培養工程設計能力的《仿真實驗》教學模式構建*

龔 英，陳繼平，李曉梅，王 琴

(云南師范大學化學化工學院，云南 昆明 650500)

依據2018年發布的“化工與制藥類教學質量國家標準”[1]，制藥工程專業畢業生應當具備從事工程設計的基本能力。工程設計能力是信息獲取、邏輯思維、實踐動手、計算制圖等多個能力的綜合體現。制藥項目涉及廠房車間、工藝流程、生產設備、生產管理等多個領域，制藥生產具有流程化和動態化的特點，各工序彼此關聯、相互影響。因此，工程設計工作千頭萬緒，工程設計能力難以通過直線式教學有效達成。

近年來，隨著現代信息技術的高速發展，依托于互聯網技術的“低成本”、“低消耗”的仿真實驗教學得到了各級各部門的高度重視。通過場景漫游的方式，仿真實驗軟件能幫助學生構建對車間的感性認識；通過展示設備的三維結構，并提供設備的模擬操作[2]，仿真實驗軟件對于幫助學生正確理解設備在車間中的布置具有重要的意義。然而，目前大多《仿真實驗》教學局限于讓學生熟悉仿真軟件中預設的操作步驟，掌握設備操作方法。這種沉浸式、體驗式電腦操作方式[3]只能帶來短暫新鮮感，學生對于生產工藝原理、具體過程控制沒有深刻的認識和理解，對專業知識的認知容易停留在觀察層面，不利于構建完整的工程設計思維。

采用翻轉課堂、教師引導、小組合作、角色扮演多樣化教學方法，設計《仿真實驗》課程“螺旋式上升”教學模式，將形象的仿真軟件與抽象的工程設計有效銜接，幫助學生感性認識制藥車間和設備，理解以工藝設計為支撐的藥品流程化生產特性，最終科學、理性開展制藥工程設計。通過課程學習，小組合作完成一個高質量的制藥項目設計作品，從而真正掌握和運用制藥工程設計的原則，并內化為自身的工程設計能力。

1 教學模式的構建與實施

1.1 仿真軟件的建設

通過整合云南省高校藥用植物活性成分研究重點實驗室的科研成果及資源，云南師范大學化學化工學院制藥工程系與上海馨正信息科技有限公司合作開發了B/S架構“青蒿琥酯阿莫地喹片生產虛擬仿真實驗”軟件(圖1)。該仿真軟件包括生產車間說明書、生產原理、生產過程動態展示、圍繞生產流程的藥品生產質量管理規范條款和操作規范。

圖1 仿真實驗軟件的工作界面(提取工段)Fig.1 Work interface of simulation experiment software (extraction process)

1.2 教學模式的設計

表1 循序漸進的四個教學分目標Table 1 Four progressive teaching objectives

早在1960年，Bruner在《The Process of Education》中提出了螺旋式教學方法[4]。該教學法是指在教學過程中運用靈活性的教學模式，增強由淺入深、循序漸進的教學規律，注重培養學生分析與解決問題的能力和創新精神。依據前蘇聯教育家維果茨基提出的“最近發展區”理論，為分層次、有側重地構建工程設計基本思維，逐步訓練并提升學生的工程設計能力，我們將《仿真實驗》教學總目標(工程設計能力)分解成四個相對獨立又彼此關聯、層層遞進的四個階段性教學分目標(表1)，依次對應中藥提取工藝流程設計、提取設備設計、提取車間設計、生產組織管理這四個階段。通過循序漸進學習四個階段的理論知識，并通過下一階段對上一階段知識的反復學習與應用以提升知識的深度和廣度，從而以“螺旋式上升”方式完成四個階段的知識學習和能力訓練，最終達成教學總目標。

1.3 教學方法的介紹

1.3.1 翻轉課堂

翻轉課堂是一種新興的課堂教學模式[5-6]，能夠在師生間通過最短的時間、最直接的方式有效地傳遞知識點[7-8]。學生能夠利用碎片化時間、采用多種移動方式完成對知識點的學習。借助翻轉課堂的優勢，本文提出的教學模式也將教學分為課堂內與課堂外兩個部分，如圖2所示。其中，《仿真實驗》課程課堂內學習時間設定為18學時，每隔一周上一次課(2學時)，相關教學內容如表2所示。相對于目前大多數院校開設的課堂內36學時而言，課堂內學時數減少一半，符合目前各高校教學課時大量壓縮的現實[9]。課堂外，學生需分別完成微課資料的學習、小組討論并撰寫修改材料、仿真軟件練習這三個任務。該教學模式將較多的學習時間放在課堂外(小組合作10學時)，以尊重每個學生的個性發展，充分發揮學生的自主學習能力，并且通過“課外-課內-課外”循環方式的多次反復學習與應用練習相同的知識，克服翻轉課堂教學中容易出現的“知識碎片化、知識體系不完整”的問題[7]，從而實現知識和能力的內化與應用。

圖2 “螺旋式上升”《仿真實驗》教學模式Fig.2 “Spiral escalation” teaching mode of Simulation Experiment

表2 《仿真實驗》的學時分配與教學內容Table 2 Period distribution and teaching content of Simulation Experiment

注：1學時為45 min。

1.3.2 教師引導和小組合作

每個教學階段均安排兩次課堂教學，間隔一周，每次2學時，確保不同學習進度的學生有足夠時間理解相關知識、鍛煉相關能力。各階段的教學安排如下：

第一次：課前(10分鐘)，教師通過在網絡教學平臺發布微課資料的方式，引導學生花費較少時間，初步了解本次課的教學安排和教學內容；課內(2學時)，教師首先利用較短時間講授專業基本概念和基本原理，其余時間用于對相關問題進行小組討論，并初步形成小組意見；課后(45分鐘)，小組成員需進一步團結協作完成討論意見的撰寫工作，與此同時，個人完成仿真軟件中相關內容的自主練習和學習體會的撰寫。

第二次：課前(10分鐘)，各小組需花費較少時間，準備匯報展示內容；課內(2學時)，各小組分工合作完成匯報展示講演，全班成員進行研討，給出意見或建議；課后(30分鐘)，根據課堂討論結果，修改小組撰寫材料。

最后安排2學時，各小組匯報仿真實驗學習體會和項目設計說明書。課前(45分鐘)，小組成員協作完成對前四個階段撰寫材料的匯總和匯報展示；課中(2學時)，小組匯報展示；課后(45分鐘)，修改提交材料，作為課程的小組合作學習成果。

1.3.3 任務驅動

將全班分成10個小組，每個小組4～5人。課前，教師提供的微課資料不僅包含基礎知識點，還會對每個小組布置1個問題任務。為確保每個問題任務都得到了較好地理解和完成，每兩個小組的問題任務是相同的。在每次課前，通過個人學習微課資料和小組合作討論方式，需形成各小組的解答要點，以備課中小組代表講解與全班討論。通過云南師范大學網絡教學平臺(網址：http://ynnu.fanya.chaoxing.com/portal)或其他網絡工具實時記錄各成員的發言情況，能有效利用同伴壓力促進學生創新思考和積極討論，并投入到學習中。

課程采用過程性評價方式，其中平時成績占80%，期末考試占20%。平時成績的組成如表3所示。平時成績考核時既關注學生參與討論和匯報的積極性，又評估相關材料撰寫的規范性，為全面訓練學生的邏輯思維、口頭表達能力和書面表達能力提供驅動力。

表3 平時成績的分配比例Table 3 Allocation proportion of usual performance

1.3.4 角色扮演

制藥車間是一個小制藥廠，有生產一線人員、管理一線人員、質量保證人員、質量控制人員、機修人員等。在第四個階段“生產組織管理”的學習中，除了教師講授車間的基本組織架構和人員管理的基本要求外，還將引入“角色扮演”教學方法，讓學生親身體驗不同崗位的工作職責[10]，體會生產過程中物料、產品、記錄單據等的流轉和管理，思考生產過程中出現“工藝參數測定結果偏差”、“設備運行異常”、“車間潔凈等級不達標”等問題時的解決方法。

1.4 教學模式的特點

1.4.1 教學安排符合循序漸進原則

本文提出的制藥工程設計能力培養模式的教學內容依次為工藝流程設計、設備設計、車間設計和生產組織管理，符合教學安排循序漸進的“三序”原則。首先，每一個階段的知識都是學習下一階段知識的基礎，因此教學內容的先后次序安排符合制藥工程專業學科基礎知識的邏輯順序。其次，下一階段的學習包括對上一階段知識的反復深度學習和應用練習，因此，教學安排符合從簡單到復雜、從理解到應用的學生認知發展順序。最后，基于課堂外仿真實驗軟件的感性認知和操作實踐，開展課堂內工程設計的理性分析和匯報討論，因此教學安排符合從形象到抽象的學生心理發展順序。

1.4.2 教學設計的閉合性

基于工程設計勝任力的培養目標，尊重學生自主學習的個性化特點，體現出教育公平性，借助微課先行的翻轉課堂教學與討論，本文以中藥提取單元的教學為例，提出“虛擬仿真實驗與制藥項目設計訓練相互滲透”的制藥工程設計能力培養模式，實現教學內容的學習與應用的封閉，并實現課內與課外的學習時間和學習空間的延伸。

1.4.3 教學方法的多樣性

采用上述教師引導、任務驅動的教學方式，能夠促進學生積極參與知識點的學習和應用。通過課中的討論和課后對小組材料的撰寫與修改，能夠幫助學生進一步理解并掌握工程設計的基本原理和應用原則，構建團結協作意識。通過角色扮演的教學方式，能夠幫助學生正確理解制藥生產過程中人員的崗位職責以及各崗位的協作關系，幫助學生向制藥生產社會角色的順利過渡。實踐表明，通過課堂內和課堂外的有效師生互動和生生互動，能夠提升學習興趣，并通過同伴壓力促進學生在做中學，提升學習效果。

2 教學模式的實施效果

對于在師范類院校中開設的制藥工程專業而言，教學經費傾向性投入較少，幾乎無力建設校內工廠型實訓基地。由于缺乏對制藥生產場景的真實感性認知，僅僅通過日常理論教學，學生的工程意識較為薄弱，開展工程設計的能力相對較差。

云南師范大學制藥工程專業于2011年開始首屆招生。通過利用有限的三維仿真軟件資源，結合工程設計教學與應用練習，我校制藥工程專業學生的工程設計能力得到了較大的提升。自2016年以來，我校制藥工程專業學生已連續四年參加全國大學生制藥工程設計競賽，累計獲得全國二等獎5項，三等獎4項。

本文提出的“螺旋式上升”《仿真實驗》教學模式，具有教學試劑零成本、實驗安全零隱患的優勢，特別適合于教學經費和工程背景教師短缺的師范類院校開設的制藥工程專業教學，為實現制藥工程專業培養目標保駕護航，在相關院校將具有較好的推廣應用價值。

3 結 語

在本文提出的“螺旋式上升”《仿真實驗》教學模式中，學生成為了整個教學過程的主角。如何充分調動具有不同層次自主學習能力的學生參與到學習中，按時按質完成學習任務，清晰表達個人的學習見解，并參與到小組研討中，對于保證教學質量，提高師生對教學的滿意度具有至關重要的影響。

我們建議，在借鑒本文提出的教學模式時，組建一支專業教學團隊，結合授課對象的實際情況，系統設計微課知識點，并策劃適宜的課堂研討教學流程以及全面的過程性評價體系，在整個學習過程中適時地提醒學生跟進學習進度和學習要求，最終實現不間斷地提升學生的學習收獲滿足感，最大程度地激發學生內在的學習動力，完成深層次知識內化以及制藥工程設計能力的全面提升。