浅析制药工程自动控制课程项目教学研究

浅析制药工程自动控制课程项目教学研究摘要:为了培养学生的实践创新能力，对“制药工程自动控制”课程进行重新设计，将设计项目引入课堂教学，研究和实践包含项目引入、实施、测评和教学总结在内的项目教学模式。学生组成的学习小组自行设计完成项目，展示成果，互相测评，促进学生将理论知识联系实际，激发其自主学习兴趣。通过这种基于设计项目的教学模式着重培养学生的应用思维。关键词:项目教学;实践能力;创新;自主学习;课程设计随着社会的发展，社会对人才的需求也随之改变，具备实践创新能力的应用型人才是我国现今社会发展最为紧缺的资源［1］。为国家培育人才的高等院校，应该顺应时代的发展，及时转变教育思维，着重培养学生的实践创新能力。虽然一直以来，应用型人才一直是工科院校的代名词，而其他类型院校对学生实践能力的培养则相对薄弱［4］。但在当今社会的发展形势下，应用型人才的培养不应只是工科院校的专利，所有院校均需要加强对学生实践能力的培养［5］。在目前的高校教育体系中，传统的“一言堂”教学可以有效给学生灌输基础理论知识，但是对实践创新能力的培养则是力有不逮。如何在基础相对薄弱的情况下，研究和运用新的教育方法和手段提高学生的实践创新能力是一线教师努力的方向。书本知识与实际应用的脱节是制约实践能力提升的关键。将真实的项目引入课堂教学，让学生通过项目的实施而实现自主学习，不仅可以充分调动学生的学习兴趣，拓展其创新思维，还可以将理论知识应用于实践来培养学生的实践能力。本文以“制药工程自动控制”课程教学为例，将设计项目引入课堂教学，研究和实践新的教学模式，着重培养学生的应用思维，提高学生的实践创新能力。1项目引入传统课堂教学的一个很大的弊病在与学生的参与度不高，导致学生对学习的兴趣低迷。学生的注意力会随着时间逐渐下降，学习效果也大打折扣。项目引入的成功与否在与是否能调动起学生的学习兴趣，吸引学生的注意力，进而帮助学生快速投入学习状态。就“制药工程自动控制”课程中基于设计项目的教学，项目的引入被分为三个步骤。首先，就像一本书正文之前有序言，在正式介绍项目的之前也应该有“热身运动”。其内容是通过多媒体展示相关领域的最新研究进展或技术突破，多感官参与的逼真展示相比于枯燥无趣的书本更能吸引学生对于教学内容的注意力。国产制药领域的最新进展(如国产HPV疫苗)和高新科技(5G、AI等)在制药生产自动控制领域的应用可以在很大程度上激发学生的学习兴趣。前沿的内容介绍也弥补了书本知识的滞后性。之后，介绍一些相关的项目案例，包括已经投产创造经济价值的成功案例(青霉素发酵过程控制、啤酒发酵过程控制)和一些因设计失误导致严重后果的失败案例(天津宜坤精细化工公司“8·7”爆炸事故、山东招远化工厂“8·14”爆炸事故、江苏无锡焦化厂“8·5”爆炸事故、俄国“质子”火箭因控制系统故障导致爆炸事故)，让学生了解到本课程学习的重要性和实际用途。初出茅庐的学生也可以在这些案例中对照自身所学的理论知识，并汲取项目实施的经验。最后就是本课程教学项目的正式导入。在之前的两个步骤中，学生的学习兴趣已被调到能够起来，学习状态和思维活跃程度正处于高峰。此时在介绍完项目的基本背景之后，提出项目的核心问题———制备生产线自动化控制系统的搭建。2项目实施2.1项目实施条件基于设计项目的教学应被设置在课程的中后阶段，课程的前半部分应该是对学生基础知识的讲授。项目教学开始之前应确保学生已经对构成控制系统的基本单元，诸如检测仪表与传感器、显示仪表、自动控制仪表、执行器等的概念、分类和原理等有了一定程度的认识，并已经掌握由其组成简单控制系统和典型的复杂控制系统。“制药工程自动控制”课程总课时为32学时分为8周讲授，项目教学内容被安排在课程的第7、8周。在开始项目教学之前(第6周)要对学生的基础知识掌握程度进行测试，选择制药反应器、提取过滤、浓缩、灌装等四个设备作为控制对象，每位学生随机选择一个单一对象进行自动控制系统设计，限时30分钟。教师根据操纵变量的选择(10分)、控制系统设计(30分)、仪表的选择与安装(40分)和方块图(20分)等四项内容进行综合评分，学生的平均掌握水平达到75分以上则可以开展项目教学。2.2项目小组成立根据教学要求及实际情况，设计项目不易过于复杂，涉及4～5个生产步骤所需的自动化控制系统为宜。将班级学生分为由5～6个学生组成的设计小组，每名学生负责一个生产步骤的控制系统设计(最重要或复杂的系统可由两名学生共同负责)。将每个生产步骤以英文字母标号(A～E)，小组内学生随机抽签决定所负责的部分。我们选择医用辅料羧甲基纤维素钠的生产流程(包括碱化、醚化、中和、洗涤、烘干、粉碎等步骤)为设计项目。将38位学生分为7个设计小组(5人组4组，6人组3组)，每位同学承担一个生产步骤的设计(5人组略去粉碎步骤设计)。2.3项目方案设计第一节课，教师利用30分钟对学生测试出现的问题进行集中讲解并对整个生产线及每个步骤所用的生产设备进行介绍，包括生产的技术要求(物料比例、反应温度、时间等)、安全隐患和控制系统的基本需求。20分钟学生随机抽签，确定所在设计小组及所负责的步骤设计，并互相介绍。学生课下查阅相关资料为后续设计做准备。第二节课将各小组中负责相同部分的学生集合在一起，每位学生5分钟发言，内容包括设计思路、关键问题和目前遇到的困惑。之后20分钟集体讨论本部分设计所需注意的一些细节，汇总所发现的问题。集体讨论之后，各小组学生返回各自的设计小组。第三节课教师20分钟解答上次课学生遇到的相关问题，问题主要集中在副变量的选择、测量仪表的选择与安装和控制器的控制规律。各设计小组每位同学进行30分钟相应部分控制系统的设计包括系统中传感器、显示器、控制器、执行器的选择和系统路线的设计。当小组中每位学生完成了各自的设计，5分钟阐述自己的设计理念，并回答其他同学提出的问题，后按照生产线的顺序与下一个生产步骤的学生共同进行对接部分的设计，依次进行完成整个控制系统设计。最后，20分钟组内对控制系统进行评估、修改，总结所设计系统的优缺点和设计心得。2.4项目成果展示每个设计小组选出1～2名学生，将所设计的自动化控制系统进行PPT展示，介绍其设计初衷和系统优势。将每小组的设计制作成墙报供学生们学习交流，并安排相应小组的1～2名学生进行讲解。3项目测评有效的项目测评不仅是给学生一个单一的分数作为项目完成度的结果，而应该是通过教师和学生之间的互动和交流，逐步改进和提高学习的方式方法，帮助培养学生可持续性学习能力。正面的测评结果可以鼓励学生，促进其学习的积极性;反面的结果可以让学生了解和改善学习过程中的不足。本课程的测评方式由小组互评、现场投票和反思总结三个部分组成。小组互评是将各项目小组两两组成一队，一组作为项目需求方的厂方组，从实际生产角度提出要求、标准和设计方面的不足，另一组作为自动化控制系统的设计组，根据要求进行讲解、修改和推荐。进行几轮的讨论之后，厂方组依据控制系统完整度、对实际生产要求的完成度、解决问题的满意度等几方面对设计组进行综合评价。之后两小组身份互换，重复上述流程。当所有项目小组完成最终的系统设计，由所有学生进行现场的匿名投票，选出最佳的项目方案，并予以适当奖励。通过小组互评和现场投票，学生不再只是被测评者，而变为主动的测评者，教学相长增强其学习的信心。最后给学生反思的时间，教师根据项目和学生在项目中担任的角色给出评价，并保留数据以便进行期末大数据统计分析。4教学总结基于设计项目的教学模式是否适合应用于“制药工程自动控制”课程教学需要我们教师进行及时总结来验证教学效果。教学效果的验证方法主要采取不等组实验研究法、问卷调查法、访谈法和统计分析法。第一，依据不等组实验研究法，以采取项目教学的班级为实验组，传统课堂教学的班级为对照组，分别进行教学和测试考核后，量化分析和评估项目教学模式的教学效果。第二，对接受项目教学模式授课的学生进行网络问卷调查，调查的内容主要包括课堂中学到的知识点，最喜欢/不喜欢的之处，自身需要加强学习之处，对课堂的建议，为课堂中各部分内容进行打分等几个方面。第三是对学生进行抽样随机访谈，了解他们的学习感受和态度，更为具体地调查基于项目的教学模式在课堂教学中的实际效果，发现其在教学过程中遇到的障碍和不足并及时改进。第四，综合上述验证方法，进行整理和分析，制成柱状图或饼状图把数据对比直观展示出来。5结语本文以培养学生实践创新能力为目标，在“制药工程自动控制”课程教