基于OBE理念的化學反應工程PBL教學模式設計與實踐-反應級數求取為例

張青瑞,孫西花

(青島科技大學化工學院，山東 青島 266042)

化學反應工程是化學工程與工藝專業的核心課，課程學習的主要目的是讓學生了解和掌握有關化學反應速率、反應器流動模型、反應器的選型與設計等化學反應過程的基本理論和知識，培養學生分析、計算和解決化工生產中有關化學反應過程實際問題的能力[1]。由于該課程包含了大量公式推導、模型的建立與求解，課程內容比較苦澀難懂。根據該課程的特點，主要偏重課堂教學。為了增加學生的學習興趣提高學生的工程思維，在課堂上列舉了大量的案例，教學內容也比較多，課堂上主要以老師講為主。老師采用了多種教學手段在講臺上滔滔不絕，但總有小部分學生聽得津津有味，部分學生硬著頭皮在聽，部分學生放棄了去聽。如何讓每位學生參與到教學中呢？不僅人在教室中，心和思維也在教學內容中。我們基于OBE(Outcomes - based Education)教學理念以學生為中心，采用基于問題學習的PBL(Problem-Based Learning)教學模式嘗試將講臺變成大舞臺，老師作為編劇和主持人，學生作為嘉賓和觀眾，老師拋出問題，學生講解，從而引領學生一步步進入內容的學習中來[2-3]。下面以反應級數求取為例介紹PBL教學模式在化學反應工程教學中的應用。

1 反應級數求取教學內容

化學反應工程的主要研究對象是工業反應器，即如何使化學反應在工業上有效地付諸實現。這需要多方面的知識，其中化學反應動力學是所需的最基本的知識之一[4]。在進行反應器選型、設計和優化時必須先掌握反應動力學規律，獲取動力學方程，反應級數是動力學方程中的重要參數，如何采用實驗數據求取動力學參數是化學反應速率方程的變換與積分中的一個知識點。該內容主要使學生掌握化學反應動力學求取的基本理論和知識，培養學生具備研究分析和開發設計反應裝置的能力，解決化工生產中有關化學反應動力學的實際問題。通過各種動力學參數求取方法的學習、比較和分析，使學生能夠對問題進行全面深度的分析，找出較好的解決方法。教學重點：差分法、半衰期法和參數估值法的思路、實驗安排和數據處理。教學難點：參數估值法的思路、求解方法和相關軟件。教學內容為：

(1)差分法：動力學方程

(2)半衰期法：

(3)參數估值法：

2 教學方法

采用自主學習法、討論探究法、實踐檢驗法等方法將課內和課外、學生主體和教師主導相結合，使學生能真正參與到學習中，發展學生的自主學習、全面分析和深入思考的能力。

3 教學活動設計

教學過程分為課前、課中和課后三個階段。課前：通過學習通平臺發布任務，學生通過網絡、教材和參考資料學習相關內容，準備課堂講述。課中分為以下幾步：

第一步移動簽到：利用學習通進行移動網絡簽到，加強學生管理。

第二步通過案例回顧舊知，導入新課：引入教材(李紹芬主編反應工程)中例2.2反應動力學方程確定的案例，復習前面講過的通過反應速率方程的積分求取已知反應級數的反應速率常數，導入問題，如果反應級數未知，如何確定反應級數呢？從而引出本節所學內容。

第三步學生講述：采用學習通搶答或提問功能或者點名挑選3名學生講述三種方法的思路。為鼓勵學生積極發言，獎勵學生的參與和付出，課前說明課堂上積極發言的同學平時成績給予加分。

第四步層層遞進，深入討論：根據學生講述的內容，引導學生層層遞進進行深入思考和分析。

第五步布置課后作業：由于課堂時間有限，一些實際操作應用在課堂上不能完成，要求學生課后通過查閱文獻和進一步學習相關方法和軟件，完成課后作業，做到理論和實踐的結合。

4 教學實踐

對于半衰期法，學生的講述不一定與PPT中一致，因此提前給學生PPT是把雙刃劍。一方面學生能提前了解該方法，但另一方面它限制了學生的思維。在不給學生PPT的情況下，學生會根據書中其它方法的思路采用列舉的方法對該方法進行介紹，比如他會舉例當反應級數為0、1和2時半衰期時間與濃度的關系，因此根據這種關系反過來推算出反應級數。這時，可隨機提問1名學生，請其對該學生的三個結論重復一遍，加強學生的記憶，為后面例題做準備。然后接著學生的思路提問，如果反應級數不為整數時該如何求取呢？此時采用教師講授的方法，引出半衰期法的學習。該方法介紹完后，提問問題如果采用半衰期法進行反應級數的求取，該如何安排實驗呢？如果學生能說出來，就表揚說和文獻中的思路基本一致，如果學生答不上來，也鼓勵學生，正是由于你們的不會，才需要我們進行下面的學習。給學生展示文獻中采用該方法的實驗數據如表1所示。該表此時先展示前兩列內容，為了進一步鼓勵學生，接著提問剛才的學生，該文獻中安排了幾次實驗得到的數據？初始濃度和半衰期如何得到的？引導學生一步步說出實驗的安排和數據的處理。最后問學生，根據前面學生講的不同反應級數下半衰期和初始濃度的關系的結論，該反應的反應級數是幾？從而前后呼應，將PPT與學生講述很好的結合。

表1 同反應時間蔗糖的濃度

表1(續)

對前兩種方法進行簡要總結，提出問題當動力學參數較多時，前面兩種方法不太適用，該如何求取呢？由此引出參數估值法。針對該方法，由于要用到較多的數值分析和優化方法的知識，大部分學生還沒有相關的基礎，學生對該內容的講述一般不是很清晰，此時指出該方法的難度并表揚該學生的辛勤付出，接著抓住學生急于弄明白的心理，拋出問題該方法的思路是什么以及該方法要用到哪些知識呢？給學生介紹該方法的思路以及用到的相關方法(求解微分方程組的四階龍格庫塔法、最小二乘優化方法、牛頓迭代共軛梯度等迭代方法)和相關計算軟件(如matlab)。最后問題如果反應是復合反應，如何求解動力學參數？給學生布置復合反應動力學參數求取的大作業。

課后：請學生學習相關軟件和四階龍格庫塔法，完成動力學參數求取的作業，可以給學生固定的案例或者讓學生自己查閱文獻，學習文獻中實驗方案，并根據文獻中的數據采用所學方法求取動力學參數，最后寫成報告提交到學習通平臺。學生通過自己編程求解，將理論與實踐結合，不僅更好的理解和掌握該部分內容，學習了相應的計算求解思路和方法，也為后面間歇反應器和平推流反應器的設計計算做準備。

課堂評價：課后大作業以分組的形式完成，由課代表組織同學自由組合，每組5人，各個組選出組長，給每位組員分配任務，最終完成課程報告。作業最終成績采用組長評價、評委評價和老師評價相結合的方式。每組派1名學生介紹報告內容然后全體組員回答臺下學生和老師的提問，再由班級選出的5位同學作為答辯委員，給每組打分。以5位評委的平均分為每組答辯成績，老師給出每組報告的成績，答辯成績的30%加上報告成績的70%作為每組成績，根據每組組長給各個組員的打分，折換成系數，乘以各組成績即為每位學生的報告成績。

5 教學效果

通過以上PBL教學模式，課堂取到了很好的教學效果，在上課過程中，學生的注意力和學習興趣得到了很大提高，平時看到學生收拾書本就知道快要下課了，該教學模式的課堂上直到下課鈴響起，學生還意猶未盡。學生通過網絡平臺預習、課堂講解、課堂討論和課后練習，將理論很好應用于工程實踐，通過解決遇到的實際問題，加深了對理論知識的掌握。另外，課堂上的深入討論，也拉近了老師和學生的距離，老師和學生一起傾聽學生的講解和點評，互相學習。

在PBL課堂教學過程中，我有以下體會：

(1)如何把控好課堂秩序？學生的思維是發散的，有的與老師備課的內容不一致，如何將學生的思維與自己的思維結合，引導學生向一個方向前進。老師提的問題既能結合前面學生的講解，又能往下引導學生進一步思考，需要老師對內容有很好的掌握。同時，老師還能以主持人的身份，既能引導學生深入討論學習，又能調節課堂氛圍，對學生的講解要進行適當的點評和延伸，吸引學生的興趣，也使課堂氛圍輕松有趣。比如在講到差分方法的時候，剛好是某個班長講解的，結合他講解的中心差分法，提到他管理班級時可能采用中庸的方法不偏不倚，這是不是就是最好的方法呢？從而進一步引申到其它差分方法的了解，擴展學生的思維模式。

(2)如何讓學生積極主動發言?將課堂發言與平時成績掛鉤，課前給學生說明，每位學生課堂講解一次，平時成績加5分。積極回答問題一次平時成績最高加2分，從而吸引學生的興趣激發他們的動力。另外第一次發言學生的表現會影響后面的學生，同時也會逐漸打開學生的思路和回答的勇氣。但是如何讓第一次的發言比較順利需要老師有所準備，在本次課堂中我選擇了3個班的班長來介紹3種方法，3位班長的講解效果非常好，每位準備的很充分，思路清晰，表述流暢，將板書和口述結合的非常好，一下子開了好頭，后面的問題就采用學習通平臺隨機點名的方式找學生回答和討論。另外，無論學生能不能回答出問題，老師需對每位學生的回答都有針對性評價和靈活變通的引導，比如學生實在回答不出來，如果老師直接另找其他學生，可能出現尷尬的場面另外也會影響其他學生的積極性，可以給他們一個求助的機會，找其他學生幫助回答，取到了很好的效果。后面課堂中學生發言的積極性逐漸增高，準備也越來越充分，講解方法也逐漸多樣化。

(3)作業獨立完成還是分組完成？分組作業與個人作業結合進行，課后習題采用每人獨立完成提交，大作業采用分組完成。之前認為每位學生單獨交份作業，可以督促每位學生去完成，由于現在網絡比較發達，答案幾乎千篇一律。尤其交的電子版作業，版本數目日趨下降。而讓學生分組完成大作業時，每個小組之間的作業幾乎不重復，都是各組獨立完成，另外，分組是學生自由組合，不積極主動的學生組隊就會比較困難，這也促使他們主動尋找隊友，完成任務也相對比較積極。

(4)PBL教學模式的改進。PBL教學模式雖然取得了好的教學效果，但也有一些問題。PBL教學模式不是單純學生講老師評就行，課堂討論和點評是一個重要環節，雖然這種方式大大提高了學生的興趣和注意力，但花費時間比較多。本次的教學內容除了參數估值法外其它內容相對比較簡單一些，但也花費了兩節課的時間，影響了教學進度。另外學生還需課前學習課后練習，花費的時間也不少。因此，隨著在線課程的建設，PBL課堂教學需與在線學習相結合，如何不增加課時的情況下讓線上線下的學習充分結合，提高學習效率和學生的興趣。需對課程進行系統設計，將線下學習的課時和線上學習的課時統一起來，一部分內容進行在線學習，一部分內容課堂討論，既提高了學生學習的興趣和深度，也可以完成教學任務。PBL課堂雖然學生是主要表演者，其實老師是真正的主角，課堂效果的好壞很大程度上決定于老師的主持。這需要老師像編劇一樣準備好每堂課的內容和問題的設置與銜接，備課充分，還要求老師有豐富的教學經驗和專業知識，能根據現場情況靈活應變主持把控好課堂。另外，在課程評價學生打分環節，出現個別評委給所有小組打分一樣的情況，而且給的分幾乎滿分，失去了打分的意義，該評委的成績只能取消。因此，在選擇評委的時候需要選出認真負責的學生，另外制定好評委打分規則，能把成績區分開。PBL教學模式不是千篇一律固定不變的，需要根據教學班數和學生的基礎適當調整。比如課堂答辯環節適用于小班教學且學生基礎較好，教學進度比較快的班級，我們一般用于實驗班(1個班)教學比較多，也曾經用于三個班的教學，但需嚴格控制學生答辯時間。

6 結語

我們初步將PBL教學模式應用于化學反應工程的教學，大大改善了課堂教學效果提高了學生學習的興趣。后面我們也將結合在線課程建設，通過系統設計，在不增加學生學習時間的情況下將PBL課堂和在線學習有效結合，進一步提高學習效率和課程教學質量。