基于成果導向的制藥工程專業實驗教學改革實踐

唐鳳翔, 鄭允權, 黃劍東

(福州大學 化學學院, 福建 福州 350116)

開展工程教育專業認證不僅是為了實現我國工程教育國際互認和提升國際競爭力,也是推進我國高等工程教育改革和提高工程教育質量的重要契機[1]。工程教育專業認證的三大核心理念是以學生為中心、成果導向和持續改進,它要求專業課程體系設置、師資隊伍配備、辦學條件配置等都圍繞學生畢業能力達成這一核心任務展開[2]。多年來的認證工作經驗表明,課堂教學已經成為工程教育改革的“最后一公里軟肋”[3]。

實驗教學是制藥工程專業不可或缺的實踐教學環節。我校為制藥工程專業開設的實驗包含了以下4個層次:(1)公共基礎課實驗,如大學物理實驗、電工學實驗; (2)學科基礎課實驗,如四大化學實驗、生物化學實驗、微生物學實驗、化工原理實驗等; (3)專業課程實驗,如藥物化學實驗、藥劑學實驗、藥物分析實驗、天然產物提取與分離實驗等; (4)專業實驗,指具有一定綜合性的實驗,包括化學藥物、天然藥物、生物藥物和制劑的制備、分離和分析等。其中,專業實驗為制藥工程專業最高水平、最高層次的實驗。

縱觀這些實驗的講義和實驗過程,這些實驗存在的一個通病是“照方抓藥”和“按部就班”,使學生只停留在對知識的驗證或加深理解層面,而沒有足夠的實踐空間和思維空間,實踐能力和創造性受到遏制[4],且評價形式單一,不符合工程認證要求的成果導向教育(outcome-based education,OBE)理念。成果導向教育理念要求教育者,對學生畢業時應達到的能力及水平即畢業要求有清楚的構想,然后設計適宜的教育結構以保證學生達到預期目標[5]。因此,開展成果導向的實驗課程教學勢在必行。

按照OBE理念,實驗的實施者應從培養學生預期能力和素質入手,做好反向教學設計和正向教學實施,將教學的重點聚焦于“學生產出”,注重學生創新、實踐等能力的培養[6]。本文以“蘆丁水解制槲皮素”的專業實驗為例,闡述如何基于成果導向教育對學習目標、學習內容、教學方式及學習評價進行改革和實踐,并為類似實驗課程的教學改革提供參考。蘆丁水解制槲皮素實驗的主要任務是通過小試優化出最佳的水解工藝條件,在中試規模設備上進行實驗放大,達到理想的收率和質量。

1 以產出為導向,從支撐畢業要求達成出發確定學習目標

相對于傳統的“以學科知識為主”的正向教學模式,成果導向教學模式注重學生綜合能力的培養,將目標明確地聚焦于學生最終有意義的學習結果上,強調學生的“知識、能力、素質”三維教學目標,突出能力本位教育[6]。通過對工程教育專業認證標準[7]進行分析、研究,得出制藥工程專業實驗能夠支撐的畢業要求,主要涉及問題分析和研究、使用現代工具、個人和團隊、溝通和終身學習等,從而進一步確定本實驗的學習目標,如表1所示。

表1 制藥工程專業實驗對畢業要求的支撐及學習目標的確立

2 以學習目標為導向,反向設計學習內容和學習途徑

成果導向理念強調教師的關注點應從“教什么”和“怎么教”轉變到學生“學什么”和“怎么學”[8]。同時,成果導向理念強調實施“研究型教學模式和個性化教

學”[9]。相對于傳統教學注重對記憶能力的考查,成果導向教學模式注重學生自我探索和自我學習能力的培養。正如金淼所指出的,OBE 課程的關鍵是學生的參與度和學生的積極性[6]。因此,根據蘆丁水解制槲皮素的學習目標,設計了如表2所示的學習內容和學習方式。

表2 蘆丁水解制槲皮素實驗的學習內容和學習方式

根據表2,學生很清楚地知道在蘆丁水解制槲皮素的實驗中,小試和中試階段的學習內容和學習方式。此外,為了幫助學生對中試工藝過程有更深入的了解,圖1列出了對中試工藝過程需要深入反思的問題,通過“問題驅動”模式讓學生明白“為什么學”和“學什么”。根據表2和圖1,學生可以確定應該做什么樣的知識準備。OBE強調知識的整合而非拆分[10],因此通過對蘆丁水解制槲皮素相關單元知識的聚集、消化、提煉、應用和創新,為解決蘆丁水解制槲皮素復雜工程問題奠定了基礎。

3 以學生為中心,進行教學實施

OBE強調在教學活動中,以學生為中心,教師起指導作用而不是主宰作用。教師應該善用示范、診斷、評價、反饋,以及建設性介入等策略,來引導、協助學生達成預期成果[8]。此外,教學資源也應為保障學生達到學習效果而進行有效配置。就蘆丁水解制槲皮素的實驗而言,設計了如表3所示的教學活動,包括課前準備、課堂討論、課堂實驗和課后總結等內容。

圖1 蘆丁水解槲皮素中試放大流程所需的知識結構圖表3 蘆丁水解制槲皮素教學活動安排

完成時間學時安排活動內容完成角色一周前課外提出本實驗的學習目標,布置實驗任務和學習內容,以及需要重點解決的問題和需要查閱的內容,要求寫出實驗預習成果。教師第一天第1學時課堂討論,明確知識點,確定小試優化實驗方案。教師、學生第2學時撰寫小試的實驗方案和實驗步驟,經過教師審核后進行實驗。學生、教師第3—7學時進行優化實驗,獲得數據。學生第8學時進行數據處理,獲得結論。學生第9學時預習中試工藝設備和操作要領。教師、學生第二天第1—2學時就圖1問題進行討論,同時各組確定工藝流程。教師、學生第3—4學時各組撰寫蘆丁水解制槲皮素中試操作規程并修訂。學生、教師第5—8學時(1) 按照操作規程和小試獲得的最優條件進行中試放大,對小試和中試放大存在的差異進行觀察和分析。(2) 對教師設置的障礙進行解決。(3) 對產品進行分析。學生第9學時對設備進行清洗和維護,清場。學生課外課外依據實驗過程撰寫實驗報告。學生

3.1 課前準備

指導教師在課前需要做資源可得性準備,包括對技術資源的調查、原材料和實驗平臺的準備等。此外,在實驗課一周前,利用課外時間向學生集中講授本實驗的學習目標、任務和學習內容,明確要重點解決的問題,并要求寫出預習報告。

在小試階段,學生在課前需要查閱相關文獻和參考書,了解和整理如表2所示的與蘆丁水解制槲皮素相關的知識點,如物理化學性質、分析方法、優化方法、實驗方案和數據處理方法等。在中試階段,在教師講授和演示中試設備的構造和工作原理后,學生需利用自己學過的工程知識思考如圖1所示的問題。通過對這些問題的思考,為后續工藝流程的設計和討論、操作規程的撰寫和中試放大實驗的實施奠定基礎。

3.2 課堂討論

3.2.1 小試階段的課堂討論

小試階段課堂討論以幫助學生明確小試實驗方案為目的。通過課堂討論也可檢查學生的課前準備情況,為形成性評價提供依據。課堂討論一方面幫助學生進一步明確如表2和圖1所示的核心知識點,更重要的是,討論在預習過程中無法考慮到的問題,以便引導學生利用所學知識開創性地制訂實驗方案。例如,因為課堂時間有限,需要由一大組學生(12～15人)共同完成一個實驗的優化,平均每1、2個同學完成一個實驗點,那么如何減少因不同人操作帶來的偶然誤差,以及因采用不同設備而帶來的系統誤差呢？因為只有減少這些誤差,每個實驗點的槲皮素得率才更真實,才具有統計意義。再如,后處理對收率也會產生較大的影響,后處理過程中若未完全將未反應的原料蘆丁從產品槲皮素中除去,會導致槲皮素收率虛高,若后處理過程繁雜,將損失過多的槲皮素而得率偏低,這樣的結果同樣沒有統計學意義。

如何減少偶然誤差和系統誤差是一個易被忽視的問題。只要能關注到這個問題,通過頭腦風暴,學生很容易找到多種解決辦法,并整理出來遵照執行。但是上述第2個問題,學生很難跳出文獻的怪圈,找到創新的、簡單實用的解決方案,因為文獻中的后處理純化方式為在乙醇中重結晶,產品的損失率大,易導致收率不夠真實。為此,指導教師需著重強調,物質的分離是依據彼此物理化學性質的不同,引導學生進一步分析蘆丁和槲皮素所有的物理化學性質差異,對學過的分離純化方法用排除法逐個篩選,最后發現蘆丁和槲皮素在熱水中的溶解度具有差異(蘆丁可溶于熱水而槲皮素難溶于熱水),因此在反應結束后趁熱過濾,并用大量的沸水洗滌濾餅以除去蘆丁,便可得到較純的的槲皮素(薄層層析可證明)。該方案簡單實用,未見文獻報道,必須通過觀察和分析才能夠將相關理論知識進行創新性的應用,即OBE教學所要求的從認知的低層次(記憶、理解與分析)進化到認知的高層次(應用、評價和創新)上[11]。讓學生領會到創新并不是什么難事,創新實際上均源于對基礎知識的掌握、分析和應用。

3.2.2 中試階段的課堂討論

中試階段課堂討論以幫助學生建立中試實驗方案為目的。該階段討論圍繞圖1所示的11個問題展開。例如針對如何加料的問題,學生通過頭腦風暴提出加料口加料、真空抽料、蠕動泵加料、滴液漏斗加料,以及每種加料方式的適用對象和優缺點等。實驗時選擇什么樣的加料方式,由學生通過實踐作出選擇,總結出哪種方式更簡捷、更安全,做到知行合一,在思考基礎上進行實踐。再如固液分離的問題,學生想到布氏漏斗真空過濾法、離心機法、板框過濾法,但實際上只有10 L布氏漏斗真空過濾法和10 L三足式離心機法供選擇。OBE強調教學方式和內容是開放的和多選擇性的[6],因此教師在條件允許的情況下,應盡可能為學生提供開放性的學習空間。

為了避免學生在中試階段出現“按部就班和照方抓藥”,各小組(3、4人)在上述基礎上自行設計工藝流程和撰寫工藝操作規程。撰寫操作規程的目的是為了幫助學生將知識內化并表達出來,作為后續中試放大實驗的操作依據。操作規程具體包括系統檢漏和氣密性檢查、加料、加熱、冷凝回流、調節pH、現象觀察、冷卻、過濾、洗滌、設備清洗和清場等內容。在撰寫操作規程時,學生會結合小試經驗和中試設備條件,但往往有考慮不周的地方。例如小試反應結束后,不需要調節pH值至中性而直接趁熱過濾,因為不需要考慮過濾設備(小型布氏漏斗)腐蝕的問題; 而在中試反應結束后,必須調節pH至中性,否則會影響中試過濾設備(不銹鋼材質的三足式離心機)的使用壽命。因此,操作規程需經教師進行安全性審核后才可執行。

課堂討論強調與學生的互動,要突出學生的主體地位,充分調動學生的積極性。在對學生公開的形成性評價依據中,主動發言、主動提問、主動思考的學生將獲得更高的評價。因此,在課堂討論中,教師只需拋出問題,課堂討論就會異常活躍。每大組有近大半學生均能主動表達自己的想法。對于學習能力較差的學生,指導教師需引導他們參與討論,這也符合工程認證提倡的要給予足夠的機會給每一位學生,讓他們獲得成功[11]。

3.3 課堂實驗

小試階段的實驗完全根據大組制訂的小試實驗方案進行。例如采用正交試驗設計時,若采用L9(34)正交表,則由一個大組共同完成9次實驗。小試實驗完全以學生為主進行,教師只需在學生需要幫助的時候介入。

中試階段的實驗則完全根據小組學生制定的操作規程進行。學生是實驗的主體,教師起引導作用,引導學生觀察實驗現象。例如當反應釜內溫度接近100 ℃時,反應體系從固液懸浮體系接近均相,但很快又轉變為固液非均相體系,教師應引導學生對這個現象進行解釋。此外,還要引導學生觀察中試傳熱傳質與小試的差別以強化學生的工程思維。在中試實驗中,教師在三足式離心機離心過濾環節設置了障礙,使某小組采用三足式離心機離心時得到的固體量要比采用布氏漏斗過濾時少得多。通過觀察和討論,該小組發現所選擇的過濾布目數過小,換成較大目數過濾布即可解決。這個障礙的設計提高了學生對實際問題的分析能力和解決能力。

3.4 課后總結

課后總結包括撰寫實驗報告和心得體會。

課前預習、課堂討論、課堂實驗和課后總結構成了研究性學習模式。通過這種研究性學習,學生不再是知識的被動接受者,而是主動學習者、自主建構者、積極發現者和執著探索者[12]。研究性學習是培養學生解決復雜工程問題的重要途徑之一[13]。

4 學習評價及反饋

實驗考核機制和評分辦法對激發學生學習的積極性和創造性有重要的引導作用。隨著教育手段的多樣化,顯然不能僅按實驗報告做出終結性評價,必須與形成性評價相結合。因此對本實驗學習效果的綜合評價涉及實驗預習、課堂討論、實驗過程態度、實驗技能、數據處理、操作規程撰寫和實驗報告等諸多方面,每個方面具有不同的權重。

當結合過程表現進行形成性評價時,學生個體在各方面的差異得到了互補。比如有的學生不擅長實驗,但是擅長數據處理,在團隊協作中其個人專長能夠得到充分發揮。但如果僅從實驗報告上看,他的特長對整個團隊的貢獻無法體現,也難以激發他的學習興趣。

高度重視實驗教學反饋,及時進行調整以保證實驗教學的持續性,這也是工程教育專業認證的核心理念之一。學生普遍反映這種研究性學習模式形式新穎,通過對該實驗的學習,學會了如何對一個課題開展研究,包括如何查閱文獻、如何對文獻知識進行總結歸納、并為制定研究方案服務、如何利用現代工具為研究工作服務、如何撰寫規程性文件、如何利用所學的基礎知識進行創新、如何利用所學的知識為解決復雜工程問題服務等。更重要的是,這種學習模式培養了學生的自學能力和團隊協作精神。這樣的結果無疑都與本實驗的學習目標相吻合,即促進學生達成了應達到的畢業要求。

5 結語

2兩年來,采用OBE教育對制藥工程專業實驗進行了課程教學改革。根據制藥工程專業實驗所要支撐的畢業要求,反向設計專業實驗的學習目標、學習內容和學習方式,以學生為中心正向進行研究性學習,并對學習產出進行綜合性評價。實踐結果表明,OBE模式下的制藥工程專業實驗,能夠幫助學生達成預期的畢業能力與水平,取得了良好的效果。

致謝：感謝福建省制藥工程特色專業建設項目、福州大學制藥工程品牌專業建設項目、福州大學一流本科教改建設項目和福建省制藥工藝學精品資源共享課程的聯合資助。