張青瑞,孫西花

(青島科技大學(xué)化工學(xué)院，山東 青島 266042)

化學(xué)反應(yīng)工程是化學(xué)工程與工藝專業(yè)的核心課，課程學(xué)習(xí)的主要目的是讓學(xué)生了解和掌握有關(guān)化學(xué)反應(yīng)速率、反應(yīng)器流動模型、反應(yīng)器的選型與設(shè)計(jì)等化學(xué)反應(yīng)過程的基本理論和知識，培養(yǎng)學(xué)生分析、計(jì)算和解決化工生產(chǎn)中有關(guān)化學(xué)反應(yīng)過程實(shí)際問題的能力[1]。由于該課程包含了大量公式推導(dǎo)、模型的建立與求解，課程內(nèi)容比較苦澀難懂。根據(jù)該課程的特點(diǎn)，主要偏重課堂教學(xué)。為了增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣提高學(xué)生的工程思維，在課堂上列舉了大量的案例，教學(xué)內(nèi)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(xué)手段在講臺上滔滔不絕，但總有小部分學(xué)生聽得津津有味，部分學(xué)生硬著頭皮在聽，部分學(xué)生放棄了去聽。如何讓每位學(xué)生參與到教學(xué)中呢？不僅人在教室中，心和思維也在教學(xué)內(nèi)容中。我們基于OBE(Outcomes - based Education)教學(xué)理念以學(xué)生為中心，采用基于問題學(xué)習(xí)的PBL(Problem-Based Learning)教學(xué)模式嘗試將講臺變成大舞臺，老師作為編劇和主持人，學(xué)生作為嘉賓和觀眾，老師拋出問題，學(xué)生講解，從而引領(lǐng)學(xué)生一步步進(jìn)入內(nèi)容的學(xué)習(xí)中來[2-3]。下面以反應(yīng)級數(shù)求取為例介紹PBL教學(xué)模式在化學(xué)反應(yīng)工程教學(xué)中的應(yīng)用。

1 反應(yīng)級數(shù)求取教學(xué)內(nèi)容

化學(xué)反應(yīng)工程的主要研究對象是工業(yè)反應(yīng)器，即如何使化學(xué)反應(yīng)在工業(yè)上有效地付諸實(shí)現(xiàn)。這需要多方面的知識，其中化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)是所需的最基本的知識之一[4]。在進(jìn)行反應(yīng)器選型、設(shè)計(jì)和優(yōu)化時必須先掌握反應(yīng)動力學(xué)規(guī)律，獲取動力學(xué)方程，反應(yīng)級數(shù)是動力學(xué)方程中的重要參數(shù)，如何采用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)求取動力學(xué)參數(shù)是化學(xué)反應(yīng)速率方程的變換與積分中的一個知識點(diǎn)。該內(nèi)容主要使學(xué)生掌握化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)求取的基本理論和知識，培養(yǎng)學(xué)生具備研究分析和開發(fā)設(shè)計(jì)反應(yīng)裝置的能力，解決化工生產(chǎn)中有關(guān)化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)的實(shí)際問題。通過各種動力學(xué)參數(shù)求取方法的學(xué)習(xí)、比較和分析，使學(xué)生能夠?qū)栴}進(jìn)行全面深度的分析，找出較好的解決方法。教學(xué)重點(diǎn)：差分法、半衰期法和參數(shù)估值法的思路、實(shí)驗(yàn)安排和數(shù)據(jù)處理。教學(xué)難點(diǎn)：參數(shù)估值法的思路、求解方法和相關(guān)軟件。教學(xué)內(nèi)容為：

(1)差分法：動力學(xué)方程

(2)半衰期法：

(3)參數(shù)估值法：

2 教學(xué)方法

采用自主學(xué)習(xí)法、討論探究法、實(shí)踐檢驗(yàn)法等方法將課內(nèi)和課外、學(xué)生主體和教師主導(dǎo)相結(jié)合，使學(xué)生能真正參與到學(xué)習(xí)中，發(fā)展學(xué)生的自主學(xué)習(xí)、全面分析和深入思考的能力。

3 教學(xué)活動設(shè)計(jì)

教學(xué)過程分為課前、課中和課后三個階段。課前：通過學(xué)習(xí)通平臺發(fā)布任務(wù)，學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)、教材和參考資料學(xué)習(xí)相關(guān)內(nèi)容，準(zhǔn)備課堂講述。課中分為以下幾步：

第一步移動簽到：利用學(xué)習(xí)通進(jìn)行移動網(wǎng)絡(luò)簽到，加強(qiáng)學(xué)生管理。

第二步通過案例回顧舊知，導(dǎo)入新課：引入教材(李紹芬主編反應(yīng)工程)中例2.2反應(yīng)動力學(xué)方程確定的案例，復(fù)習(xí)前面講過的通過反應(yīng)速率方程的積分求取已知反應(yīng)級數(shù)的反應(yīng)速率常數(shù)，導(dǎo)入問題，如果反應(yīng)級數(shù)未知，如何確定反應(yīng)級數(shù)呢？從而引出本節(jié)所學(xué)內(nèi)容。

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

第四步層層遞進(jìn)，深入討論：根據(jù)學(xué)生講述的內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生層層遞進(jìn)進(jìn)行深入思考和分析。

第五步布置課后作業(yè)：由于課堂時間有限，一些實(shí)際操作應(yīng)用在課堂上不能完成，要求學(xué)生課后通過查閱文獻(xiàn)和進(jìn)一步學(xué)習(xí)相關(guān)方法和軟件，完成課后作業(yè)，做到理論和實(shí)踐的結(jié)合。

4 教學(xué)實(shí)踐

對于半衰期法，學(xué)生的講述不一定與PPT中一致，因此提前給學(xué)生PPT是把雙刃劍。一方面學(xué)生能提前了解該方法，但另一方面它限制了學(xué)生的思維。在不給學(xué)生PPT的情況下，學(xué)生會根據(jù)書中其它方法的思路采用列舉的方法對該方法進(jìn)行介紹，比如他會舉例當(dāng)反應(yīng)級數(shù)為0、1和2時半衰期時間與濃度的關(guān)系，因此根據(jù)這種關(guān)系反過來推算出反應(yīng)級數(shù)。這時，可隨機(jī)提問1名學(xué)生，請其對該學(xué)生的三個結(jié)論重復(fù)一遍，加強(qiáng)學(xué)生的記憶，為后面例題做準(zhǔn)備。然后接著學(xué)生的思路提問，如果反應(yīng)級數(shù)不為整數(shù)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(xué)習(xí)。該方法介紹完后，提問問題如果采用半衰期法進(jìn)行反應(yīng)級數(shù)的求取，該如何安排實(shí)驗(yàn)?zāi)?？如果學(xué)生能說出來，就表揚(yáng)說和文獻(xiàn)中的思路基本一致，如果學(xué)生答不上來，也鼓勵學(xué)生，正是由于你們的不會，才需要我們進(jìn)行下面的學(xué)習(xí)。給學(xué)生展示文獻(xiàn)中采用該方法的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。該表此時先展示前兩列內(nèi)容，為了進(jìn)一步鼓勵學(xué)生，接著提問剛才的學(xué)生，該文獻(xiàn)中安排了幾次實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)？初始濃度和半衰期如何得到的？引導(dǎo)學(xué)生一步步說出實(shí)驗(yàn)的安排和數(shù)據(jù)的處理。最后問學(xué)生，根據(jù)前面學(xué)生講的不同反應(yīng)級數(shù)下半衰期和初始濃度的關(guān)系的結(jié)論，該反應(yīng)的反應(yīng)級數(shù)是幾？從而前后呼應(yīng)，將PPT與學(xué)生講述很好的結(jié)合。

表1 同反應(yīng)時間蔗糖的濃度

表1(續(xù))

對前兩種方法進(jìn)行簡要總結(jié)，提出問題當(dāng)動力學(xué)參數(shù)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(shù)估值法。針對該方法，由于要用到較多的數(shù)值分析和優(yōu)化方法的知識，大部分學(xué)生還沒有相關(guān)的基礎(chǔ)，學(xué)生對該內(nèi)容的講述一般不是很清晰，此時指出該方法的難度并表揚(yáng)該學(xué)生的辛勤付出，接著抓住學(xué)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(xué)生介紹該方法的思路以及用到的相關(guān)方法(求解微分方程組的四階龍格庫塔法、最小二乘優(yōu)化方法、牛頓迭代共軛梯度等迭代方法)和相關(guān)計(jì)算軟件(如matlab)。最后問題如果反應(yīng)是復(fù)合反應(yīng)，如何求解動力學(xué)參數(shù)？給學(xué)生布置復(fù)合反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)求取的大作業(yè)。

課后：請學(xué)生學(xué)習(xí)相關(guān)軟件和四階龍格庫塔法，完成動力學(xué)參數(shù)求取的作業(yè)，可以給學(xué)生固定的案例或者讓學(xué)生自己查閱文獻(xiàn)，學(xué)習(xí)文獻(xiàn)中實(shí)驗(yàn)方案，并根據(jù)文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù)采用所學(xué)方法求取動力學(xué)參數(shù)，最后寫成報(bào)告提交到學(xué)習(xí)通平臺。學(xué)生通過自己編程求解，將理論與實(shí)踐結(jié)合，不僅更好的理解和掌握該部分內(nèi)容，學(xué)習(xí)了相應(yīng)的計(jì)算求解思路和方法，也為后面間歇反應(yīng)器和平推流反應(yīng)器的設(shè)計(jì)計(jì)算做準(zhǔn)備。

課堂評價：課后大作業(yè)以分組的形式完成，由課代表組織同學(xué)自由組合，每組5人，各個組選出組長，給每位組員分配任務(wù)，最終完成課程報(bào)告。作業(yè)最終成績采用組長評價、評委評價和老師評價相結(jié)合的方式。每組派1名學(xué)生介紹報(bào)告內(nèi)容然后全體組員回答臺下學(xué)生和老師的提問，再由班級選出的5位同學(xué)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(bào)告的成績，答辯成績的30%加上報(bào)告成績的70%作為每組成績，根據(jù)每組組長給各個組員的打分，折換成系數(shù)，乘以各組成績即為每位學(xué)生的報(bào)告成績。

5 教學(xué)效果

通過以上PBL教學(xué)模式，課堂取到了很好的教學(xué)效果，在上課過程中，學(xué)生的注意力和學(xué)習(xí)興趣得到了很大提高，平時看到學(xué)生收拾書本就知道快要下課了，該教學(xué)模式的課堂上直到下課鈴響起，學(xué)生還意猶未盡。學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)平臺預(yù)習(xí)、課堂講解、課堂討論和課后練習(xí)，將理論很好應(yīng)用于工程實(shí)踐，通過解決遇到的實(shí)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(xué)生的距離，老師和學(xué)生一起傾聽學(xué)生的講解和點(diǎn)評，互相學(xué)習(xí)。

在PBL課堂教學(xué)過程中，我有以下體會：

(1)如何把控好課堂秩序？學(xué)生的思維是發(fā)散的，有的與老師備課的內(nèi)容不一致，如何將學(xué)生的思維與自己的思維結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生向一個方向前進(jìn)。老師提的問題既能結(jié)合前面學(xué)生的講解，又能往下引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步思考，需要老師對內(nèi)容有很好的掌握。同時，老師還能以主持人的身份，既能引導(dǎo)學(xué)生深入討論學(xué)習(xí)，又能調(diào)節(jié)課堂氛圍，對學(xué)生的講解要進(jìn)行適當(dāng)?shù)狞c(diǎn)評和延伸，吸引學(xué)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(jié)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(jìn)一步引申到其它差分方法的了解，擴(kuò)展學(xué)生的思維模式。

(2)如何讓學(xué)生積極主動發(fā)言?將課堂發(fā)言與平時成績掛鉤，課前給學(xué)生說明，每位學(xué)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(xué)生的興趣激發(fā)他們的動力。另外第一次發(fā)言學(xué)生的表現(xiàn)會影響后面的學(xué)生，同時也會逐漸打開學(xué)生的思路和回答的勇氣。但是如何讓第一次的發(fā)言比較順利需要老師有所準(zhǔn)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(zhǔn)備的很充分，思路清晰，表述流暢，將板書和口述結(jié)合的非常好，一下子開了好頭，后面的問題就采用學(xué)習(xí)通平臺隨機(jī)點(diǎn)名的方式找學(xué)生回答和討論。另外，無論學(xué)生能不能回答出問題，老師需對每位學(xué)生的回答都有針對性評價和靈活變通的引導(dǎo)，比如學(xué)生實(shí)在回答不出來，如果老師直接另找其他學(xué)生，可能出現(xiàn)尷尬的場面另外也會影響其他學(xué)生的積極性，可以給他們一個求助的機(jī)會，找其他學(xué)生幫助回答，取到了很好的效果。后面課堂中學(xué)生發(fā)言的積極性逐漸增高，準(zhǔn)備也越來越充分，講解方法也逐漸多樣化。

(3)作業(yè)獨(dú)立完成還是分組完成？分組作業(yè)與個人作業(yè)結(jié)合進(jìn)行，課后習(xí)題采用每人獨(dú)立完成提交，大作業(yè)采用分組完成。之前認(rèn)為每位學(xué)生單獨(dú)交份作業(yè)，可以督促每位學(xué)生去完成，由于現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)比較發(fā)達(dá)，答案幾乎千篇一律。尤其交的電子版作業(yè)，版本數(shù)目日趨下降。而讓學(xué)生分組完成大作業(yè)時，每個小組之間的作業(yè)幾乎不重復(fù)，都是各組獨(dú)立完成，另外，分組是學(xué)生自由組合，不積極主動的學(xué)生組隊(duì)就會比較困難，這也促使他們主動尋找隊(duì)友，完成任務(wù)也相對比較積極。

(4)PBL教學(xué)模式的改進(jìn)。PBL教學(xué)模式雖然取得了好的教學(xué)效果，但也有一些問題。PBL教學(xué)模式不是單純學(xué)生講老師評就行，課堂討論和點(diǎn)評是一個重要環(huán)節(jié)，雖然這種方式大大提高了學(xué)生的興趣和注意力，但花費(fèi)時間比較多。本次的教學(xué)內(nèi)容除了參數(shù)估值法外其它內(nèi)容相對比較簡單一些，但也花費(fèi)了兩節(jié)課的時間，影響了教學(xué)進(jìn)度。另外學(xué)生還需課前學(xué)習(xí)課后練習(xí)，花費(fèi)的時間也不少。因此，隨著在線課程的建設(shè)，PBL課堂教學(xué)需與在線學(xué)習(xí)相結(jié)合，如何不增加課時的情況下讓線上線下的學(xué)習(xí)充分結(jié)合，提高學(xué)習(xí)效率和學(xué)生的興趣。需對課程進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，將線下學(xué)習(xí)的課時和線上學(xué)習(xí)的課時統(tǒng)一起來，一部分內(nèi)容進(jìn)行在線學(xué)習(xí)，一部分內(nèi)容課堂討論，既提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和深度，也可以完成教學(xué)任務(wù)。PBL課堂雖然學(xué)生是主要表演者，其實(shí)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(zhǔn)備好每堂課的內(nèi)容和問題的設(shè)置與銜接，備課充分，還要求老師有豐富的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)知識，能根據(jù)現(xiàn)場情況靈活應(yīng)變主持把控好課堂。另外，在課程評價學(xué)生打分環(huán)節(jié)，出現(xiàn)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(rèn)真負(fù)責(zé)的學(xué)生，另外制定好評委打分規(guī)則，能把成績區(qū)分開。PBL教學(xué)模式不是千篇一律固定不變的，需要根據(jù)教學(xué)班數(shù)和學(xué)生的基礎(chǔ)適當(dāng)調(diào)整。比如課堂答辯環(huán)節(jié)適用于小班教學(xué)且學(xué)生基礎(chǔ)較好，教學(xué)進(jìn)度比較快的班級，我們一般用于實(shí)驗(yàn)班(1個班)教學(xué)比較多，也曾經(jīng)用于三個班的教學(xué)，但需嚴(yán)格控制學(xué)生答辯時間。

6 結(jié)語

我們初步將PBL教學(xué)模式應(yīng)用于化學(xué)反應(yīng)工程的教學(xué)，大大改善了課堂教學(xué)效果提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。后面我們也將結(jié)合在線課程建設(shè)，通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在不增加學(xué)生學(xué)習(xí)時間的情況下將PBL課堂和在線學(xué)習(xí)有效結(jié)合，進(jìn)一步提高學(xué)習(xí)效率和課程教學(xué)質(zhì)量。