新工科背景下制药工程专业化工原理课程教学改革

史建俊 李伟伟 孙银宇 郑祖彪 王爱东

面对世界新一轮科学和产业革命机遇，响应国家发展的需求，为进一步提升高等教育服务支撑能力，教育部从2017年初开始积极推进新工科建设。目前我国新工科建设进入更加深入的阶段，新工科建设积极推动高等工程教育改革，引领我国高等教育“四新”建设[1]。

化工原理是制药工程专业具有很强理论性和实践性的重要基础课程，分析和解决制药工业生产中单元操作的工程学科。教学内容包括“三传”的基础理论研究、常见单元操作的规律和典型设备应用。培养学生具有优选单元过程所需典型设备的能力和优化生产工艺过程的设计能力。同时为学生学习制药工艺学、制药设备与车间设计、制药分离工程等后续制药工程相关专业课程奠定基础。

我校努力建设特色鲜明的地方应用型高水平大学，在2018年顺利通过了教育部组织的本科教学审核评估。制药工程专业经过十几年的发展，在2019年获批省级一流本科专业建设点。化工原理课程积极践行新工科建设的“新理念”“新标准”“新模式”和“新体系”，以制药工程应用型人才为培养目标，注重训练学生工程实践能力，提高学生的理论素养和综合应用能力。

1 化工原理课程教学过程存在的问题

1.1 教学内容丰富，课程难度

由于化工原理课程理论性较强，知识体系复杂，涉及动量、热量和质量传递三种不同的传递原理。三种传递原理所采用的公式和推导过程都不同，即使属于同一种传递原理的单元操作也有单独的计算公式，各单元操作间相对独立，分布在课程十一个章节中，知识点较零散。而且学生较难理解本课程采用的半理论半经验的研究方法。这些因素使学生很难掌握课程的理论知识。

1.2 教学形式单一，学生积极性不高

化工原理课程在学生从制药工程专业基础课程到专业课程的学习过程中起着重要作用。化工原理理论教学中教师通常以推导公式为主，学生由于缺乏前期高等数学和物理化学知识的回顾而无法完成知识的衔接和融会贯通。在“注入式”教学的环境下，学生对单元操作在制药工业中的实际应用缺乏了解，很难理解公式的含义和用途[2]，因此学生学习兴趣不大，感到化工原理课程比较枯燥乏味。

1.3 理论和实践的结合不够紧密

制药工程专业学生学习化工原理课程的目标是掌握制药工业实际生产中选择和优化单元操作及设备的能力。而调研发现很多毕业班同学不知道实际制药生产中如何选择单元过程设备，主要是因为教师在课堂上传授的知识点和化工原理实验室完成的实验内容与制药生产企业的真实生产过程还有差距。这就导致学生完成化工原理课程的学习后，不能灵活应用所学单元操作知识解决工业中实际问题，无法完成实际生产工艺计算和设备的选型，导致学生在工程实践和创新过程中受阻。

1.4 课程考核评价体系不全面

课程的考核评价是评估教师教学水平和学生学习成果的重要方式。化工原理课程考核一般采用传统的闭卷笔试方法，且期末考试分值占比较高，致使一些学生形成轻过程重考试的心态，学生在课程学习中积极性不高，期末考试前突击背诵和记忆知识点。这样单一的考核方式无法全面考查学生的综合应用能力[3]，也不利于高等学校应用型人才的培养。

2 教学改革的具体措施

新工科背景下，制药工程专业化工原理课程旨在培养学生分析处理制药工业中工程技术问题的能力。针对目前的课程教学中课程难度大、教学形式单一、理论和实践的结合不够紧密和课程考核不完善等问题进行了具体的改革探索。

2.1 修订教学大纲

化工原理课程的教学支撑制药工程专业培养目标和毕业要求，而且与很多复杂工程问题的解决有关，对新工科制药工程专业人才培养非常重要。在深入理解工程教育认证要求下，化工原理教学团队完善了以成果为导向的课程目标。主要包括以下四个方面：

（1）能够运用高等数学、物理化学和化工原理等课程知识针对具体的制药工程对象建立数学模型用于推演、分析专业制药工程问题。

（2）掌握化工过程基本原理，培养理论联系实际的观点，能够进行典型单元操作设备的设计、操作及工艺尺寸的计算。

（3）具备运用基础理论分析和解决制药工业中各种工程实际问题的能力，能够针对特定需求，完成制药单元的设计。

（4）了解最新的单元操作设备，具备工程观点和经济观点，能够遵守工程师职业道德和规范。教学内容由原来分散的十一章内容按照原理整合为动量传递、热量传递和质量传递三大篇，有利于学生学习和总结。

2.2 开展线上线下混合式教学

新工科必须积极采用现代信息技术，大力发展“互联网+高等教育”新形态，建设MOOC、虚拟仿真等新形态教学资源[1]。化工原理课程改革积极探索应用现代信息技术，解决教学形式单一的问题，发挥线上教学和虚拟仿真教学的优势，提高学生学习自主性和主动性。在超星泛雅网络教学平台建立化工原理在线课程，整合教学资源，通过“一平三端”系统进行在线互动教学，辅助课堂教学，实现现代科技与教育的融合促进。学生的学习活动不再限制于线下传统课堂从而实现学生个性化和主动学习的需求。课前教师通过“超星课堂”来发布任务单、课件、课前思考题，让学生提前预习，提前了解课堂的重难点。课堂教学中教师可以借助移动端开展丰富的课堂互动，如随堂测验、提问、抢答、分组讨论等，活跃课堂气氛，提高学生参与度，检验学生听课效果。课后，教师可以发布思考题、课程总结和前沿知识等，学生能够借助“超星课堂”的讨论区模块对学习中疑难问题展开讨论，实现同学间、教师和学生间的互动交流。线上平台管理端具有的学情分析可以自动统计学生的各项学习任务完成情况，提供了每个学生学习效果的直观分析[4]。在线课程的应用提高了学生学习的自主性和积极性，而且使教师对学生的学习可以进行及时的指导和鼓励[5]，增加了教师和学生的沟通交流。

2.3 采用案例教学

化工原理的理论都来自实际工业生产，制药工业中小到每一个装置，大到整个生产流程都与单元操作息息相关。采用案例教学法有助于激发学生学习兴趣，引导学生主动参与课堂讨论，培养学生的工程实践能力。过滤是动量传递中的一种单元操作，在制药工业生产中广泛应用。青霉素原料药生产中发酵液的分离提纯过程中就采用了过滤操作。青霉素的发酵液中含有目的药物浓度较低，但含有菌体细胞、菌体代谢物、培养基等大量的杂质[6]。工业上一般采用两次过滤工艺，首先采用真空过滤机除去大部分培养基、蛋白质等杂质，再加入絮凝剂和助滤剂后采用板框过滤机就能得到澄清的滤液，这样才可以继续下一步分离。第一次过滤操作采用真空过滤机，是因为该设备可连续自动操作，处理速度快。当大部分杂质除去后，加入絮凝剂可以使很小的杂质形成大颗粒，与助滤剂一起提高滤饼的孔隙率，提高过滤速度。第二次过滤操作采用板框过滤机，是因为该设备结构简单，而且工作压力大，过滤效果更佳。通过青霉素发酵液过滤操作案例可以使学生掌握不同过滤设备的差异和应用，同时掌握提高过滤速率的方法。

2.4 实行多维度的评价

原来的总成绩由作业考勤等平时成绩（30%）和期末考试（70%）组成。践行OBE 理念，更加重视过程评价[7]，教学团队对以期末成绩为主的评价方式进行改革，转变为注重过程的全面评价方式。目前本课程的总成绩包括平时成绩（30%），过程性考核成绩（30%）和期末考试成绩（40%）三大部分。在原来作业和考勤基础上，平时考核中增加课堂讨论和参与在线学习任务成绩。过程性考核主要是根据任务进行制药工业中实际工程中涉及的传热和传质工艺的优化，考核学生单元操作的综合理解和应用，要求分组完成查阅资料、工艺设计、设备选型、撰写报告等。通过多维度的考察，调动学生积极性，以全面反映学生学习化工原理课程的实际效果。

3 结语

针对化工原理课程这门课具有知识点分散，课程难度大等特点，在新工科背景下，为培养学生的工程实践能力采取了一系列的改革措施，包括重新修订课程教学大纲、应用现代信息技术改进教学方法、积极采用案例教学和完善课程评价方式等。通过改革提高了学生的学习兴趣，增强了学生的工程观念，加快了学生向工程师的转变，有利于实现新工科要求下应用型人才的培养目标。