“制藥工程自動控制”課程項目教學(xué)研究與實踐*

王思遠, 蘇 慧, 徐 巖，徐世一

(1 黑龍江中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040；2 黑龍江中醫(yī)藥大學(xué)實訓(xùn)中心，黑龍江 哈爾濱 150040)

隨著社會的發(fā)展，社會對人才的需求也隨之改變，具備實踐創(chuàng)新能力的應(yīng)用型人才是我國現(xiàn)今社會發(fā)展最為緊缺的資源[1]。為國家培育人才的高等院校，應(yīng)該順應(yīng)時代的發(fā)展，及時轉(zhuǎn)變教育思維，著重培養(yǎng)學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力。雖然一直以來，應(yīng)用型人才一直是工科院校的代名詞，而其他類型院校對學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)則相對薄弱[4]。但在當(dāng)今社會的發(fā)展形勢下，應(yīng)用型人才的培養(yǎng)不應(yīng)只是工科院校的專利，所有院校均需要加強對學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)[5]。在目前的高校教育體系中，傳統(tǒng)的“一言堂”教學(xué)可以有效給學(xué)生灌輸基礎(chǔ)理論知識，但是對實踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)則是力有不逮。如何在基礎(chǔ)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(xué)生的實踐創(chuàng)新能力是一線教師努力的方向。書本知識與實際應(yīng)用的脫節(jié)是制約實踐能力提升的關(guān)鍵。將真實的項目引入課堂教學(xué)，讓學(xué)生通過項目的實施而實現(xiàn)自主學(xué)習(xí)，不僅可以充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，拓展其創(chuàng)新思維，還可以將理論知識應(yīng)用于實踐來培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力。本文以“制藥工程自動控制”課程教學(xué)為例，將設(shè)計項目引入課堂教學(xué)，研究和實踐新的教學(xué)模式，著重培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用思維，提高學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力。

1 項目引入

傳統(tǒng)課堂教學(xué)的一個很大的弊病在與學(xué)生的參與度不高，導(dǎo)致學(xué)生對學(xué)習(xí)的興趣低迷。學(xué)生的注意力會隨著時間逐漸下降，學(xué)習(xí)效果也大打折扣。項目引入的成功與否在與是否能調(diào)動起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，吸引學(xué)生的注意力，進而幫助學(xué)生快速投入學(xué)習(xí)狀態(tài)。就“制藥工程自動控制”課程中基于設(shè)計項目的教學(xué)，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(yīng)該有“熱身運動”。其內(nèi)容是通過多媒體展示相關(guān)領(lǐng)域的最新研究進展或技術(shù)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(xué)生對于教學(xué)內(nèi)容的注意力。國產(chǎn)制藥領(lǐng)域的最新進展(如國產(chǎn)HPV疫苗)和高新科技(5G、AI等)在制藥生產(chǎn)自動控制領(lǐng)域的應(yīng)用可以在很大程度上激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。前沿的內(nèi)容介紹也彌補了書本知識的滯后性。之后，介紹一些相關(guān)的項目案例，包括已經(jīng)投產(chǎn)創(chuàng)造經(jīng)濟價值的成功案例(青霉素發(fā)酵過程控制、啤酒發(fā)酵過程控制)和一些因設(shè)計失誤導(dǎo)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(zhì)子”火箭因控制系統(tǒng)故障導(dǎo)致爆炸事故)，讓學(xué)生了解到本課程學(xué)習(xí)的重要性和實際用途。初出茅廬的學(xué)生也可以在這些案例中對照自身所學(xué)的理論知識，并汲取項目實施的經(jīng)驗。最后就是本課程教學(xué)項目的正式導(dǎo)入。在之前的兩個步驟中，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣已被調(diào)到能夠起來，學(xué)習(xí)狀態(tài)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(chǎn)線自動化控制系統(tǒng)的搭建。

2 項目實施

2.1 項目實施條件

基于設(shè)計項目的教學(xué)應(yīng)被設(shè)置在課程的中后階段，課程的前半部分應(yīng)該是對學(xué)生基礎(chǔ)知識的講授。項目教學(xué)開始之前應(yīng)確保學(xué)生已經(jīng)對構(gòu)成控制系統(tǒng)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(zhí)行器等的概念、分類和原理等有了一定程度的認識，并已經(jīng)掌握由其組成簡單控制系統(tǒng)和典型的復(fù)雜控制系統(tǒng)?！爸扑幑こ套詣涌刂啤闭n程總課時為32學(xué)時分為8周講授，項目教學(xué)內(nèi)容被安排在課程的第7、8周。在開始項目教學(xué)之前(第6周)要對學(xué)生的基礎(chǔ)知識掌握程度進行測試，選擇制藥反應(yīng)器、提取過濾、濃縮、灌裝等四個設(shè)備作為控制對象，每位學(xué)生隨機選擇一個單一對象進行自動控制系統(tǒng)設(shè)計，限時30分鐘。教師根據(jù)操縱變量的選擇(10分)、控制系統(tǒng)設(shè)計(30分)、儀表的選擇與安裝(40分)和方塊圖(20分)等四項內(nèi)容進行綜合評分，學(xué)生的平均掌握水平達到75分以上則可以開展項目教學(xué)。

2.2 項目小組成立

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

2.3 項目方案設(shè)計

第一節(jié)課，教師利用30分鐘對學(xué)生測試出現(xiàn)的問題進行集中講解并對整個生產(chǎn)線及每個步驟所用的生產(chǎn)設(shè)備進行介紹，包括生產(chǎn)的技術(shù)要求(物料比例、反應(yīng)溫度、時間等)、安全隱患和控制系統(tǒng)的基本需求。20分鐘學(xué)生隨機抽簽，確定所在設(shè)計小組及所負責(zé)的步驟設(shè)計，并互相介紹。學(xué)生課下查閱相關(guān)資料為后續(xù)設(shè)計做準備。

第二節(jié)課將各小組中負責(zé)相同部分的學(xué)生集合在一起，每位學(xué)生5分鐘發(fā)言，內(nèi)容包括設(shè)計思路、關(guān)鍵問題和目前遇到的困惑。之后20分鐘集體討論本部分設(shè)計所需注意的一些細節(jié)，匯總所發(fā)現(xiàn)的問題。集體討論之后，各小組學(xué)生返回各自的設(shè)計小組。

第三節(jié)課教師20分鐘解答上次課學(xué)生遇到的相關(guān)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(guī)律。各設(shè)計小組每位同學(xué)進行30分鐘相應(yīng)部分控制系統(tǒng)的設(shè)計包括系統(tǒng)中傳感器、顯示器、控制器、執(zhí)行器的選擇和系統(tǒng)路線的設(shè)計。當(dāng)小組中每位學(xué)生完成了各自的設(shè)計，5分鐘闡述自己的設(shè)計理念，并回答其他同學(xué)提出的問題，后按照生產(chǎn)線的順序與下一個生產(chǎn)步驟的學(xué)生共同進行對接部分的設(shè)計，依次進行完成整個控制系統(tǒng)設(shè)計。最后，20分鐘組內(nèi)對控制系統(tǒng)進行評估、修改，總結(jié)所設(shè)計系統(tǒng)的優(yōu)缺點和設(shè)計心得。

2.4 項目成果展示

每個設(shè)計小組選出1～2名學(xué)生，將所設(shè)計的自動化控制系統(tǒng)進行PPT展示，介紹其設(shè)計初衷和系統(tǒng)優(yōu)勢。將每小組的設(shè)計制作成墻報供學(xué)生們學(xué)習(xí)交流，并安排相應(yīng)小組的1～2名學(xué)生進行講解。

3 項目測評

有效的項目測評不僅是給學(xué)生一個單一的分數(shù)作為項目完成度的結(jié)果，而應(yīng)該是通過教師和學(xué)生之間的互動和交流，逐步改進和提高學(xué)習(xí)的方式方法，幫助培養(yǎng)學(xué)生可持續(xù)性學(xué)習(xí)能力。正面的測評結(jié)果可以鼓勵學(xué)生，促進其學(xué)習(xí)的積極性；反面的結(jié)果可以讓學(xué)生了解和改善學(xué)習(xí)過程中的不足。 本課程的測評方式由小組互評、現(xiàn)場投票和反思總結(jié)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(chǎn)角度提出要求、標準和設(shè)計方面的不足，另一組作為自動化控制系統(tǒng)的設(shè)計組，根據(jù)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(jù)控制系統(tǒng)完整度、對實際生產(chǎn)要求的完成度、解決問題的滿意度等幾方面對設(shè)計組進行綜合評價。之后兩小組身份互換，重復(fù)上述流程。當(dāng)所有項目小組完成最終的系統(tǒng)設(shè)計，由所有學(xué)生進行現(xiàn)場的匿名投票，選出最佳的項目方案，并予以適當(dāng)獎勵。通過小組互評和現(xiàn)場投票，學(xué)生不再只是被測評者，而變?yōu)橹鲃拥臏y評者，教學(xué)相長增強其學(xué)習(xí)的信心。最后給學(xué)生反思的時間，教師根據(jù)項目和學(xué)生在項目中擔(dān)任的角色給出評價，并保留數(shù)據(jù)以便進行期末大數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。

4 教學(xué)總結(jié)

基于設(shè)計項目的教學(xué)模式是否適合應(yīng)用于“制藥工程自動控制”課程教學(xué)需要我們教師進行及時總結(jié)來驗證教學(xué)效果。教學(xué)效果的驗證方法主要采取不等組實驗研究法、問卷調(diào)查法、訪談法和統(tǒng)計分析法。第一，依據(jù)不等組實驗研究法，以采取項目教學(xué)的班級為實驗組，傳統(tǒng)課堂教學(xué)的班級為對照組，分別進行教學(xué)和測試考核后，量化分析和評估項目教學(xué)模式的教學(xué)效果。第二，對接受項目教學(xué)模式授課的學(xué)生進行網(wǎng)絡(luò)問卷調(diào)查，調(diào)查的內(nèi)容主要包括課堂中學(xué)到的知識點，最喜歡/不喜歡的之處，自身需要加強學(xué)習(xí)之處，對課堂的建議，為課堂中各部分內(nèi)容進行打分等幾個方面。第三是對學(xué)生進行抽樣隨機訪談，了解他們的學(xué)習(xí)感受和態(tài)度，更為具體地調(diào)查基于項目的教學(xué)模式在課堂教學(xué)中的實際效果，發(fā)現(xiàn)其在教學(xué)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(shù)據(jù)對比直觀展示出來。

5 結(jié) 語

本文以培養(yǎng)學(xué)生實踐創(chuàng)新能力為目標，在“制藥工程自動控制”課程教學(xué)中采用基于設(shè)計項目的教學(xué)模式，對整個課程進行重新設(shè)計。經(jīng)過一個階段的教學(xué)測評，基于設(shè)計項目的教學(xué)模式教學(xué)效果良好，學(xué)生的教學(xué)滿意度也較高。新型的教學(xué)模式使得學(xué)生可以將學(xué)習(xí)到的基礎(chǔ)書本知識應(yīng)用于實踐，自行完成設(shè)計項目的自主學(xué)習(xí)方式讓學(xué)習(xí)的效率大大提高。通過項目的完成及成果展示，學(xué)生看到學(xué)習(xí)的成效不僅在于卷面的分數(shù)，更在于實際生活生產(chǎn)中產(chǎn)生的價值，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。