培养工程设计能力的《仿真实验》教学模式构建*

龚 英，陈继平，李晓梅，王 琴

(云南师范大学化学化工学院，云南 昆明 650500)

依据2018年发布的“化工与制药类教学质量国家标准”[1]，制药工程专业毕业生应当具备从事工程设计的基本能力。工程设计能力是信息获取、逻辑思维、实践动手、计算制图等多个能力的综合体现。制药项目涉及厂房车间、工艺流程、生产设备、生产管理等多个领域，制药生产具有流程化和动态化的特点，各工序彼此关联、相互影响。因此，工程设计工作千头万绪，工程设计能力难以通过直线式教学有效达成。

近年来，随着现代信息技术的高速发展，依托于互联网技术的“低成本”、“低消耗”的仿真实验教学得到了各级各部门的高度重视。通过场景漫游的方式，仿真实验软件能帮助学生构建对车间的感性认识；通过展示设备的三维结构，并提供设备的模拟操作[2]，仿真实验软件对于帮助学生正确理解设备在车间中的布置具有重要的意义。然而，目前大多《仿真实验》教学局限于让学生熟悉仿真软件中预设的操作步骤，掌握设备操作方法。这种沉浸式、体验式电脑操作方式[3]只能带来短暂新鲜感，学生对于生产工艺原理、具体过程控制没有深刻的认识和理解，对专业知识的认知容易停留在观察层面，不利于构建完整的工程设计思维。

采用翻转课堂、教师引导、小组合作、角色扮演多样化教学方法，设计《仿真实验》课程“螺旋式上升”教学模式，将形象的仿真软件与抽象的工程设计有效衔接，帮助学生感性认识制药车间和设备，理解以工艺设计为支撑的药品流程化生产特性，最终科学、理性开展制药工程设计。通过课程学习，小组合作完成一个高质量的制药项目设计作品，从而真正掌握和运用制药工程设计的原则，并内化为自身的工程设计能力。

1 教学模式的构建与实施

1.1 仿真软件的建设

通过整合云南省高校药用植物活性成分研究重点实验室的科研成果及资源，云南师范大学化学化工学院制药工程系与上海馨正信息科技有限公司合作开发了B/S架构“青蒿琥酯阿莫地喹片生产虚拟仿真实验”软件(图1)。该仿真软件包括生产车间说明书、生产原理、生产过程动态展示、围绕生产流程的药品生产质量管理规范条款和操作规范。

图1 仿真实验软件的工作界面(提取工段)Fig.1 Work interface of simulation experiment software (extraction process)

1.2 教学模式的设计

表1 循序渐进的四个教学分目标Table 1 Four progressive teaching objectives

早在1960年，Bruner在《The Process of Education》中提出了螺旋式教学方法[4]。该教学法是指在教学过程中运用灵活性的教学模式，增强由浅入深、循序渐进的教学规律，注重培养学生分析与解决问题的能力和创新精神。依据前苏联教育家维果茨基提出的“最近发展区”理论，为分层次、有侧重地构建工程设计基本思维，逐步训练并提升学生的工程设计能力，我们将《仿真实验》教学总目标(工程设计能力)分解成四个相对独立又彼此关联、层层递进的四个阶段性教学分目标(表1)，依次对应中药提取工艺流程设计、提取设备设计、提取车间设计、生产组织管理这四个阶段。通过循序渐进学习四个阶段的理论知识，并通过下一阶段对上一阶段知识的反复学习与应用以提升知识的深度和广度，从而以“螺旋式上升”方式完成四个阶段的知识学习和能力训练，最终达成教学总目标。

1.3 教学方法的介绍

1.3.1 翻转课堂

翻转课堂是一种新兴的课堂教学模式[5-6]，能够在师生间通过最短的时间、最直接的方式有效地传递知识点[7-8]。学生能够利用碎片化时间、采用多种移动方式完成对知识点的学习。借助翻转课堂的优势，本文提出的教学模式也将教学分为课堂内与课堂外两个部分，如图2所示。其中，《仿真实验》课程课堂内学习时间设定为18学时，每隔一周上一次课(2学时)，相关教学内容如表2所示。相对于目前大多数院校开设的课堂内36学时而言，课堂内学时数减少一半，符合目前各高校教学课时大量压缩的现实[9]。课堂外，学生需分别完成微课资料的学习、小组讨论并撰写修改材料、仿真软件练习这三个任务。该教学模式将较多的学习时间放在课堂外(小组合作10学时)，以尊重每个学生的个性发展，充分发挥学生的自主学习能力，并且通过“课外-课内-课外”循环方式的多次反复学习与应用练习相同的知识，克服翻转课堂教学中容易出现的“知识碎片化、知识体系不完整”的问题[7]，从而实现知识和能力的内化与应用。

图2 “螺旋式上升”《仿真实验》教学模式Fig.2 “Spiral escalation” teaching mode of Simulation Experiment

表2 《仿真实验》的学时分配与教学内容Table 2 Period distribution and teaching content of Simulation Experiment

注：1学时为45 min。

1.3.2 教师引导和小组合作

每个教学阶段均安排两次课堂教学，间隔一周，每次2学时，确保不同学习进度的学生有足够时间理解相关知识、锻炼相关能力。各阶段的教学安排如下：

第一次：课前(10分钟)，教师通过在网络教学平台发布微课资料的方式，引导学生花费较少时间，初步了解本次课的教学安排和教学内容；课内(2学时)，教师首先利用较短时间讲授专业基本概念和基本原理，其余时间用于对相关问题进行小组讨论，并初步形成小组意见；课后(45分钟)，小组成员需进一步团结协作完成讨论意见的撰写工作，与此同时，个人完成仿真软件中相关内容的自主练习和学习体会的撰写。

第二次：课前(10分钟)，各小组需花费较少时间，准备汇报展示内容；课内(2学时)，各小组分工合作完成汇报展示讲演，全班成员进行研讨，给出意见或建议；课后(30分钟)，根据课堂讨论结果，修改小组撰写材料。

最后安排2学时，各小组汇报仿真实验学习体会和项目设计说明书。课前(45分钟)，小组成员协作完成对前四个阶段撰写材料的汇总和汇报展示；课中(2学时)，小组汇报展示；课后(45分钟)，修改提交材料，作为课程的小组合作学习成果。

1.3.3 任务驱动

将全班分成10个小组，每个小组4～5人。课前，教师提供的微课资料不仅包含基础知识点，还会对每个小组布置1个问题任务。为确保每个问题任务都得到了较好地理解和完成，每两个小组的问题任务是相同的。在每次课前，通过个人学习微课资料和小组合作讨论方式，需形成各小组的解答要点，以备课中小组代表讲解与全班讨论。通过云南师范大学网络教学平台(网址：http://ynnu.fanya.chaoxing.com/portal)或其他网络工具实时记录各成员的发言情况，能有效利用同伴压力促进学生创新思考和积极讨论，并投入到学习中。

课程采用过程性评价方式，其中平时成绩占80%，期末考试占20%。平时成绩的组成如表3所示。平时成绩考核时既关注学生参与讨论和汇报的积极性，又评估相关材料撰写的规范性，为全面训练学生的逻辑思维、口头表达能力和书面表达能力提供驱动力。

表3 平时成绩的分配比例Table 3 Allocation proportion of usual performance

1.3.4 角色扮演

制药车间是一个小制药厂，有生产一线人员、管理一线人员、质量保证人员、质量控制人员、机修人员等。在第四个阶段“生产组织管理”的学习中，除了教师讲授车间的基本组织架构和人员管理的基本要求外，还将引入“角色扮演”教学方法，让学生亲身体验不同岗位的工作职责[10]，体会生产过程中物料、产品、记录单据等的流转和管理，思考生产过程中出现“工艺参数测定结果偏差”、“设备运行异常”、“车间洁净等级不达标”等问题时的解决方法。

1.4 教学模式的特点

1.4.1 教学安排符合循序渐进原则

本文提出的制药工程设计能力培养模式的教学内容依次为工艺流程设计、设备设计、车间设计和生产组织管理，符合教学安排循序渐进的“三序”原则。首先，每一个阶段的知识都是学习下一阶段知识的基础，因此教学内容的先后次序安排符合制药工程专业学科基础知识的逻辑顺序。其次，下一阶段的学习包括对上一阶段知识的反复深度学习和应用练习，因此，教学安排符合从简单到复杂、从理解到应用的学生认知发展顺序。最后，基于课堂外仿真实验软件的感性认知和操作实践，开展课堂内工程设计的理性分析和汇报讨论，因此教学安排符合从形象到抽象的学生心理发展顺序。

1.4.2 教学设计的闭合性

基于工程设计胜任力的培养目标，尊重学生自主学习的个性化特点，体现出教育公平性，借助微课先行的翻转课堂教学与讨论，本文以中药提取单元的教学为例，提出“虚拟仿真实验与制药项目设计训练相互渗透”的制药工程设计能力培养模式，实现教学内容的学习与应用的封闭，并实现课内与课外的学习时间和学习空间的延伸。

1.4.3 教学方法的多样性

采用上述教师引导、任务驱动的教学方式，能够促进学生积极参与知识点的学习和应用。通过课中的讨论和课后对小组材料的撰写与修改，能够帮助学生进一步理解并掌握工程设计的基本原理和应用原则，构建团结协作意识。通过角色扮演的教学方式，能够帮助学生正确理解制药生产过程中人员的岗位职责以及各岗位的协作关系，帮助学生向制药生产社会角色的顺利过渡。实践表明，通过课堂内和课堂外的有效师生互动和生生互动，能够提升学习兴趣，并通过同伴压力促进学生在做中学，提升学习效果。

2 教学模式的实施效果

对于在师范类院校中开设的制药工程专业而言，教学经费倾向性投入较少，几乎无力建设校内工厂型实训基地。由于缺乏对制药生产场景的真实感性认知，仅仅通过日常理论教学，学生的工程意识较为薄弱，开展工程设计的能力相对较差。

云南师范大学制药工程专业于2011年开始首届招生。通过利用有限的三维仿真软件资源，结合工程设计教学与应用练习，我校制药工程专业学生的工程设计能力得到了较大的提升。自2016年以来，我校制药工程专业学生已连续四年参加全国大学生制药工程设计竞赛，累计获得全国二等奖5项，三等奖4项。

本文提出的“螺旋式上升”《仿真实验》教学模式，具有教学试剂零成本、实验安全零隐患的优势，特别适合于教学经费和工程背景教师短缺的师范类院校开设的制药工程专业教学，为实现制药工程专业培养目标保驾护航，在相关院校将具有较好的推广应用价值。

3 结 语

在本文提出的“螺旋式上升”《仿真实验》教学模式中，学生成为了整个教学过程的主角。如何充分调动具有不同层次自主学习能力的学生参与到学习中，按时按质完成学习任务，清晰表达个人的学习见解，并参与到小组研讨中，对于保证教学质量，提高师生对教学的满意度具有至关重要的影响。

我们建议，在借鉴本文提出的教学模式时，组建一支专业教学团队，结合授课对象的实际情况，系统设计微课知识点，并策划适宜的课堂研讨教学流程以及全面的过程性评价体系，在整个学习过程中适时地提醒学生跟进学习进度和学习要求，最终实现不间断地提升学生的学习收获满足感，最大程度地激发学生内在的学习动力，完成深层次知识内化以及制药工程设计能力的全面提升。