新工科背景下制藥工程專(zhuān)業(yè)化工原理課程教學(xué)改革

史建俊 李偉偉 孫銀宇 鄭祖彪 王愛(ài)東

面對(duì)世界新一輪科學(xué)和產(chǎn)業(yè)革命機(jī)遇，響應(yīng)國(guó)家發(fā)展的需求，為進(jìn)一步提升高等教育服務(wù)支撐能力，教育部從2017年初開(kāi)始積極推進(jìn)新工科建設(shè)。目前我國(guó)新工科建設(shè)進(jìn)入更加深入的階段，新工科建設(shè)積極推動(dòng)高等工程教育改革，引領(lǐng)我國(guó)高等教育“四新”建設(shè)[1]。

化工原理是制藥工程專(zhuān)業(yè)具有很強(qiáng)理論性和實(shí)踐性的重要基礎(chǔ)課程，分析和解決制藥工業(yè)生產(chǎn)中單元操作的工程學(xué)科。教學(xué)內(nèi)容包括“三傳”的基礎(chǔ)理論研究、常見(jiàn)單元操作的規(guī)律和典型設(shè)備應(yīng)用。培養(yǎng)學(xué)生具有優(yōu)選單元過(guò)程所需典型設(shè)備的能力和優(yōu)化生產(chǎn)工藝過(guò)程的設(shè)計(jì)能力。同時(shí)為學(xué)生學(xué)習(xí)制藥工藝學(xué)、制藥設(shè)備與車(chē)間設(shè)計(jì)、制藥分離工程等后續(xù)制藥工程相關(guān)專(zhuān)業(yè)課程奠定基礎(chǔ)。

我校努力建設(shè)特色鮮明的地方應(yīng)用型高水平大學(xué)，在2018年順利通過(guò)了教育部組織的本科教學(xué)審核評(píng)估。制藥工程專(zhuān)業(yè)經(jīng)過(guò)十幾年的發(fā)展，在2019年獲批省級(jí)一流本科專(zhuān)業(yè)建設(shè)點(diǎn)。化工原理課程積極踐行新工科建設(shè)的“新理念”“新標(biāo)準(zhǔn)”“新模式”和“新體系”，以制藥工程應(yīng)用型人才為培養(yǎng)目標(biāo)，注重訓(xùn)練學(xué)生工程實(shí)踐能力，提高學(xué)生的理論素養(yǎng)和綜合應(yīng)用能力。

1 化工原理課程教學(xué)過(guò)程存在的問(wèn)題

1.1 教學(xué)內(nèi)容豐富，課程難度

由于化工原理課程理論性較強(qiáng)，知識(shí)體系復(fù)雜，涉及動(dòng)量、熱量和質(zhì)量傳遞三種不同的傳遞原理。三種傳遞原理所采用的公式和推導(dǎo)過(guò)程都不同，即使屬于同一種傳遞原理的單元操作也有單獨(dú)的計(jì)算公式，各單元操作間相對(duì)獨(dú)立，分布在課程十一個(gè)章節(jié)中，知識(shí)點(diǎn)較零散。而且學(xué)生較難理解本課程采用的半理論半經(jīng)驗(yàn)的研究方法。這些因素使學(xué)生很難掌握課程的理論知識(shí)。

1.2 教學(xué)形式單一，學(xué)生積極性不高

化工原理課程在學(xué)生從制藥工程專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程到專(zhuān)業(yè)課程的學(xué)習(xí)過(guò)程中起著重要作用。化工原理理論教學(xué)中教師通常以推導(dǎo)公式為主，學(xué)生由于缺乏前期高等數(shù)學(xué)和物理化學(xué)知識(shí)的回顧而無(wú)法完成知識(shí)的銜接和融會(huì)貫通。在“注入式”教學(xué)的環(huán)境下，學(xué)生對(duì)單元操作在制藥工業(yè)中的實(shí)際應(yīng)用缺乏了解，很難理解公式的含義和用途[2]，因此學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不大，感到化工原理課程比較枯燥乏味。

1.3 理論和實(shí)踐的結(jié)合不夠緊密

制藥工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)化工原理課程的目標(biāo)是掌握制藥工業(yè)實(shí)際生產(chǎn)中選擇和優(yōu)化單元操作及設(shè)備的能力。而調(diào)研發(fā)現(xiàn)很多畢業(yè)班同學(xué)不知道實(shí)際制藥生產(chǎn)中如何選擇單元過(guò)程設(shè)備，主要是因?yàn)榻處熢谡n堂上傳授的知識(shí)點(diǎn)和化工原理實(shí)驗(yàn)室完成的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與制藥生產(chǎn)企業(yè)的真實(shí)生產(chǎn)過(guò)程還有差距。這就導(dǎo)致學(xué)生完成化工原理課程的學(xué)習(xí)后，不能靈活應(yīng)用所學(xué)單元操作知識(shí)解決工業(yè)中實(shí)際問(wèn)題，無(wú)法完成實(shí)際生產(chǎn)工藝計(jì)算和設(shè)備的選型，導(dǎo)致學(xué)生在工程實(shí)踐和創(chuàng)新過(guò)程中受阻。

1.4 課程考核評(píng)價(jià)體系不全面

課程的考核評(píng)價(jià)是評(píng)估教師教學(xué)水平和學(xué)生學(xué)習(xí)成果的重要方式。化工原理課程考核一般采用傳統(tǒng)的閉卷筆試方法，且期末考試分值占比較高，致使一些學(xué)生形成輕過(guò)程重考試的心態(tài)，學(xué)生在課程學(xué)習(xí)中積極性不高，期末考試前突擊背誦和記憶知識(shí)點(diǎn)。這樣單一的考核方式無(wú)法全面考查學(xué)生的綜合應(yīng)用能力[3]，也不利于高等學(xué)校應(yīng)用型人才的培養(yǎng)。

2 教學(xué)改革的具體措施

新工科背景下，制藥工程專(zhuān)業(yè)化工原理課程旨在培養(yǎng)學(xué)生分析處理制藥工業(yè)中工程技術(shù)問(wèn)題的能力。針對(duì)目前的課程教學(xué)中課程難度大、教學(xué)形式單一、理論和實(shí)踐的結(jié)合不夠緊密和課程考核不完善等問(wèn)題進(jìn)行了具體的改革探索。

2.1 修訂教學(xué)大綱

化工原理課程的教學(xué)支撐制藥工程專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)和畢業(yè)要求，而且與很多復(fù)雜工程問(wèn)題的解決有關(guān)，對(duì)新工科制藥工程專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)非常重要。在深入理解工程教育認(rèn)證要求下，化工原理教學(xué)團(tuán)隊(duì)完善了以成果為導(dǎo)向的課程目標(biāo)。主要包括以下四個(gè)方面：

（1）能夠運(yùn)用高等數(shù)學(xué)、物理化學(xué)和化工原理等課程知識(shí)針對(duì)具體的制藥工程對(duì)象建立數(shù)學(xué)模型用于推演、分析專(zhuān)業(yè)制藥工程問(wèn)題。

（2）掌握化工過(guò)程基本原理，培養(yǎng)理論聯(lián)系實(shí)際的觀點(diǎn)，能夠進(jìn)行典型單元操作設(shè)備的設(shè)計(jì)、操作及工藝尺寸的計(jì)算。

（3）具備運(yùn)用基礎(chǔ)理論分析和解決制藥工業(yè)中各種工程實(shí)際問(wèn)題的能力，能夠針對(duì)特定需求，完成制藥單元的設(shè)計(jì)。

（4）了解最新的單元操作設(shè)備，具備工程觀點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)，能夠遵守工程師職業(yè)道德和規(guī)范。教學(xué)內(nèi)容由原來(lái)分散的十一章內(nèi)容按照原理整合為動(dòng)量傳遞、熱量傳遞和質(zhì)量傳遞三大篇，有利于學(xué)生學(xué)習(xí)和總結(jié)。

2.2 開(kāi)展線(xiàn)上線(xiàn)下混合式教學(xué)

新工科必須積極采用現(xiàn)代信息技術(shù)，大力發(fā)展“互聯(lián)網(wǎng)+高等教育”新形態(tài)，建設(shè)MOOC、虛擬仿真等新形態(tài)教學(xué)資源[1]。化工原理課程改革積極探索應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)，解決教學(xué)形式單一的問(wèn)題，發(fā)揮線(xiàn)上教學(xué)和虛擬仿真教學(xué)的優(yōu)勢(shì)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)自主性和主動(dòng)性。在超星泛雅網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)建立化工原理在線(xiàn)課程，整合教學(xué)資源，通過(guò)“一平三端”系統(tǒng)進(jìn)行在線(xiàn)互動(dòng)教學(xué)，輔助課堂教學(xué)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代科技與教育的融合促進(jìn)。學(xué)生的學(xué)習(xí)活動(dòng)不再限制于線(xiàn)下傳統(tǒng)課堂從而實(shí)現(xiàn)學(xué)生個(gè)性化和主動(dòng)學(xué)習(xí)的需求。課前教師通過(guò)“超星課堂”來(lái)發(fā)布任務(wù)單、課件、課前思考題，讓學(xué)生提前預(yù)習(xí)，提前了解課堂的重難點(diǎn)。課堂教學(xué)中教師可以借助移動(dòng)端開(kāi)展豐富的課堂互動(dòng)，如隨堂測(cè)驗(yàn)、提問(wèn)、搶答、分組討論等，活躍課堂氣氛，提高學(xué)生參與度，檢驗(yàn)學(xué)生聽(tīng)課效果。課后，教師可以發(fā)布思考題、課程總結(jié)和前沿知識(shí)等，學(xué)生能夠借助“超星課堂”的討論區(qū)模塊對(duì)學(xué)習(xí)中疑難問(wèn)題展開(kāi)討論，實(shí)現(xiàn)同學(xué)間、教師和學(xué)生間的互動(dòng)交流。線(xiàn)上平臺(tái)管理端具有的學(xué)情分析可以自動(dòng)統(tǒng)計(jì)學(xué)生的各項(xiàng)學(xué)習(xí)任務(wù)完成情況，提供了每個(gè)學(xué)生學(xué)習(xí)效果的直觀分析[4]。在線(xiàn)課程的應(yīng)用提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性和積極性，而且使教師對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)可以進(jìn)行及時(shí)的指導(dǎo)和鼓勵(lì)[5]，增加了教師和學(xué)生的溝通交流。

2.3 采用案例教學(xué)

化工原理的理論都來(lái)自實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)，制藥工業(yè)中小到每一個(gè)裝置，大到整個(gè)生產(chǎn)流程都與單元操作息息相關(guān)。采用案例教學(xué)法有助于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)參與課堂討論，培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力。過(guò)濾是動(dòng)量傳遞中的一種單元操作，在制藥工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。青霉素原料藥生產(chǎn)中發(fā)酵液的分離提純過(guò)程中就采用了過(guò)濾操作。青霉素的發(fā)酵液中含有目的藥物濃度較低，但含有菌體細(xì)胞、菌體代謝物、培養(yǎng)基等大量的雜質(zhì)[6]。工業(yè)上一般采用兩次過(guò)濾工藝，首先采用真空過(guò)濾機(jī)除去大部分培養(yǎng)基、蛋白質(zhì)等雜質(zhì)，再加入絮凝劑和助濾劑后采用板框過(guò)濾機(jī)就能得到澄清的濾液，這樣才可以繼續(xù)下一步分離。第一次過(guò)濾操作采用真空過(guò)濾機(jī)，是因?yàn)樵撛O(shè)備可連續(xù)自動(dòng)操作，處理速度快。當(dāng)大部分雜質(zhì)除去后，加入絮凝劑可以使很小的雜質(zhì)形成大顆粒，與助濾劑一起提高濾餅的孔隙率，提高過(guò)濾速度。第二次過(guò)濾操作采用板框過(guò)濾機(jī)，是因?yàn)樵撛O(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且工作壓力大，過(guò)濾效果更佳。通過(guò)青霉素發(fā)酵液過(guò)濾操作案例可以使學(xué)生掌握不同過(guò)濾設(shè)備的差異和應(yīng)用，同時(shí)掌握提高過(guò)濾速率的方法。

2.4 實(shí)行多維度的評(píng)價(jià)

原來(lái)的總成績(jī)由作業(yè)考勤等平時(shí)成績(jī)（30%）和期末考試（70%）組成。踐行OBE 理念，更加重視過(guò)程評(píng)價(jià)[7]，教學(xué)團(tuán)隊(duì)對(duì)以期末成績(jī)?yōu)橹鞯脑u(píng)價(jià)方式進(jìn)行改革，轉(zhuǎn)變?yōu)樽⒅剡^(guò)程的全面評(píng)價(jià)方式。目前本課程的總成績(jī)包括平時(shí)成績(jī)（30%），過(guò)程性考核成績(jī)（30%）和期末考試成績(jī)（40%）三大部分。在原來(lái)作業(yè)和考勤基礎(chǔ)上，平時(shí)考核中增加課堂討論和參與在線(xiàn)學(xué)習(xí)任務(wù)成績(jī)。過(guò)程性考核主要是根據(jù)任務(wù)進(jìn)行制藥工業(yè)中實(shí)際工程中涉及的傳熱和傳質(zhì)工藝的優(yōu)化，考核學(xué)生單元操作的綜合理解和應(yīng)用，要求分組完成查閱資料、工藝設(shè)計(jì)、設(shè)備選型、撰寫(xiě)報(bào)告等。通過(guò)多維度的考察，調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性，以全面反映學(xué)生學(xué)習(xí)化工原理課程的實(shí)際效果。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)化工原理課程這門(mén)課具有知識(shí)點(diǎn)分散，課程難度大等特點(diǎn)，在新工科背景下，為培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力采取了一系列的改革措施，包括重新修訂課程教學(xué)大綱、應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)改進(jìn)教學(xué)方法、積極采用案例教學(xué)和完善課程評(píng)價(jià)方式等。通過(guò)改革提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)了學(xué)生的工程觀念，加快了學(xué)生向工程師的轉(zhuǎn)變，有利于實(shí)現(xiàn)新工科要求下應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標(biāo)。