变的，需要根据教学班数和学生的基础适当调整。比如课堂答辩环节适用于小班教学且学生基础较好，教学进度比较快的班级，我们一般用于实验班(1个班)教学比较多，也曾经用于三个班的教学，但需严格控制学生答辩时间。