基于虛擬仿真平臺的線上線下混合式教學改革研究

劉巖 于洋 劉睿 尹光偉 郜鑫 駱溢嫻 賈欣陶

[摘 要] 一方面，互聯網信息技術的高速發展對高校教學改革帶來了機遇與挑戰，另一方面，工業4.0及現代化生產需求的革新使得化工與制藥相關專業的學生掌握生產過程自動控制的內容顯得越發重要。構建基于在線課程平臺的混合式教學模式能夠充分發揮線上資源和和線下教學的優勢互補。通過優化教學內容、豐富教學互動渠道，提升學生自主學習能力和教師的教學水平。通過虛擬仿真任務化，以虛補實、虛實結合，為學生搭建能力培養平臺，從而實現信息技術與課程教學的深度融合，提升高校本科教學的實用性、有效性和高階性。

[關鍵詞] 混合式教學;教學改革;虛擬仿真;線上線下;自動控制

[基金項目] 現代中藥制藥過程虛擬仿真實驗項目;天津中醫藥大學“混合式教學”改革項目;天津中醫藥大學2020年教育教學改革研究課題“面向‘新工科的‘一流課程建設探索與實踐——以‘制藥過程檢測與控制為例”結項成果

[作者簡介] 劉 巖（1987—），女，遼寧沈陽人，碩士，講師，研究方向為中藥制藥;于 洋（1983—），男，天津人，博士，助理研究員，研究方向為制藥工程;劉 睿（1980—），女，天津人，博士，教研室主任，研究方向為中藥制劑。

[中圖分類號] G642.423 ? ?[文獻標識碼] A ? ?[文章編號] 1674-9324（2020）39-0385-02 ? ?[收稿日期] 2019-11-14

一、基于虛擬仿真的混合式教學改革課程介紹

本課程以自動控制系統為主線，通過控制生產過程中的某些重要參數，使其穩定在工藝最優值上，來實現對生產過程的自動控制，從而使生產設備能夠穩定高效的運行，得到質量合格、產量穩定的產品。本課程分為“測”和“控”兩個方面的內容，“測”是講解化工制藥生產過程中重要參數檢測儀表的工作原理和安裝使用方法，“控”是使學生比較全面地掌握化工過程自動控制系統的組成、功能及自動控制系統的分析與設計。

二、基于虛擬仿真平臺的混合式教學改革目的

1.轉變傳統的學生學習模式和教師講授模式。通過生動的在線課程不僅可以抓住學習注意力集中的黃金十分鐘，還可以使學生能夠自主安排學習時間，改善實體課堂中被動學習、課時緊張、學習渠道單一等問題。在線開放課程建設將圍繞“學—練—考—用”4個教學環節，克服在課程教學中容易出現的“散亂、死板、滿堂灌”等缺點，培養學生主動思考、抽象思維和嚴密邏輯推理的能力。同時，采用更加靈活和富有挑戰性的混合式教學改革方法，通過線上學生自主學習、線下師生深入互動，結合課堂面授，有效提高學生的學習興趣和學習投入，提升課程的挑戰度，進而有助于提高教學質量[2]，取得更佳的教學效果。實現金課的金不流于形式，而是重在效果！

2.促進以學生為中心的個性化教學改革。教師不應該只是做知識的傳授者，而是應該成為能力的培養著。現代社會要求一名合格的大學生應該是知識的運用者而不是知識的搬運工。現代大學應該朝著培養學生具備以下十種能力的方向去努力：主動學習能力、溝通能力、有效協作能力、創造力、抗壓能力、領導能力、決策能力、目標劃定、自我驅動、不畏得失的能力等。虛擬仿真平臺正是給學生提供了不去工廠也能體驗到的生產實際環境，讓學生學習如何根據工藝流程來控制生產設備的運轉與投、出料，讓學生學習如何根據實際情況來控制生產過程中的重要參數（被控變量）、讓學生了解生產設備的標準操作規程是如何具體實現的，讓學生了解生產中突發狀況發生后如何進行應急處理（信號連鎖保護系統）等。虛擬仿真實現了課堂教學知識的場景化應用，顯著提升了學生的學習興趣和學習成效，實現了產—教—學融合，有助于加快實現價值塑造、能力培養、知識傳授“三位一體”的人才培養新模式。

三、基于虛擬仿真平臺的混合式教學改革舉措

1.課程建設目標化，線上線下互補，落實人才培養方案，適應產業需求。現代中藥制藥工業是中國大健康產業的主要支柱產業，也是國民經濟和社會發展的重要組成部分。但是目前，現代中藥制藥行業面臨著整體生產技術水平較低，原料與能量浪費嚴重困境，亟需大量專業的工程技術人員，實現行業的整體技術產業轉型升級，以滿足不斷增長國民健康產業的需求。

筆者整合了多年來一線教學與教改經驗，錄制了《制藥過程自動控制》的在線視頻課程，將本課程所有知識點進行重新梳理、重新分配、重新整合，將課程分為過程參數的檢測（“測”）和過程自動控制（“控”）兩個部分，“測”的部分讓學生掌握化工制藥生產過程主要工藝參數（溫度、壓力、流量及物位）的測量方法及其儀表的工作原理、選型與安裝。“控”的部分讓學生掌握化工過程自動控制的基本知識，掌握自動控制系統的組成、控制原理及各環節的作用，熟悉自動控制系統的投運及控制器的參數整定。進而培養學生能夠為自控設計提供正確的工藝條件和數據;能根據生產過程的特點和控制要求，制定合理的自動控制方案，并能夠維護和改善控制系統的運行狀況等能力。

2.課程資源模塊化，建設長效激勵機制，鼓勵學生學習與教師教學的自我提升。以能力需求為主線，進行混合式課程的單元逐級拆分教學內容，直至不可拆分的知識點，然后制定每個知識點的教學目標，再以依托網絡教學平臺，整合豐富數字化教學資源，實現教學資源的全覆蓋，使學生在每個教學單元中，通過課前網絡學習、在線測試、見面課程、虛擬仿真平臺操作，以及線下答疑討論、成果展示、撰寫論文或設計方案等形式等教學活動的設計與實施，線上線下結合、師生互動、虛擬仿真與真實案例結合，基本實現了低層次認知理解到高層次的辨別、討論、設計創造能力的培養，達到提升教學質量，促進應用型人才培養的目的。需要注意的是線上資源與線下課程要做到相互配合。首先，把知識的介紹搬到線上，讓學生對重點知識點進行初步學習和理解，把固定的集中式被動式接受轉變為零散的自主式的主動學習，并通過引導性問題輔助學生深入思考理解。然后，把能力的培養放在見面課與仿真課上，一方面在見面課上根據學生課前測試、線上討論和調研的結果，有目的有偏重的講授重點難點知識，避免大水漫灌式的長篇大論，也可以靈活設計課程主題，比如采用問答的形式覆蓋本章重難點，幫助學生進一步理解，組織學生進行角色扮演來模擬自控系統的工作過程，進一步培養學生對知識點的應用能力;另一方面利用虛擬仿真平臺給學生提供知識應用情景和操作任務，甚至能夠實現一些關鍵技術環節的考核，培養學生的實際生產過程控制能力及控制系統的設計與投運能力。最后，教師總結反思實施過程中的效果及存在的不足，不斷完善教學方案，進一步促進后續教學效果的提升。

3.虛擬仿真任務化，以虛補實、虛實結合，為學生搭建能力培養平臺。仿真平臺能夠給學生一定的情景和操作任務，好的平臺甚至能夠進行一些關鍵技術環節的考核，但是知識的全面性和系統性學習，還是要在混合式教學中完成。《制藥過程自動控制》這門課的虛擬仿真平臺可以基于真實的制藥生產流程中的每一環節進行設計，使得學生不僅能夠進一步深入熟悉制藥設備運行原理與制藥過程生產操作步驟（SOP），還能夠運行或設計相應的控制系統來調節或穩定生產過程的主要參數。這樣，一方面可以通過具體的生產設備與生產環境給學生以具體的形象，讓學生身臨其境地學習實踐，將校外實習校內化，將走馬觀花式的參觀轉變為實際操作的真實場景演習;另一方面，將混合式教學與虛擬仿真實驗有機結合，通過混合式教學讓學生掌握制藥過程控制的基本理論與基本方法，通過虛擬仿真實驗培養學生的工藝設計能力、生產過程控制能力、分析與解決工程問題能力、批判性學習能力、工程思維能力、團隊合作能力、多學科交叉學習與創新能力等，守初心、擔使命、找差距、抓落實，實現一加一大于二的效果。

參考文獻

[1]劉燕，楊光華，閏昭.化工自動化控制及其應用[J].化學工程與裝備，2010，（10）：137-138+136.

[2]李逢慶.混合式教學的理論基礎與教學設計[J].現代教育技術，2016，26（9）：18-24.