新工科背景下制藥工程專業(yè)化工原理課程教學(xué)改革

史建俊 李偉偉 孫銀宇 鄭祖彪 王愛東

面對世界新一輪科學(xué)和產(chǎn)業(yè)革命機(jī)遇，響應(yīng)國家發(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年初開始積極推進(jìn)新工科建設(shè)。目前我國新工科建設(shè)進(jìn)入更加深入的階段，新工科建設(shè)積極推動高等工程教育改革，引領(lǐng)我國高等教育“四新”建設(shè)[1]。

化工原理是制藥工程專業(yè)具有很強(qiáng)理論性和實踐性的重要基礎(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)選單元過程所需典型設(shè)備的能力和優(yōu)化生產(chǎn)工藝過程的設(shè)計能力。同時為學(xué)生學(xué)習(xí)制藥工藝學(xué)、制藥設(shè)備與車間設(shè)計、制藥分離工程等后續(xù)制藥工程相關(guān)專業(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年順利通過了教育部組織的本科教學(xué)審核評估。制藥工程專業(yè)經(jīng)過十幾年的發(fā)展，在2019年獲批省級一流本科專業(yè)建設(shè)點?；ぴ碚n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)過程存在的問題

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)，知識體系復(fù)雜，涉及動量、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)過程都不同，即使屬于同一種傳遞原理的單元操作也有單獨的計算公式，各單元操作間相對獨立，分布在課程十一個章節(jié)中，知識點較零散。而且學(xué)生較難理解本課程采用的半理論半經(jīng)驗的研究方法。這些因素使學(xué)生很難掌握課程的理論知識。

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)生從制藥工程專業(yè)基礎(chǔ)課程到專業(yè)課程的學(xué)習(xí)過程中起著重要作用?；ぴ砝碚摻虒W(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)知識的回顧而無法完成知識的銜接和融會貫通。在“注入式”教學(xué)的環(huán)境下，學(xué)生對單元操作在制藥工業(yè)中的實際應(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 理論和實踐的結(jié)合不夠緊密

制藥工程專業(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)不知道實際制藥生產(chǎn)中如何選擇單元過程設(shè)備，主要是因為教師在課堂上傳授的知識點和化工原理實驗室完成的實驗內(nèi)容與制藥生產(chǎn)企業(yè)的真實生產(chǎn)過程還有差距。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)單元操作知識解決工業(yè)中實際問題，無法完成實際生產(chǎn)工藝計算和設(shè)備的選型，導(dǎo)致學(xué)生在工程實踐和創(chuàng)新過程中受阻。

1.4 課程考核評價體系不全面

課程的考核評價是評估教師教學(xué)水平和學(xué)生學(xué)習(xí)成果的重要方式?；ぴ碚n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點。這樣單一的考核方式無法全面考查學(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)問題的能力。針對目前的課程教學(xué)中課程難度大、教學(xué)形式單一、理論和實踐的結(jié)合不夠緊密和課程考核不完善等問題進(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)雜工程問題的解決有關(guān)，對新工科制藥工程專業(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)隊完善了以成果為導(dǎo)向的課程目標(biāo)。主要包括以下四個方面：

（1）能夠運用高等數(shù)學(xué)、物理化學(xué)和化工原理等課程知識針對具體的制藥工程對象建立數(shù)學(xué)模型用于推演、分析專業(yè)制藥工程問題。

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

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

（4）了解最新的單元操作設(shè)備，具備工程觀點和經(jīng)濟(jì)觀點，能夠遵守工程師職業(yè)道德和規(guī)范。教學(xué)內(nèi)容由原來分散的十一章內(nèi)容按照原理整合為動量傳遞、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 開展線上線下混合式教學(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]?；ぴ碚n程改革積極探索應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)，解決教學(xué)形式單一的問題，發(fā)揮線上教學(xué)和虛擬仿真教學(xué)的優(yōu)勢，提高學(xué)生學(xué)習(xí)自主性和主動性。在超星泛雅網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺建立化工原理在線課程，整合教學(xué)資源，通過“一平三端”系統(tǒng)進(jìn)行在線互動教學(xué)，輔助課堂教學(xué)，實現(xiàn)現(xiàn)代科技與教育的融合促進(jìn)。學(xué)生的學(xué)習(xí)活動不再限制于線下傳統(tǒng)課堂從而實現(xiàn)學(xué)生個性化和主動學(xué)習(xí)的需求。課前教師通過“超星課堂”來發(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。課堂教學(xué)中教師可以借助移動端開展豐富的課堂互動，如隨堂測驗、提問、搶答、分組討論等，活躍課堂氣氛，提高學(xué)生參與度，檢驗學(xué)生聽課效果。課后，教師可以發(fā)布思考題、課程總結(jié)和前沿知識等，學(xué)生能夠借助“超星課堂”的討論區(qū)模塊對學(xué)習(xí)中疑難問題展開討論，實現(xiàn)同學(xué)間、教師和學(xué)生間的互動交流。線上平臺管理端具有的學(xué)情分析可以自動統(tǒng)計學(xué)生的各項學(xué)習(xí)任務(wù)完成情況，提供了每個學(xué)生學(xué)習(xí)效果的直觀分析[4]。在線課程的應(yīng)用提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性和積極性，而且使教師對學(xué)生的學(xué)習(xí)可以進(jìn)行及時的指導(dǎo)和鼓勵[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自實際工業(yè)生產(chǎn)，制藥工業(yè)中小到每一個裝置，大到整個生產(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)生主動參與課堂討論，培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力。過濾是動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)酵液的分離提純過程中就采用了過濾操作。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)上一般采用兩次過濾工藝，首先采用真空過濾機(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。第一次過濾操作采用真空過濾機(jī)，是因為該設(shè)備可連續(xù)自動操作，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，提高過濾速度。第二次過濾操作采用板框過濾機(jī)，是因為該設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，而且工作壓力大，過濾效果更佳。通過青霉素發(fā)酵液過濾操作案例可以使學(xué)生掌握不同過濾設(shè)備的差異和應(yīng)用，同時掌握提高過濾速率的方法。

2.4 實行多維度的評價

原來的總成績由作業(yè)考勤等平時成績（30%）和期末考試（70%）組成。踐行OBE 理念，更加重視過程評價[7]，教學(xué)團(tuán)隊對以期末成績?yōu)橹鞯脑u價方式進(jìn)行改革，轉(zhuǎn)變?yōu)樽⒅剡^程的全面評價方式。目前本課程的總成績包括平時成績（30%），過程性考核成績（30%）和期末考試成績（40%）三大部分。在原來作業(yè)和考勤基礎(chǔ)上，平時考核中增加課堂討論和參與在線學(xué)習(xí)任務(wù)成績。過程性考核主要是根據(jù)任務(wù)進(jìn)行制藥工業(yè)中實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、設(shè)備選型、撰寫報告等。通過多維度的考察，調(diào)動學(xué)生積極性，以全面反映學(xué)生學(xué)習(xí)化工原理課程的實際效果。

3 結(jié)語

針對化工原理課程這門課具有知識點分散，課程難度大等特點，在新工科背景下，為培養(yǎng)學(xué)生的工程實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)和完善課程評價方式等。通過改革提高了學(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，有利于實現(xiàn)新工科要求下應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標(biāo)。