基于OBE模式進行課程教學整體設計

張 偉 ,羅海南,劉 洋,馬 娟,鄒麗娟

(1.棗莊學院 化學化工與材料科學學院，山東 棗莊 277160；2.中國礦業大學 化工學院，江蘇 徐州 221116；3.棗莊學院 心理與教育科學學院，山東 棗莊 277160)

OBE是以預期學習產出為中心來組織、實施和評價教育的結構模式。課程建設質量并不等同于人才培養質量，基于投入(Input-based education，IBE)的課程建設并不能保證基于產出(Output-based education，OBE)的人才培養[1]。我們的教學從“以教師為中心”、“以教為中心”轉變為“以學生為中心”、“以學為中心”，將教學評價從IBE 轉變為OBE[2]。化工原理是化工類專業的最重要的專業課程之一，教學內容包括化工原理理論教學、化工原理實驗及化工原理課程設計。化工傳熱是其中一個重要組成部分，傳熱單元過程在化工領域都有著廣泛的應用：原料的加熱、冷卻或者冷凝、蒸發過程；化工設備和管道的保溫，以減少熱損失；生產中熱能的合理使用，余熱利用等。而在傳統的教學過程中都是以教師為授課主體，學生則是被動地學習，教師叫多少，學生學多少，學生缺乏主動學習的精神。這種填鴨式的教學不利于創新精神的培養，導致課堂上教師講的很辛苦、學生學的很累，最后課堂效率卻不盡理想，這種教學方式最終的結果是影響了我國高校應用型專業人才的培養，導致人才培養質量下降。我們基于OBE模式進行化工教學整體設計，以問題為導向，以培養目標為導向、以教學效果為導向，對化工原理教學進行深入思考、系統設計和綜合改革[3]。所以化工原理教學課程體系、教學內容和教學模式設置必須以滿足上述基本要求作為落腳點和出發點，利用矩陣設計理念，將知識、能力和素質培養要求落實到教學過程中。

“項目教學法”的特點是“以項目為主線、教師為引導、學生為主體”，項目教學法是師生共同完成項目、共同取得進步的教學方法。主要是通過與教學內容密切相關的任務為載體，學習者在完成項目的過程中充分得到鍛煉并獲得知識與技能的教學方法[4]。訓練的重點是學生通過在完成項目任務的過程中所獲取知識的能力，這種教學方法能培養學生的團隊協作能力和自主學習能力，體現了以教師為主導、以學生為主體的教學思想，教學效果事半而功倍[5]。

項目教學法就是為完成某一具體的項目而展開的模塊化的教學行動。在內容的安排上，改變過去傳統的以知識點為主線的方式，改用項目為主線，將項目拆分為若干個具體的任務，以完成任務所需的知識點為線索，最終師生共同完成項目。目前來講，化工原理課程體系一般由三部分組成，即理論教學、實驗教學和化工原理課程設計。化工原理實驗和化工原理課程設計是學習、掌握和運用化工原理理論知識必不可少的重要環節，是化工原理理論課的輔助和提升[6-7]。

圖1 項目教學法組織框架

通過任務驅動的項目教學法的科學組織和實施，構建由簡單單元操作到復雜化工廠生產過程的“多維立體”的化工原理教學體系。項目實施過程中貫穿著化工原理理論、化工原理實驗、化工原理課程設計的知識，使學生在分析、反思中掌握扎實的理論基礎，提高解決工程問題的能力。接下來我們以傳熱單元過程為例，分析其教學過程。

1 項目布置及實施

1.1 項目分析

比如在學習傳熱單元時給學生下達這樣一個項目：某石油化工廠將催化裂化得到的粗汽油進行進一步的分餾，現在有一套穩定的精餾塔裝置，進精餾塔原料為粗汽油，流量為23000 kg/h；塔底產品為穩定汽油，流量為19000 kg/h，出塔溫度為150℃；塔頂產品為液化氣和干氣等。進塔原料工藝要求是110℃，而粗汽油初溫只有90℃，現在要設計一個原料預熱的方案，將原料加熱至入塔要求的溫度。請擬定一個合適的方案，完成此任務，并選擇合適的換熱設備及其相應的型號規格。

項目下達以后，引導學生將這個項目進行具體的分析：要使90℃的粗汽油升溫到110℃，必須有提供熱量的熱源，那么熱源選什么呢？怎樣把熱源的熱量轉移給粗汽油？熱源的流量是多少?選擇什么類型的換熱設備以及設備的型號、規格？選擇好了換熱設備，然后如何正確的操作？傳熱過程中會有熱量損失，那么采用何種辦法能減少熱量損失？

通過項目的分析，明確了完成項目的目標，將項目拆分為若干個小的項目：(1)預熱方案的選擇；(2)傳熱參數確定；(3)預熱設備類型與型號；(4)管道保溫材料的選擇及保溫層厚度的確定；(5)技能的訓練。下面我們逐個任務進行分析解決，學生在這樣的任務驅動下，不斷地主動尋找完成任務的方法途徑，在完成傳熱項目的過程中，學生獲得相關的知識和技能。

1.2 項目實施

1.2.1 預熱方案的選擇

化學工業中常用的換熱方法有：混合式、蓄熱式、間壁式三種。通過對任務分析可知，原油預熱任務中，需要預熱的粗汽油是不允許與別的加熱介質混合的，否則會影響原料的純度，以致影響精餾操作和產品質量。另外粗汽油本身易揮發、易燃易爆，蓄熱式可能導致泄漏造成的爆炸事故，所以我們選擇間壁式換熱的原油預熱方法。

1.2.2 傳熱參數確定

下面要解決的問題是用什么樣的熱流體作為加熱介質？熱流體的流量是多少才能完成上述的工業傳熱任務?

工業上常用的加熱劑有：飽和水蒸汽、熱水、熔鹽及煙道氣、礦物油、聯苯混合物等,工業上常用的冷卻劑有水、空氣和各種冷凍劑。上述工業換熱任務是加熱粗汽油到110℃，飽和水蒸氣、聯苯混合物、四氯聯苯都可以加熱粗汽油到110℃，而聯苯混合物價值昂貴，易滲透軟性石棉填料，蒸汽易燃燒，會刺激人的鼻粘膜；四氯聯苯蒸汽可以使人肝臟發生疾病，聯苯混合物一般用于100～300℃范圍內的加熱，此處如果用聯苯成本太高；飽和水蒸氣溫度范圍接近，易于調節，冷凝潛熱大，熱利用率高，無毒、價廉，所以飽和水蒸氣是粗汽油加熱劑的一個很好的選擇。但是從經濟利益角度考慮卻不太合適，盡量考慮預熱利用。由于在穩定精餾塔裝置中,塔底產品出塔溫度為150℃，工藝要求冷卻至120℃，這部分能量可以加以利用。

在本工業任務中，冷介質為粗汽油，CPc=2.65 kJ/kg·℃，Wc=23000 kg/h，溫度從90℃加熱至110℃，根據熱量守恒，先計算所需吸收的熱量，再根據熱量守恒計算需要的加熱劑的流量。

1.2.3 換熱設備的類型、型號

要完成上述工業換熱的項目任務，選擇好了間壁式換熱方式，加熱介質為穩定塔塔底產品，流量根據熱量衡算可以計算出來。那下一步必須選擇一個合適的換熱設備，它必須能滿足工藝和操作上的要求，確保安全生產，并且能節省操作費用和設備費用。根據完成項目任務的進度，在這里和學生一起學習換熱器的分類以及不同換熱器的優缺點。

確定了使用固定管板式換熱器后，下一步要確定管程流體和殼程流體。通過課上的引導分析，讓學生來自己分析并得出結論：冷流體原料粗汽油為管程流體，熱流體塔釜產品穩定汽油為殼程流體。

1.2.4 管道保溫材料的選擇及保溫層厚度的確定

這這個任務中，我們主要解決保溫問題及保溫層厚度的確定。一般化工設備當其壁溫超過50℃或低于零度就需要進行保溫和保冷。石棉是化工設備中常用的保溫材料，各種石棉灰可用于填充式結構的隔熱，石棉制品則常用于高溫設備及管道的隔熱。石棉材料的導熱系數小，孔隙率大，容重小；化學穩定性較好，耐火、耐酸、耐堿，導熱系數小，原料比較豐富，容易加工成各種石棉制品。在本任務中，我們選取碳酸鎂石棉作為保溫材料。保溫層厚度的計算需要介紹傅里葉定律和平壁熱傳導、平壁多層熱傳導、圓筒壁熱傳導等相關知識點。

1.2.5 技能的訓練

完成換熱項目的理論分析之后，接下來學生要完成換熱過程的技能訓練。化工原理課程是理論性和實踐性都很強的課程，通過學生的親自動手訓練使學生加深理解和鞏固化工原理課程中的理論知識,培養解決工程問題的能力，通過實驗現象的分析、實驗操作以及數據處理等過程培養學生解決問題的能力[8]。在化工實驗中引入模擬和仿真輔助實驗教學，學生先進行仿真實訓，這樣可以更容易熟悉流程，更加容易操作，消除緊張感，可以反復練習直至達到要求再進行傳熱單元現場實訓。通過仿真訓練強化了學生的實驗技能，大大地降低了現場實訓過程的錯誤率,提高了實訓的教學效率,減少了實驗室的耗材消耗，使學生的實踐能力顯著增強[9]。

2 考核評價

最后要對學生在完成項目的過程以及結果進行評價。評價采用多元的評價標準，評價強調達成學習的內涵和個人的進步，進行針對性的評價，通過對知識點的掌握程度，為教學方式方法的持續改進提供參考。同時在評價體系中引入了學生的互評機制，這樣不僅加強了團隊成員的協作，又促進了團隊成員之間的相互監督，提高了團隊成員解決項目任務時的參與

性[10]。同時，根據各個環節項目完成的情況，教師進行總結評述。總結評述是項目教學法的重要環節,它是對項目教學過程的概括和總結,主要目的是引導學生進行總結歸納，使學生開闊視野，更深刻的理解知識，更深入地思考過程的得與失,從而增強工程觀念,提高解決化工問題的能力[11]。

3 結語

基于OBE模式進行化工教學改革，通過以問題為導向，以培養目標為導向、以教學效果為導向，對化工教學進行深入思考、系統設計和綜合改革。革新教學方式，以學生為中心，基于學生自主學習理念進行教學過程設計，從“手把手”到教師指導下的自主學習，變教師講授為學生的主動探究。學生能夠在完成任務的過程中主動獲得相關知識與技能。要引導學生對給予的任務項目進行分析和整理，將項目分解成若干個小任務，知識技能的學習就在解決任務的過程中完成，有效地激發了學生的積極性，使學生在實踐、思考和反思中掌握了扎實的知識技能，提高解決化工工程問題的能力。