OBE工程教育理念下的化工干燥實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

徐 穎 王春虎 郝慶蘭

（天津科技大學(xué)化工與材料學(xué)院，300457）

化工原理（包括實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)）是大化類專業(yè)學(xué)生最重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，在培養(yǎng)學(xué)生的工程素養(yǎng)以及分析解決化工實(shí)際問題的能力，尤其是解決復(fù)雜化學(xué)工程問題的能力方面，是大化類專業(yè)其他專業(yè)課無法替代的。因此，教學(xué)中如何充分利用化工原理課程的特點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生樹立正確的工程觀，培養(yǎng)和提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力，對(duì)培養(yǎng)合格的工程技術(shù)人才具有十分重要的意義。

干燥作為化工原理教學(xué)的一個(gè)重要單元操作，在化工、食品和制藥等生產(chǎn)過程中都有廣泛的應(yīng)用。干燥過程不僅受到空氣溫度、濕度、空氣流速等操作條件的影響，還受到物料結(jié)構(gòu)、物料物理化學(xué)性質(zhì)等的影響[1-2]。所以合理設(shè)計(jì)洞道干燥實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，可以引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用干燥的基本原理和知識(shí)，去分析和判斷影響干燥過程的主要因素，從而解決干燥過程的復(fù)雜工程問題。

基于成果導(dǎo)向的教育理念（OBE理念）強(qiáng)調(diào)教學(xué)要基于學(xué)生的學(xué)習(xí)產(chǎn)出，要注重學(xué)生學(xué)習(xí)的效果，并保證學(xué)生都能獲得步入社會(huì)后所需要具備的知識(shí)、能力和素質(zhì)[3-4]。在學(xué)生學(xué)習(xí)產(chǎn)出目標(biāo)明確的基礎(chǔ)上，教師根據(jù)教學(xué)內(nèi)容，采用多樣化的教學(xué)方法和評(píng)價(jià)方式，幫助學(xué)生達(dá)到最佳的學(xué)習(xí)體驗(yàn)和學(xué)習(xí)效果。本文將OBE理念應(yīng)用于化工原理洞道干燥實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，在同樣的洞道干燥實(shí)驗(yàn)設(shè)備和同樣的恒定干燥實(shí)驗(yàn)條件下，指導(dǎo)學(xué)生采用時(shí)間基準(zhǔn)和質(zhì)量基準(zhǔn)兩種數(shù)據(jù)采集方法完成干燥實(shí)驗(yàn)，撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告時(shí)，學(xué)生須對(duì)不同采集方法得到的兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并對(duì)兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的結(jié)果進(jìn)行分析和判斷。本文的干燥實(shí)驗(yàn)方案和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有別于傳統(tǒng)的驗(yàn)證型干燥實(shí)驗(yàn)教學(xué)，在實(shí)驗(yàn)組織和實(shí)施過程中，強(qiáng)調(diào)了學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目教學(xué)的改革效果，可推廣應(yīng)用到化工原理實(shí)驗(yàn)的其他實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中，以促進(jìn)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐課對(duì)工程教育認(rèn)證專業(yè)學(xué)生畢業(yè)要求的有效達(dá)成。

一、OBE理念的實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

在學(xué)生充分預(yù)習(xí)和考慮影響干燥過程因素的基礎(chǔ)上，以運(yùn)用所學(xué)理論知識(shí)解決工程實(shí)際問題的能力培養(yǎng)為出發(fā)點(diǎn)設(shè)計(jì)洞道干燥實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)思路如圖1所示。與傳統(tǒng)的以授課為主體方式的驗(yàn)證型洞道干燥實(shí)驗(yàn)不同，OBE理念下的洞道干燥實(shí)驗(yàn)方案和內(nèi)容，在將科學(xué)實(shí)驗(yàn)方法論傳授給學(xué)生的同時(shí)，強(qiáng)調(diào)學(xué)生的主體意識(shí)，強(qiáng)調(diào)學(xué)生能夠“基于專業(yè)理論，根據(jù)實(shí)驗(yàn)特征，設(shè)計(jì)可行實(shí)驗(yàn)方案”的要求，著力培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用和分析解決實(shí)際問題的能力。這樣的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，有利于提高本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量，有利于學(xué)生分析和解決實(shí)際能力的培養(yǎng)，有利于學(xué)生畢業(yè)要求的達(dá)成，同時(shí)也體現(xiàn)了持續(xù)改進(jìn)的教學(xué)理念。

二、實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施過程

實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)施過程主要分為實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)階段、實(shí)驗(yàn)方案審核階段、實(shí)驗(yàn)實(shí)施階段、學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理、分析和撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告階段以及教師評(píng)價(jià)考核階段。

1.實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)和審核階段

圖1 OBE理念下的實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)思路

學(xué)生在預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室具備的實(shí)驗(yàn)條件，合理選擇干燥物料和操作參數(shù)，并根據(jù)教師指導(dǎo)的質(zhì)量基準(zhǔn)和時(shí)間基準(zhǔn)兩種數(shù)據(jù)采集方法制定合理的實(shí)驗(yàn)方案，在進(jìn)實(shí)驗(yàn)室前提交實(shí)驗(yàn)方案給指導(dǎo)教師審核。指導(dǎo)教師主要審核學(xué)生實(shí)驗(yàn)方案的完整性、科學(xué)性和可實(shí)施性以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表格的合理性。若實(shí)驗(yàn)方案可行，則學(xué)生可以進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室開展實(shí)驗(yàn)；若指導(dǎo)教師對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)方案有質(zhì)疑，學(xué)生參考教師給出的修改建議對(duì)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行修改，待實(shí)驗(yàn)方案審核通過后進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室開展實(shí)驗(yàn)。

通過這樣的實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)和審核過程，提高了學(xué)生綜合運(yùn)用理論課所學(xué)知識(shí)，恰當(dāng)表述化學(xué)工程與工藝專業(yè)問題的能力，并能針對(duì)實(shí)際問題提出不同的解決方案，這些能力和素質(zhì)的培養(yǎng)，都是工程教育認(rèn)證要求學(xué)生具備的能力和素質(zhì)。審核和修改實(shí)驗(yàn)方案的過程，也是一個(gè)持續(xù)改進(jìn)過程，體現(xiàn)了工程教育認(rèn)證持續(xù)改進(jìn)的核心要求。

2.實(shí)驗(yàn)實(shí)施階段

學(xué)生按通過的實(shí)驗(yàn)方案安全地實(shí)施并完成實(shí)驗(yàn)。學(xué)生采用經(jīng)過自己認(rèn)真思考后確定的方案實(shí)施實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)的積極性有了很大的提高，而且在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生對(duì)在同樣的實(shí)驗(yàn)條件下用不同數(shù)據(jù)記錄方法會(huì)得到什么樣的數(shù)據(jù)結(jié)果一直保持有好奇心，不時(shí)會(huì)提出各種問題與指導(dǎo)教師討論。這樣的干燥實(shí)驗(yàn)過程，可以培養(yǎng)學(xué)生在理解單元操作理論知識(shí)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用理論知識(shí)去分析和比較不同方案的能力。

3.實(shí)數(shù)據(jù)處理、分析和報(bào)告寫作階段

完成實(shí)驗(yàn)后，學(xué)生須按要求獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理、分析和實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫，報(bào)告中須對(duì)兩種實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集方法產(chǎn)生的差異結(jié)果進(jìn)行分析并提出解決方案。以其中一組學(xué)生選擇毛呢為干燥物料的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為例，學(xué)生對(duì)時(shí)間基準(zhǔn)和質(zhì)量基準(zhǔn)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，得到的干燥曲線和干燥速率曲線如圖2和圖3所示。由圖可知，采用時(shí)間基準(zhǔn)和質(zhì)量基準(zhǔn)兩種數(shù)據(jù)采集方式得到的干燥曲線的數(shù)據(jù)點(diǎn)幾乎是重合的，即物料的干基含水率隨干燥時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸降低，但物料的干燥速率曲線差別很大（圖3）。由圖3可知，兩種數(shù)據(jù)采集方式得到的干燥速度曲線都存在恒速干燥階段和降速干燥階段，均屬于是理論課已經(jīng)學(xué)過的正常的干燥速度曲線，數(shù)據(jù)采集方式對(duì)恒速干燥階段（BC段，干燥速度維持恒定）沒有影響，但對(duì)降速干燥階段（CD段，干燥速度逐漸降低）的曲線影響很大，時(shí)間基準(zhǔn)采集的數(shù)據(jù)在干燥的降速階段出現(xiàn)了平臺(tái)現(xiàn)象[5-6]。

圖2 物料恒定干燥條件下的干燥曲線

圖3 物料在恒定干燥條件下的干燥速度曲線

與傳統(tǒng)的只要求學(xué)生用質(zhì)量基準(zhǔn)記錄數(shù)據(jù)不同，學(xué)生得到這樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，最初的想法是數(shù)據(jù)記錄有誤或數(shù)據(jù)處理有誤，但經(jīng)過核對(duì)數(shù)據(jù)后，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄和數(shù)據(jù)處理過程都是正確的。帶著這樣的疑問，學(xué)生來找指導(dǎo)教師答疑。教師引導(dǎo)學(xué)生對(duì)所得到的數(shù)據(jù)結(jié)果要從源頭的實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行分析，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)條件下完成的毛呢的干燥過程是一熱質(zhì)同時(shí)傳遞的相對(duì)緩慢的過程。當(dāng)物料干燥由恒速干燥階段轉(zhuǎn)入降速干燥階段時(shí)，采用時(shí)間基準(zhǔn)采集記錄數(shù)據(jù)，因數(shù)據(jù)記錄時(shí)間間隔較短，導(dǎo)致了干燥物料在相同的干燥時(shí)間內(nèi)緩慢失去的水分量是相同的，這樣就得到了在降速干燥階段有數(shù)據(jù)平臺(tái)出現(xiàn)的干燥速度曲線。分析了數(shù)據(jù)出現(xiàn)問題的原因后，學(xué)生也得到了解決這一問題的方法：①采用質(zhì)量基準(zhǔn)記錄干燥實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；②增大時(shí)間基準(zhǔn)記錄數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔，使物料干燥在相同的時(shí)間內(nèi)失去的水分量不相等即可得到和質(zhì)量基準(zhǔn)記錄數(shù)據(jù)的結(jié)果。

兩種常用的數(shù)據(jù)采集方法，本質(zhì)上都是合理的，沒有任何差別，但針對(duì)具體的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和過程，須做出合適的選擇并得到合理的結(jié)論。這樣的干燥實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，可以培養(yǎng)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和解釋，并獲得合理有效結(jié)論的能力，對(duì)學(xué)生步入社會(huì)后運(yùn)用所學(xué)專業(yè)知識(shí)去分析、判斷和解決復(fù)雜工程問題具有非常重要的意義。

4.評(píng)價(jià)考核階段

教師根據(jù)學(xué)生提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告的質(zhì)量給出實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績(jī)，實(shí)驗(yàn)報(bào)告的質(zhì)量包括書寫格式、數(shù)據(jù)處理質(zhì)量和數(shù)據(jù)分析討論、寫作的語言表達(dá)和邏輯關(guān)系等。指導(dǎo)教師對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)的平時(shí)考核是貫穿于學(xué)生實(shí)驗(yàn)的整個(gè)過程的，包括對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)方案制訂、實(shí)驗(yàn)過程操作等。這樣的實(shí)驗(yàn)考核方式，對(duì)學(xué)生運(yùn)用知識(shí)解決問題能力的培養(yǎng)是全方位的，同時(shí)，學(xué)生寫作的邏輯性也有了提高。

三、OBE理念下實(shí)驗(yàn)改革的意義

基于學(xué)生成果產(chǎn)出的OBE教學(xué)理念，學(xué)生的學(xué)習(xí)效果在很大程度上取決于教師的教學(xué)設(shè)計(jì)。工程經(jīng)驗(yàn)的積累需要一個(gè)長(zhǎng)期的實(shí)踐過程，學(xué)生工程素質(zhì)與能力的提高也并非一蹴而就。如何在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生工程研究的方法，對(duì)于學(xué)生工程意識(shí)的培養(yǎng)、工程知識(shí)的積累具有重要的意義，改革后的化工原理洞道干燥實(shí)驗(yàn)的意義主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

第一，給傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課程賦予新的生命力。改變了傳統(tǒng)化工原理干燥實(shí)驗(yàn)以教師講授、學(xué)生機(jī)械重復(fù)實(shí)驗(yàn)操作采集數(shù)據(jù)的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ健８稍飳?shí)驗(yàn)采集數(shù)據(jù)耗時(shí)長(zhǎng)，學(xué)生只機(jī)械采集數(shù)據(jù)難免感覺枯燥，缺乏主動(dòng)思考的意識(shí)，以不同的數(shù)據(jù)采集記錄方式設(shè)計(jì)洞道干燥實(shí)驗(yàn)，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

第二，培養(yǎng)了學(xué)生應(yīng)用理論知識(shí)去分析和解決問題的綜合能力。學(xué)生在同樣的實(shí)驗(yàn)條件下，采用兩種常規(guī)的數(shù)據(jù)記錄采集方法，得到的不同的干燥速率曲線，這就需要學(xué)生自主查找資料，討論分析數(shù)據(jù)出現(xiàn)差別的原因，并獲得解決問題的方法。這樣的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)實(shí)施過程，實(shí)現(xiàn)了學(xué)生從死背硬記理論知識(shí)到應(yīng)用知識(shí)解決問題的轉(zhuǎn)變。另外，在完成實(shí)驗(yàn)和撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告過程中，有利于學(xué)生養(yǎng)成認(rèn)真、細(xì)致、綜合考慮問題的思維習(xí)慣，以及辯證看待問題、實(shí)事求是的科學(xué)精神。

第三，對(duì)教師提出了更高的要求。在有限的實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)時(shí)內(nèi)，如何讓學(xué)生學(xué)有所獲，是每個(gè)教師都應(yīng)該認(rèn)真思考的問題。此外，學(xué)生在項(xiàng)目實(shí)施過程中碰到的問題往往都不是預(yù)先能想到的，這些隨機(jī)出現(xiàn)問題的解決，需要指導(dǎo)教師具有豐富的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)。教學(xué)過程不但要培養(yǎng)學(xué)生具有自主學(xué)習(xí)和終生學(xué)習(xí)的意識(shí)，教師更要有自主學(xué)習(xí)和終生學(xué)習(xí)的能力。

四、結(jié)束語

以注重學(xué)生學(xué)習(xí)效果的干燥實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，改變了傳統(tǒng)干燥實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證型為教學(xué)目的的模式，學(xué)生通過自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，在相同條件下，通過對(duì)兩種實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集方法得到的不同實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析討論并提出解決方案，不但加深了學(xué)生對(duì)干燥單元操作理論知識(shí)的理解，而且鍛煉了學(xué)生應(yīng)用知識(shí)去分析和解決實(shí)際問題的能力。通過整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析、關(guān)聯(lián)和解釋，獲得合理有效的結(jié)論，這些能力的培養(yǎng)有效地支撐了學(xué)生畢業(yè)要求的達(dá)成。本文對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行的OBE理念設(shè)計(jì)具有很好的推廣價(jià)值。