基于成果导向的制药工程专业实验教学改革实践

唐凤翔, 郑允权, 黄剑东

(福州大学 化学学院, 福建 福州 350116)

开展工程教育专业认证不仅是为了实现我国工程教育国际互认和提升国际竞争力,也是推进我国高等工程教育改革和提高工程教育质量的重要契机[1]。工程教育专业认证的三大核心理念是以学生为中心、成果导向和持续改进,它要求专业课程体系设置、师资队伍配备、办学条件配置等都围绕学生毕业能力达成这一核心任务展开[2]。多年来的认证工作经验表明,课堂教学已经成为工程教育改革的“最后一公里软肋”[3]。

实验教学是制药工程专业不可或缺的实践教学环节。我校为制药工程专业开设的实验包含了以下4个层次:(1)公共基础课实验,如大学物理实验、电工学实验; (2)学科基础课实验,如四大化学实验、生物化学实验、微生物学实验、化工原理实验等; (3)专业课程实验,如药物化学实验、药剂学实验、药物分析实验、天然产物提取与分离实验等; (4)专业实验,指具有一定综合性的实验,包括化学药物、天然药物、生物药物和制剂的制备、分离和分析等。其中,专业实验为制药工程专业最高水平、最高层次的实验。

纵观这些实验的讲义和实验过程,这些实验存在的一个通病是“照方抓药”和“按部就班”,使学生只停留在对知识的验证或加深理解层面,而没有足够的实践空间和思维空间,实践能力和创造性受到遏制[4],且评价形式单一,不符合工程认证要求的成果导向教育(outcome-based education,OBE)理念。成果导向教育理念要求教育者,对学生毕业时应达到的能力及水平即毕业要求有清楚的构想,然后设计适宜的教育结构以保证学生达到预期目标[5]。因此,开展成果导向的实验课程教学势在必行。

按照OBE理念,实验的实施者应从培养学生预期能力和素质入手,做好反向教学设计和正向教学实施,将教学的重点聚焦于“学生产出”,注重学生创新、实践等能力的培养[6]。本文以“芦丁水解制槲皮素”的专业实验为例,阐述如何基于成果导向教育对学习目标、学习内容、教学方式及学习评价进行改革和实践,并为类似实验课程的教学改革提供参考。芦丁水解制槲皮素实验的主要任务是通过小试优化出最佳的水解工艺条件,在中试规模设备上进行实验放大,达到理想的收率和质量。

1 以产出为导向,从支撑毕业要求达成出发确定学习目标

相对于传统的“以学科知识为主”的正向教学模式,成果导向教学模式注重学生综合能力的培养,将目标明确地聚焦于学生最终有意义的学习结果上,强调学生的“知识、能力、素质”三维教学目标,突出能力本位教育[6]。通过对工程教育专业认证标准[7]进行分析、研究,得出制药工程专业实验能够支撑的毕业要求,主要涉及问题分析和研究、使用现代工具、个人和团队、沟通和终身学习等,从而进一步确定本实验的学习目标,如表1所示。

表1 制药工程专业实验对毕业要求的支撑及学习目标的确立

2 以学习目标为导向,反向设计学习内容和学习途径

成果导向理念强调教师的关注点应从“教什么”和“怎么教”转变到学生“学什么”和“怎么学”[8]。同时,成果导向理念强调实施“研究型教学模式和个性化教

学”[9]。相对于传统教学注重对记忆能力的考查,成果导向教学模式注重学生自我探索和自我学习能力的培养。正如金淼所指出的,OBE 课程的关键是学生的参与度和学生的积极性[6]。因此,根据芦丁水解制槲皮素的学习目标,设计了如表2所示的学习内容和学习方式。

表2 芦丁水解制槲皮素实验的学习内容和学习方式

根据表2,学生很清楚地知道在芦丁水解制槲皮素的实验中,小试和中试阶段的学习内容和学习方式。此外,为了帮助学生对中试工艺过程有更深入的了解,图1列出了对中试工艺过程需要深入反思的问题,通过“问题驱动”模式让学生明白“为什么学”和“学什么”。根据表2和图1,学生可以确定应该做什么样的知识准备。OBE强调知识的整合而非拆分[10],因此通过对芦丁水解制槲皮素相关单元知识的聚集、消化、提炼、应用和创新,为解决芦丁水解制槲皮素复杂工程问题奠定了基础。

3 以学生为中心,进行教学实施

OBE强调在教学活动中,以学生为中心,教师起指导作用而不是主宰作用。教师应该善用示范、诊断、评价、反馈,以及建设性介入等策略,来引导、协助学生达成预期成果[8]。此外,教学资源也应为保障学生达到学习效果而进行有效配置。就芦丁水解制槲皮素的实验而言,设计了如表3所示的教学活动,包括课前准备、课堂讨论、课堂实验和课后总结等内容。

图1 芦丁水解槲皮素中试放大流程所需的知识结构图表3 芦丁水解制槲皮素教学活动安排

完成时间学时安排活动内容完成角色一周前课外提出本实验的学习目标,布置实验任务和学习内容,以及需要重点解决的问题和需要查阅的内容,要求写出实验预习成果。教师第一天第1学时课堂讨论,明确知识点,确定小试优化实验方案。教师、学生第2学时撰写小试的实验方案和实验步骤,经过教师审核后进行实验。学生、教师第3—7学时进行优化实验,获得数据。学生第8学时进行数据处理,获得结论。学生第9学时预习中试工艺设备和操作要领。教师、学生第二天第1—2学时就图1问题进行讨论,同时各组确定工艺流程。教师、学生第3—4学时各组撰写芦丁水解制槲皮素中试操作规程并修订。学生、教师第5—8学时(1) 按照操作规程和小试获得的最优条件进行中试放大,对小试和中试放大存在的差异进行观察和分析。(2) 对教师设置的障碍进行解决。(3) 对产品进行分析。学生第9学时对设备进行清洗和维护,清场。学生课外课外依据实验过程撰写实验报告。学生

3.1 课前准备

指导教师在课前需要做资源可得性准备,包括对技术资源的调查、原材料和实验平台的准备等。此外,在实验课一周前,利用课外时间向学生集中讲授本实验的学习目标、任务和学习内容,明确要重点解决的问题,并要求写出预习报告。

在小试阶段,学生在课前需要查阅相关文献和参考书,了解和整理如表2所示的与芦丁水解制槲皮素相关的知识点,如物理化学性质、分析方法、优化方法、实验方案和数据处理方法等。在中试阶段,在教师讲授和演示中试设备的构造和工作原理后,学生需利用自己学过的工程知识思考如图1所示的问题。通过对这些问题的思考,为后续工艺流程的设计和讨论、操作规程的撰写和中试放大实验的实施奠定基础。

3.2 课堂讨论

3.2.1 小试阶段的课堂讨论

小试阶段课堂讨论以帮助学生明确小试实验方案为目的。通过课堂讨论也可检查学生的课前准备情况,为形成性评价提供依据。课堂讨论一方面帮助学生进一步明确如表2和图1所示的核心知识点,更重要的是,讨论在预习过程中无法考虑到的问题,以便引导学生利用所学知识开创性地制订实验方案。例如,因为课堂时间有限,需要由一大组学生(12～15人)共同完成一个实验的优化,平均每1、2个同学完成一个实验点,那么如何减少因不同人操作带来的偶然误差,以及因采用不同设备而带来的系统误差呢？因为只有减少这些误差,每个实验点的槲皮素得率才更真实,才具有统计意义。再如,后处理对收率也会产生较大的影响,后处理过程中若未完全将未反应的原料芦丁从产品槲皮素中除去,会导致槲皮素收率虚高,若后处理过程繁杂,将损失过多的槲皮素而得率偏低,这样的结果同样没有统计学意义。

如何减少偶然误差和系统误差是一个易被忽视的问题。只要能关注到这个问题,通过头脑风暴,学生很容易找到多种解决办法,并整理出来遵照执行。但是上述第2个问题,学生很难跳出文献的怪圈,找到创新的、简单实用的解决方案,因为文献中的后处理纯化方式为在乙醇中重结晶,产品的损失率大,易导致收率不够真实。为此,指导教师需着重强调,物质的分离是依据彼此物理化学性质的不同,引导学生进一步分析芦丁和槲皮素所有的物理化学性质差异,对学过的分离纯化方法用排除法逐个筛选,最后发现芦丁和槲皮素在热水中的溶解度具有差异(芦丁可溶于热水而槲皮素难溶于热水),因此在反应结束后趁热过滤,并用大量的沸水洗涤滤饼以除去芦丁,便可得到较纯的的槲皮素(薄层层析可证明)。该方案简单实用,未见文献报道,必须通过观察和分析才能够将相关理论知识进行创新性的应用,即OBE教学所要求的从认知的低层次(记忆、理解与分析)进化到认知的高层次(应用、评价和创新)上[11]。让学生领会到创新并不是什么难事,创新实际上均源于对基础知识的掌握、分析和应用。

3.2.2 中试阶段的课堂讨论

中试阶段课堂讨论以帮助学生建立中试实验方案为目的。该阶段讨论围绕图1所示的11个问题展开。例如针对如何加料的问题,学生通过头脑风暴提出加料口加料、真空抽料、蠕动泵加料、滴液漏斗加料,以及每种加料方式的适用对象和优缺点等。实验时选择什么样的加料方式,由学生通过实践作出选择,总结出哪种方式更简捷、更安全,做到知行合一,在思考基础上进行实践。再如固液分离的问题,学生想到布氏漏斗真空过滤法、离心机法、板框过滤法,但实际上只有10 L布氏漏斗真空过滤法和10 L三足式离心机法供选择。OBE强调教学方式和内容是开放的和多选择性的[6],因此教师在条件允许的情况下,应尽可能为学生提供开放性的学习空间。

为了避免学生在中试阶段出现“按部就班和照方抓药”,各小组(3、4人)在上述基础上自行设计工艺流程和撰写工艺操作规程。撰写操作规程的目的是为了帮助学生将知识内化并表达出来,作为后续中试放大实验的操作依据。操作规程具体包括系统检漏和气密性检查、加料、加热、冷凝回流、调节pH、现象观察、冷却、过滤、洗涤、设备清洗和清场等内容。在撰写操作规程时,学生会结合小试经验和中试设备条件,但往往有考虑不周的地方。例如小试反应结束后,不需要调节pH值至中性而直接趁热过滤,因为不需要考虑过滤设备(小型布氏漏斗)腐蚀的问题; 而在中试反应结束后,必须调节pH至中性,否则会影响中试过滤设备(不锈钢材质的三足式离心机)的使用寿命。因此,操作规程需经教师进行安全性审核后才可执行。

课堂讨论强调与学生的互动,要突出学生的主体地位,充分调动学生的积极性。在对学生公开的形成性评价依据中,主动发言、主动提问、主动思考的学生将获得更高的评价。因此,在课堂讨论中,教师只需抛出问题,课堂讨论就会异常活跃。每大组有近大半学生均能主动表达自己的想法。对于学习能力较差的学生,指导教师需引导他们参与讨论,这也符合工程认证提倡的要给予足够的机会给每一位学生,让他们获得成功[11]。

3.3 课堂实验

小试阶段的实验完全根据大组制订的小试实验方案进行。例如采用正交试验设计时,若采用L9(34)正交表,则由一个大组共同完成9次实验。小试实验完全以学生为主进行,教师只需在学生需要帮助的时候介入。

中试阶段的实验则完全根据小组学生制定的操作规程进行。学生是实验的主体,教师起引导作用,引导学生观察实验现象。例如当反应釜内温度接近100 ℃时,反应体系从固液悬浮体系接近均相,但很快又转变为固液非均相体系,教师应引导学生对这个现象进行解释。此外,还要引导学生观察中试传热传质与小试的差别以强化学生的工程思维。在中试实验中,教师在三足式离心机离心过滤环节设置了障碍,使某小组采用三足式离心机离心时得到的固体量要比采用布氏漏斗过滤时少得多。通过观察和讨论,该小组发现所选择的过滤布目数过小,换成较大目数过滤布即可解决。这个障碍的设计提高了学生对实际问题的分析能力和解决能力。

3.4 课后总结

课后总结包括撰写实验报告和心得体会。

课前预习、课堂讨论、课堂实验和课后总结构成了研究性学习模式。通过这种研究性学习,学生不再是知识的被动接受者,而是主动学习者、自主建构者、积极发现者和执着探索者[12]。研究性学习是培养学生解决复杂工程问题的重要途径之一[13]。

4 学习评价及反馈

实验考核机制和评分办法对激发学生学习的积极性和创造性有重要的引导作用。随着教育手段的多样化,显然不能仅按实验报告做出终结性评价,必须与形成性评价相结合。因此对本实验学习效果的综合评价涉及实验预习、课堂讨论、实验过程态度、实验技能、数据处理、操作规程撰写和实验报告等诸多方面,每个方面具有不同的权重。

当结合过程表现进行形成性评价时,学生个体在各方面的差异得到了互补。比如有的学生不擅长实验,但是擅长数据处理,在团队协作中其个人专长能够得到充分发挥。但如果仅从实验报告上看,他的特长对整个团队的贡献无法体现,也难以激发他的学习兴趣。

高度重视实验教学反馈,及时进行调整以保证实验教学的持续性,这也是工程教育专业认证的核心理念之一。学生普遍反映这种研究性学习模式形式新颖,通过对该实验的学习,学会了如何对一个课题开展研究,包括如何查阅文献、如何对文献知识进行总结归纳、并为制定研究方案服务、如何利用现代工具为研究工作服务、如何撰写规程性文件、如何利用所学的基础知识进行创新、如何利用所学的知识为解决复杂工程问题服务等。更重要的是,这种学习模式培养了学生的自学能力和团队协作精神。这样的结果无疑都与本实验的学习目标相吻合,即促进学生达成了应达到的毕业要求。

5 结语

2两年来,采用OBE教育对制药工程专业实验进行了课程教学改革。根据制药工程专业实验所要支撑的毕业要求,反向设计专业实验的学习目标、学习内容和学习方式,以学生为中心正向进行研究性学习,并对学习产出进行综合性评价。实践结果表明,OBE模式下的制药工程专业实验,能够帮助学生达成预期的毕业能力与水平,取得了良好的效果。

致谢：感谢福建省制药工程特色专业建设项目、福州大学制药工程品牌专业建设项目、福州大学一流本科教改建设项目和福建省制药工艺学精品资源共享课程的联合资助。