基于虛擬仿真平臺的線上線下混合式教學(xué)改革研究

劉巖 于洋 劉睿 尹光偉 郜鑫 駱溢嫻 賈欣陶

[摘 要] 一方面，互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)的高速發(fā)展對高校教學(xué)改革帶來了機遇與挑戰(zhàn)，另一方面，工業(yè)4.0及現(xiàn)代化生產(chǎn)需求的革新使得化工與制藥相關(guān)專業(yè)的學(xué)生掌握生產(chǎn)過程自動控制的內(nèi)容顯得越發(fā)重要。構(gòu)建基于在線課程平臺的混合式教學(xué)模式能夠充分發(fā)揮線上資源和和線下教學(xué)的優(yōu)勢互補。通過優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、豐富教學(xué)互動渠道，提升學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力和教師的教學(xué)水平。通過虛擬仿真任務(wù)化，以虛補實、虛實結(jié)合，為學(xué)生搭建能力培養(yǎng)平臺，從而實現(xiàn)信息技術(shù)與課程教學(xué)的深度融合，提升高校本科教學(xué)的實用性、有效性和高階性。

[關(guān)鍵詞] 混合式教學(xué);教學(xué)改革;虛擬仿真;線上線下;自動控制

[基金項目] 現(xiàn)代中藥制藥過程虛擬仿真實驗項目;天津中醫(yī)藥大學(xué)“混合式教學(xué)”改革項目;天津中醫(yī)藥大學(xué)2020年教育教學(xué)改革研究課題“面向‘新工科的‘一流課程建設(shè)探索與實踐——以‘制藥過程檢測與控制為例”結(jié)項成果

[作者簡介] 劉 巖（1987—），女，遼寧沈陽人，碩士，講師，研究方向為中藥制藥;于 洋（1983—），男，天津人，博士，助理研究員，研究方向為制藥工程;劉 睿（1980—），女，天津人，博士，教研室主任，研究方向為中藥制劑。

[中圖分類號] G642.423 ? ?[文獻標識碼] A ? ?[文章編號] 1674-9324（2020）39-0385-02 ? ?[收稿日期] 2019-11-14

一、基于虛擬仿真的混合式教學(xué)改革課程介紹

本課程以自動控制系統(tǒng)為主線，通過控制生產(chǎn)過程中的某些重要參數(shù)，使其穩(wěn)定在工藝最優(yōu)值上，來實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的自動控制，從而使生產(chǎn)設(shè)備能夠穩(wěn)定高效的運行，得到質(zhì)量合格、產(chǎn)量穩(wěn)定的產(chǎn)品。本課程分為“測”和“控”兩個方面的內(nèi)容，“測”是講解化工制藥生產(chǎn)過程中重要參數(shù)檢測儀表的工作原理和安裝使用方法，“控”是使學(xué)生比較全面地掌握化工過程自動控制系統(tǒng)的組成、功能及自動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計。

二、基于虛擬仿真平臺的混合式教學(xué)改革目的

1.轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的學(xué)生學(xué)習(xí)模式和教師講授模式。通過生動的在線課程不僅可以抓住學(xué)習(xí)注意力集中的黃金十分鐘，還可以使學(xué)生能夠自主安排學(xué)習(xí)時間，改善實體課堂中被動學(xué)習(xí)、課時緊張、學(xué)習(xí)渠道單一等問題。在線開放課程建設(shè)將圍繞“學(xué)—練—考—用”4個教學(xué)環(huán)節(jié)，克服在課程教學(xué)中容易出現(xiàn)的“散亂、死板、滿堂灌”等缺點，培養(yǎng)學(xué)生主動思考、抽象思維和嚴密邏輯推理的能力。同時，采用更加靈活和富有挑戰(zhàn)性的混合式教學(xué)改革方法，通過線上學(xué)生自主學(xué)習(xí)、線下師生深入互動，結(jié)合課堂面授，有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)投入，提升課程的挑戰(zhàn)度，進而有助于提高教學(xué)質(zhì)量[2]，取得更佳的教學(xué)效果。實現(xiàn)金課的金不流于形式，而是重在效果！

2.促進以學(xué)生為中心的個性化教學(xué)改革。教師不應(yīng)該只是做知識的傳授者，而是應(yīng)該成為能力的培養(yǎng)著?，F(xiàn)代社會要求一名合格的大學(xué)生應(yīng)該是知識的運用者而不是知識的搬運工?，F(xiàn)代大學(xué)應(yīng)該朝著培養(yǎng)學(xué)生具備以下十種能力的方向去努力：主動學(xué)習(xí)能力、溝通能力、有效協(xié)作能力、創(chuàng)造力、抗壓能力、領(lǐng)導(dǎo)能力、決策能力、目標劃定、自我驅(qū)動、不畏得失的能力等。虛擬仿真平臺正是給學(xué)生提供了不去工廠也能體驗到的生產(chǎn)實際環(huán)境，讓學(xué)生學(xué)習(xí)如何根據(jù)工藝流程來控制生產(chǎn)設(shè)備的運轉(zhuǎn)與投、出料，讓學(xué)生學(xué)習(xí)如何根據(jù)實際情況來控制生產(chǎn)過程中的重要參數(shù)（被控變量）、讓學(xué)生了解生產(chǎn)設(shè)備的標準操作規(guī)程是如何具體實現(xiàn)的，讓學(xué)生了解生產(chǎn)中突發(fā)狀況發(fā)生后如何進行應(yīng)急處理（信號連鎖保護系統(tǒng)）等。虛擬仿真實現(xiàn)了課堂教學(xué)知識的場景化應(yīng)用，顯著提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)成效，實現(xiàn)了產(chǎn)—教—學(xué)融合，有助于加快實現(xiàn)價值塑造、能力培養(yǎng)、知識傳授“三位一體”的人才培養(yǎng)新模式。

三、基于虛擬仿真平臺的混合式教學(xué)改革舉措

1.課程建設(shè)目標化，線上線下互補，落實人才培養(yǎng)方案，適應(yīng)產(chǎn)業(yè)需求。現(xiàn)代中藥制藥工業(yè)是中國大健康產(chǎn)業(yè)的主要支柱產(chǎn)業(yè)，也是國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的重要組成部分。但是目前，現(xiàn)代中藥制藥行業(yè)面臨著整體生產(chǎn)技術(shù)水平較低，原料與能量浪費嚴重困境，亟需大量專業(yè)的工程技術(shù)人員，實現(xiàn)行業(yè)的整體技術(shù)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，以滿足不斷增長國民健康產(chǎn)業(yè)的需求。

筆者整合了多年來一線教學(xué)與教改經(jīng)驗，錄制了《制藥過程自動控制》的在線視頻課程，將本課程所有知識點進行重新梳理、重新分配、重新整合，將課程分為過程參數(shù)的檢測（“測”）和過程自動控制（“控”）兩個部分，“測”的部分讓學(xué)生掌握化工制藥生產(chǎn)過程主要工藝參數(shù)（溫度、壓力、流量及物位）的測量方法及其儀表的工作原理、選型與安裝?！翱亍钡牟糠肿寣W(xué)生掌握化工過程自動控制的基本知識，掌握自動控制系統(tǒng)的組成、控制原理及各環(huán)節(jié)的作用，熟悉自動控制系統(tǒng)的投運及控制器的參數(shù)整定。進而培養(yǎng)學(xué)生能夠為自控設(shè)計提供正確的工藝條件和數(shù)據(jù);能根據(jù)生產(chǎn)過程的特點和控制要求，制定合理的自動控制方案，并能夠維護和改善控制系統(tǒng)的運行狀況等能力。

2.課程資源模塊化，建設(shè)長效激勵機制，鼓勵學(xué)生學(xué)習(xí)與教師教學(xué)的自我提升。以能力需求為主線，進行混合式課程的單元逐級拆分教學(xué)內(nèi)容，直至不可拆分的知識點，然后制定每個知識點的教學(xué)目標，再以依托網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，整合豐富數(shù)字化教學(xué)資源，實現(xiàn)教學(xué)資源的全覆蓋，使學(xué)生在每個教學(xué)單元中，通過課前網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)、在線測試、見面課程、虛擬仿真平臺操作，以及線下答疑討論、成果展示、撰寫論文或設(shè)計方案等形式等教學(xué)活動的設(shè)計與實施，線上線下結(jié)合、師生互動、虛擬仿真與真實案例結(jié)合，基本實現(xiàn)了低層次認知理解到高層次的辨別、討論、設(shè)計創(chuàng)造能力的培養(yǎng)，達到提升教學(xué)質(zhì)量，促進應(yīng)用型人才培養(yǎng)的目的。需要注意的是線上資源與線下課程要做到相互配合。首先，把知識的介紹搬到線上，讓學(xué)生對重點知識點進行初步學(xué)習(xí)和理解，把固定的集中式被動式接受轉(zhuǎn)變?yōu)榱闵⒌淖灾魇降闹鲃訉W(xué)習(xí)，并通過引導(dǎo)性問題輔助學(xué)生深入思考理解。然后，把能力的培養(yǎng)放在見面課與仿真課上，一方面在見面課上根據(jù)學(xué)生課前測試、線上討論和調(diào)研的結(jié)果，有目的有偏重的講授重點難點知識，避免大水漫灌式的長篇大論，也可以靈活設(shè)計課程主題，比如采用問答的形式覆蓋本章重難點，幫助學(xué)生進一步理解，組織學(xué)生進行角色扮演來模擬自控系統(tǒng)的工作過程，進一步培養(yǎng)學(xué)生對知識點的應(yīng)用能力;另一方面利用虛擬仿真平臺給學(xué)生提供知識應(yīng)用情景和操作任務(wù)，甚至能夠?qū)崿F(xiàn)一些關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)的考核，培養(yǎng)學(xué)生的實際生產(chǎn)過程控制能力及控制系統(tǒng)的設(shè)計與投運能力。最后，教師總結(jié)反思實施過程中的效果及存在的不足，不斷完善教學(xué)方案，進一步促進后續(xù)教學(xué)效果的提升。

3.虛擬仿真任務(wù)化，以虛補實、虛實結(jié)合，為學(xué)生搭建能力培養(yǎng)平臺。仿真平臺能夠給學(xué)生一定的情景和操作任務(wù)，好的平臺甚至能夠進行一些關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)的考核，但是知識的全面性和系統(tǒng)性學(xué)習(xí)，還是要在混合式教學(xué)中完成。《制藥過程自動控制》這門課的虛擬仿真平臺可以基于真實的制藥生產(chǎn)流程中的每一環(huán)節(jié)進行設(shè)計，使得學(xué)生不僅能夠進一步深入熟悉制藥設(shè)備運行原理與制藥過程生產(chǎn)操作步驟（SOP），還能夠運行或設(shè)計相應(yīng)的控制系統(tǒng)來調(diào)節(jié)或穩(wěn)定生產(chǎn)過程的主要參數(shù)。這樣，一方面可以通過具體的生產(chǎn)設(shè)備與生產(chǎn)環(huán)境給學(xué)生以具體的形象，讓學(xué)生身臨其境地學(xué)習(xí)實踐，將校外實習(xí)校內(nèi)化，將走馬觀花式的參觀轉(zhuǎn)變?yōu)閷嶋H操作的真實場景演習(xí);另一方面，將混合式教學(xué)與虛擬仿真實驗有機結(jié)合，通過混合式教學(xué)讓學(xué)生掌握制藥過程控制的基本理論與基本方法，通過虛擬仿真實驗培養(yǎng)學(xué)生的工藝設(shè)計能力、生產(chǎn)過程控制能力、分析與解決工程問題能力、批判性學(xué)習(xí)能力、工程思維能力、團隊合作能力、多學(xué)科交叉學(xué)習(xí)與創(chuàng)新能力等，守初心、擔(dān)使命、找差距、抓落實，實現(xiàn)一加一大于二的效果。

參考文獻

[1]劉燕，楊光華，閏昭.化工自動化控制及其應(yīng)用[J].化學(xué)工程與裝備，2010，（10）：137-138+136.

[2]李逢慶.混合式教學(xué)的理論基礎(chǔ)與教學(xué)設(shè)計[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2016，26（9）：18-24.