“制藥工程自動控制”課程項目教學研究與實踐*

王思遠, 蘇 慧, 徐 巖，徐世一

(1 黑龍江中醫藥大學藥學院，黑龍江 哈爾濱 150040；2 黑龍江中醫藥大學實訓中心，黑龍江 哈爾濱 150040)

隨著社會的發展，社會對人才的需求也隨之改變，具備實踐創新能力的應用型人才是我國現今社會發展最為緊缺的資源[1]。為國家培育人才的高等院校，應該順應時代的發展，及時轉變教育思維，著重培養學生的實踐創新能力。雖然一直以來，應用型人才一直是工科院校的代名詞，而其他類型院校對學生實踐能力的培養則相對薄弱[4]。但在當今社會的發展形勢下，應用型人才的培養不應只是工科院校的專利，所有院校均需要加強對學生實踐能力的培養[5]。在目前的高校教育體系中，傳統的“一言堂”教學可以有效給學生灌輸基礎理論知識，但是對實踐創新能力的培養則是力有不逮。如何在基礎相對薄弱的情況下，研究和運用新的教育方法和手段提高學生的實踐創新能力是一線教師努力的方向。書本知識與實際應用的脫節是制約實踐能力提升的關鍵。將真實的項目引入課堂教學，讓學生通過項目的實施而實現自主學習，不僅可以充分調動學生的學習興趣，拓展其創新思維，還可以將理論知識應用于實踐來培養學生的實踐能力。本文以“制藥工程自動控制”課程教學為例，將設計項目引入課堂教學，研究和實踐新的教學模式，著重培養學生的應用思維，提高學生的實踐創新能力。

1 項目引入

傳統課堂教學的一個很大的弊病在與學生的參與度不高，導致學生對學習的興趣低迷。學生的注意力會隨著時間逐漸下降，學習效果也大打折扣。項目引入的成功與否在與是否能調動起學生的學習興趣，吸引學生的注意力，進而幫助學生快速投入學習狀態。就“制藥工程自動控制”課程中基于設計項目的教學，項目的引入被分為三個步驟。首先，就像一本書正文之前有序言，在正式介紹項目的之前也應該有“熱身運動”。其內容是通過多媒體展示相關領域的最新研究進展或技術突破，多感官參與的逼真展示相比于枯燥無趣的書本更能吸引學生對于教學內容的注意力。國產制藥領域的最新進展(如國產HPV疫苗)和高新科技(5G、AI等)在制藥生產自動控制領域的應用可以在很大程度上激發學生的學習興趣。前沿的內容介紹也彌補了書本知識的滯后性。之后，介紹一些相關的項目案例，包括已經投產創造經濟價值的成功案例(青霉素發酵過程控制、啤酒發酵過程控制)和一些因設計失誤導致嚴重后果的失敗案例(天津宜坤精細化工公司“8·7”爆炸事故、山東招遠化工廠“8·14”爆炸事故、江蘇無錫焦化廠“8·5”爆炸事故、俄國“質子”火箭因控制系統故障導致爆炸事故)，讓學生了解到本課程學習的重要性和實際用途。初出茅廬的學生也可以在這些案例中對照自身所學的理論知識，并汲取項目實施的經驗。最后就是本課程教學項目的正式導入。在之前的兩個步驟中，學生的學習興趣已被調到能夠起來，學習狀態和思維活躍程度正處于高峰。此時在介紹完項目的基本背景之后，提出項目的核心問題——制備生產線自動化控制系統的搭建。

2 項目實施

2.1 項目實施條件

基于設計項目的教學應被設置在課程的中后階段，課程的前半部分應該是對學生基礎知識的講授。項目教學開始之前應確保學生已經對構成控制系統的基本單元，諸如檢測儀表與傳感器、顯示儀表、自動控制儀表、執行器等的概念、分類和原理等有了一定程度的認識，并已經掌握由其組成簡單控制系統和典型的復雜控制系統。“制藥工程自動控制”課程總課時為32學時分為8周講授，項目教學內容被安排在課程的第7、8周。在開始項目教學之前(第6周)要對學生的基礎知識掌握程度進行測試，選擇制藥反應器、提取過濾、濃縮、灌裝等四個設備作為控制對象，每位學生隨機選擇一個單一對象進行自動控制系統設計，限時30分鐘。教師根據操縱變量的選擇(10分)、控制系統設計(30分)、儀表的選擇與安裝(40分)和方塊圖(20分)等四項內容進行綜合評分，學生的平均掌握水平達到75分以上則可以開展項目教學。

2.2 項目小組成立

根據教學要求及實際情況，設計項目不易過于復雜，涉及4～5個生產步驟所需的自動化控制系統為宜。將班級學生分為由5～6個學生組成的設計小組，每名學生負責一個生產步驟的控制系統設計(最重要或復雜的系統可由兩名學生共同負責)。將每個生產步驟以英文字母標號(A～E)，小組內學生隨機抽簽決定所負責的部分。我們選擇醫用輔料羧甲基纖維素鈉的生產流程(包括堿化、醚化、中和、洗滌、烘干、粉碎等步驟)為設計項目。將38位學生分為7個設計小組(5人組4組，6人組3組)，每位同學承擔一個生產步驟的設計(5人組略去粉碎步驟設計)。

2.3 項目方案設計

第一節課，教師利用30分鐘對學生測試出現的問題進行集中講解并對整個生產線及每個步驟所用的生產設備進行介紹，包括生產的技術要求(物料比例、反應溫度、時間等)、安全隱患和控制系統的基本需求。20分鐘學生隨機抽簽，確定所在設計小組及所負責的步驟設計，并互相介紹。學生課下查閱相關資料為后續設計做準備。

第二節課將各小組中負責相同部分的學生集合在一起，每位學生5分鐘發言，內容包括設計思路、關鍵問題和目前遇到的困惑。之后20分鐘集體討論本部分設計所需注意的一些細節，匯總所發現的問題。集體討論之后，各小組學生返回各自的設計小組。

第三節課教師20分鐘解答上次課學生遇到的相關問題，問題主要集中在副變量的選擇、測量儀表的選擇與安裝和控制器的控制規律。各設計小組每位同學進行30分鐘相應部分控制系統的設計包括系統中傳感器、顯示器、控制器、執行器的選擇和系統路線的設計。當小組中每位學生完成了各自的設計，5分鐘闡述自己的設計理念，并回答其他同學提出的問題，后按照生產線的順序與下一個生產步驟的學生共同進行對接部分的設計，依次進行完成整個控制系統設計。最后，20分鐘組內對控制系統進行評估、修改，總結所設計系統的優缺點和設計心得。

2.4 項目成果展示

每個設計小組選出1～2名學生，將所設計的自動化控制系統進行PPT展示，介紹其設計初衷和系統優勢。將每小組的設計制作成墻報供學生們學習交流，并安排相應小組的1～2名學生進行講解。

3 項目測評

有效的項目測評不僅是給學生一個單一的分數作為項目完成度的結果，而應該是通過教師和學生之間的互動和交流，逐步改進和提高學習的方式方法，幫助培養學生可持續性學習能力。正面的測評結果可以鼓勵學生，促進其學習的積極性；反面的結果可以讓學生了解和改善學習過程中的不足。 本課程的測評方式由小組互評、現場投票和反思總結三個部分組成。小組互評是將各項目小組兩兩組成一隊，一組作為項目需求方的廠方組，從實際生產角度提出要求、標準和設計方面的不足，另一組作為自動化控制系統的設計組，根據要求進行講解、修改和推薦。進行幾輪的討論之后，廠方組依據控制系統完整度、對實際生產要求的完成度、解決問題的滿意度等幾方面對設計組進行綜合評價。之后兩小組身份互換，重復上述流程。當所有項目小組完成最終的系統設計，由所有學生進行現場的匿名投票，選出最佳的項目方案，并予以適當獎勵。通過小組互評和現場投票，學生不再只是被測評者，而變為主動的測評者，教學相長增強其學習的信心。最后給學生反思的時間，教師根據項目和學生在項目中擔任的角色給出評價，并保留數據以便進行期末大數據統計分析。

4 教學總結

基于設計項目的教學模式是否適合應用于“制藥工程自動控制”課程教學需要我們教師進行及時總結來驗證教學效果。教學效果的驗證方法主要采取不等組實驗研究法、問卷調查法、訪談法和統計分析法。第一，依據不等組實驗研究法，以采取項目教學的班級為實驗組，傳統課堂教學的班級為對照組，分別進行教學和測試考核后，量化分析和評估項目教學模式的教學效果。第二，對接受項目教學模式授課的學生進行網絡問卷調查，調查的內容主要包括課堂中學到的知識點，最喜歡/不喜歡的之處，自身需要加強學習之處，對課堂的建議，為課堂中各部分內容進行打分等幾個方面。第三是對學生進行抽樣隨機訪談，了解他們的學習感受和態度，更為具體地調查基于項目的教學模式在課堂教學中的實際效果，發現其在教學過程中遇到的障礙和不足并及時改進。第四，綜合上述驗證方法，進行整理和分析，制成柱狀圖或餅狀圖把數據對比直觀展示出來。

5 結 語

本文以培養學生實踐創新能力為目標，在“制藥工程自動控制”課程教學中采用基于設計項目的教學模式，對整個課程進行重新設計。經過一個階段的教學測評，基于設計項目的教學模式教學效果良好，學生的教學滿意度也較高。新型的教學模式使得學生可以將學習到的基礎書本知識應用于實踐，自行完成設計項目的自主學習方式讓學習的效率大大提高。通過項目的完成及成果展示，學生看到學習的成效不僅在于卷面的分數，更在于實際生活生產中產生的價值，激發學生的學習興趣。