新工科背景下制藥工程專業化工原理課程教學改革

史建俊 李偉偉 孫銀宇 鄭祖彪 王愛東

面對世界新一輪科學和產業革命機遇，響應國家發展的需求，為進一步提升高等教育服務支撐能力，教育部從2017年初開始積極推進新工科建設。目前我國新工科建設進入更加深入的階段，新工科建設積極推動高等工程教育改革，引領我國高等教育“四新”建設[1]。

化工原理是制藥工程專業具有很強理論性和實踐性的重要基礎課程，分析和解決制藥工業生產中單元操作的工程學科。教學內容包括“三傳”的基礎理論研究、常見單元操作的規律和典型設備應用。培養學生具有優選單元過程所需典型設備的能力和優化生產工藝過程的設計能力。同時為學生學習制藥工藝學、制藥設備與車間設計、制藥分離工程等后續制藥工程相關專業課程奠定基礎。

我校努力建設特色鮮明的地方應用型高水平大學，在2018年順利通過了教育部組織的本科教學審核評估。制藥工程專業經過十幾年的發展，在2019年獲批省級一流本科專業建設點。化工原理課程積極踐行新工科建設的“新理念”“新標準”“新模式”和“新體系”，以制藥工程應用型人才為培養目標，注重訓練學生工程實踐能力，提高學生的理論素養和綜合應用能力。

1 化工原理課程教學過程存在的問題

1.1 教學內容豐富，課程難度

由于化工原理課程理論性較強，知識體系復雜，涉及動量、熱量和質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中，知識點較零散。而且學生較難理解本課程采用的半理論半經驗的研究方法。這些因素使學生很難掌握課程的理論知識。

1.2 教學形式單一，學生積極性不高

化工原理課程在學生從制藥工程專業基礎課程到專業課程的學習過程中起著重要作用。化工原理理論教學中教師通常以推導公式為主，學生由于缺乏前期高等數學和物理化學知識的回顧而無法完成知識的銜接和融會貫通。在“注入式”教學的環境下，學生對單元操作在制藥工業中的實際應用缺乏了解，很難理解公式的含義和用途[2]，因此學生學習興趣不大，感到化工原理課程比較枯燥乏味。

1.3 理論和實踐的結合不夠緊密

制藥工程專業學生學習化工原理課程的目標是掌握制藥工業實際生產中選擇和優化單元操作及設備的能力。而調研發現很多畢業班同學不知道實際制藥生產中如何選擇單元過程設備，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容與制藥生產企業的真實生產過程還有差距。這就導致學生完成化工原理課程的學習后，不能靈活應用所學單元操作知識解決工業中實際問題，無法完成實際生產工藝計算和設備的選型，導致學生在工程實踐和創新過程中受阻。

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水平和學生學習成果的重要方式。化工原理課程考核一般采用傳統的閉卷筆試方法，且期末考試分值占比較高，致使一些學生形成輕過程重考試的心態，學生在課程學習中積極性不高，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生的綜合應用能力[3]，也不利于高等學校應用型人才的培養。

2 教學改革的具體措施

新工科背景下，制藥工程專業化工原理課程旨在培養學生分析處理制藥工業中工程技術問題的能力。針對目前的課程教學中課程難度大、教學形式單一、理論和實踐的結合不夠緊密和課程考核不完善等問題進行了具體的改革探索。

2.1 修訂教學大綱

化工原理課程的教學支撐制藥工程專業培養目標和畢業要求，而且與很多復雜工程問題的解決有關，對新工科制藥工程專業人才培養非常重要。在深入理解工程教育認證要求下，化工原理教學團隊完善了以成果為導向的課程目標。主要包括以下四個方面：

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

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

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

（4）了解最新的單元操作設備，具備工程觀點和經濟觀點，能夠遵守工程師職業道德和規范。教學內容由原來分散的十一章內容按照原理整合為動量傳遞、熱量傳遞和質量傳遞三大篇，有利于學生學習和總結。

2.2 開展線上線下混合式教學

新工科必須積極采用現代信息技術，大力發展“互聯網+高等教育”新形態，建設MOOC、虛擬仿真等新形態教學資源[1]。化工原理課程改革積極探索應用現代信息技術，解決教學形式單一的問題，發揮線上教學和虛擬仿真教學的優勢，提高學生學習自主性和主動性。在超星泛雅網絡教學平臺建立化工原理在線課程，整合教學資源，通過“一平三端”系統進行在線互動教學，輔助課堂教學，實現現代科技與教育的融合促進。學生的學習活動不再限制于線下傳統課堂從而實現學生個性化和主動學習的需求。課前教師通過“超星課堂”來發布任務單、課件、課前思考題，讓學生提前預習，提前了解課堂的重難點。課堂教學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，提高學生參與度，檢驗學生聽課效果。課后，教師可以發布思考題、課程總結和前沿知識等，學生能夠借助“超星課堂”的討論區模塊對學習中疑難問題展開討論，實現同學間、教師和學生間的互動交流。線上平臺管理端具有的學情分析可以自動統計學生的各項學習任務完成情況，提供了每個學生學習效果的直觀分析[4]。在線課程的應用提高了學生學習的自主性和積極性，而且使教師對學生的學習可以進行及時的指導和鼓勵[5]，增加了教師和學生的溝通交流。

2.3 采用案例教學

化工原理的理論都來自實際工業生產，制藥工業中小到每一個裝置，大到整個生產流程都與單元操作息息相關。采用案例教學法有助于激發學生學習興趣，引導學生主動參與課堂討論，培養學生的工程實踐能力。過濾是動量傳遞中的一種單元操作，在制藥工業生產中廣泛應用。青霉素原料藥生產中發酵液的分離提純過程中就采用了過濾操作。青霉素的發酵液中含有目的藥物濃度較低，但含有菌體細胞、菌體代謝物、培養基等大量的雜質[6]。工業上一般采用兩次過濾工藝，首先采用真空過濾機除去大部分培養基、蛋白質等雜質，再加入絮凝劑和助濾劑后采用板框過濾機就能得到澄清的濾液，這樣才可以繼續下一步分離。第一次過濾操作采用真空過濾機，是因為該設備可連續自動操作，處理速度快。當大部分雜質除去后，加入絮凝劑可以使很小的雜質形成大顆粒，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，是因為該設備結構簡單，而且工作壓力大，過濾效果更佳。通過青霉素發酵液過濾操作案例可以使學生掌握不同過濾設備的差異和應用，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]，教學團隊對以期末成績為主的評價方式進行改革，轉變為注重過程的全面評價方式。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。在原來作業和考勤基礎上，平時考核中增加課堂討論和參與在線學習任務成績。過程性考核主要是根據任務進行制藥工業中實際工程中涉及的傳熱和傳質工藝的優化，考核學生單元操作的綜合理解和應用，要求分組完成查閱資料、工藝設計、設備選型、撰寫報告等。通過多維度的考察，調動學生積極性，以全面反映學生學習化工原理課程的實際效果。

3 結語

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，為培養學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大綱、應用現代信息技術改進教學方法、積極采用案例教學和完善課程評價方式等。通過改革提高了學生的學習興趣，增強了學生的工程觀念，加快了學生向工程師的轉變，有利于實現新工科要求下應用型人才的培養目標。