基于虚拟仿真平台的线上线下混合式教学改革研究
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[摘 要] 一方面，互联网信息技术的高速发展对高校教学改革带来了机遇与挑战，另一方面，工业4.0及现代化生产需求的革新使得化工与制药相关专业的学生掌握生产过程自动控制的内容显得越发重要。构建基于在线课程平台的混合式教学模式能够充分发挥线上资源和和线下教学的优势互补。通过优化教学内容、丰富教学互动渠道，提升学生自主学习能力和教师的教学水平。通过虚拟仿真任务化，以虚补实、虚实结合，为学生搭建能力培养平台，从而实现信息技术与课程教学的深度融合，提升高校本科教学的实用性、有效性和高阶性。
[关键词] 混合式教学;教学改革;虚拟仿真;线上线下;自动控制
[基金项目] 现代中药制药过程虚拟仿真实验项目;天津中医药大学“混合式教学”改革项目;天津中医药大学2020年教育教学改革研究课题“面向‘新工科’的‘一流课程’建设探索与实践——以‘制药过程检测与控制’为例”结项成果
[作者简介] 刘 岩（1987—），女，辽宁沈阳人，硕士，讲师，研究方向为中药制药;于 洋（1983—），男，天津人，博士，助理研究员，研究方向为制药工程;刘 睿（1980—），女，天津人，博士，教研室主任，研究方向为中药制剂。
[中图分类号] G642.423 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2020）39-0385-02 [收稿日期] 2019-11-14
一、基于虚拟仿真的混合式教学改革课程介绍
本课程以自动控制系统为主线，通过控制生产过程中的某些重要参数，使其稳定在工艺最优值上，来实现对生产过程的自动控制，从而使生产设备能够稳定高效的运行，得到质量合格、产量稳定的产品。本课程分为“测”和“控”两个方面的内容，“测”是讲解化工制药生产过程中重要参数检测仪表的工作原理和安装使用方法，“控”是使学生比较全面地掌握化工过程自动控制系统的组成、功能及自动控制系统的分析与设计。
二、基于虚拟仿真平台的混合式教学改革目的
1.转变传统的学生学习模式和教师讲授模式。通过生动的在线课程不仅可以抓住学习注意力集中的黄金十分钟，还可以使学生能够自主安排学习时间，改善实体课堂中被动学习、课时紧张、学习渠道单一等问题。在线开放课程建设将围绕“学—练—考—用”4个教学环节，克服在课程教学中容易出现的“散乱、死板、满堂灌”等缺点，培养学生主动思考、抽象思维和严密逻辑推理的能力。同时，采用更加灵活和富有挑战性的混合式教学改革方法，通过线上学生自主学习、线下师生深入互动，结合课堂面授，有效提高学生的学习兴趣和学习投入，提升课程的挑战度，进而有助于提高教学质量[2]，取得更佳的教学效果。实现金课的金不流于形式，而是重在效果！
2.促进以学生为中心的个性化教学改革。教师不应该只是做知识的传授者，而是应该成为能力的培养着。现代社会要求一名合格的大学生应该是知识的运用者而不是知识的搬运工。现代大学应该朝着培养学生具备以下十种能力的方向去努力：主动学习能力、沟通能力、有效协作能力、创造力、抗压能力、领导能力、决策能力、目标划定、自我驱动、不畏得失的能力等。虚拟仿真平台正是给学生提供了不去工厂也能体验到的生产实际环境，让学生学习如何根据工艺流程来控制生产设备的运转与投、出料，让学生学习如何根据实际情况来控制生产过程中的重要参数（被控变量）、让学生了解生产设备的标准操作规程是如何具体实现的，让学生了解生产中突发状况发生后如何进行应急处理（信号连锁保护系统）等。虚拟仿真实现了课堂教学知识的场景化应用，显著提升了学生的学习兴趣和学习成效，实现了产—教—学融合，有助于加快实现价值塑造、能力培养、知识传授“三位一体”的人才培养新模式。
三、基于虚拟仿真平台的混合式教学改革举措
1.课程建设目标化，线上线下互补，落实人才培养方案，适应产业需求。现代中药制药工业是中国大健康产业的主要支柱产业，也是国民经济和社会发展的重要组成部分。但是目前，现代中药制药行业面临着整体生产技术水平较低，原料与能量浪费严重困境，亟需大量专业的工程技术人员，实现行业的整体技术产业转型升级，以满足不断增长国民健康产业的需求。
笔者整合了多年来一线教学与教改经验，录制了《制药过程自动控制》的在线视频课程，将本课程所有知识点进行重新梳理、重新分配、重新整合，将课程分为过程参数的检测（“测”）和过程自动控制（“控”）两个部分，“测”的部分让学生掌握化工制药生产过程主要工艺参数（温度、压力、流量及物位）的测量方法及其仪表的工作原理、选型与安装。“控”的部分让学生掌握化工过程自动控制的基本知识，掌握自动控制系统的组成、控制原理及各环节的作用，熟悉自动控制系统的投运及控制器的参数整定。进而培养学生能够为自控设计提供正确的工艺条件和数据;能根据生产过程的特点和控制要求，制定合理的自动控制方案，并能够维护和改善控制系统的运行状况等能力。
2.课程资源模块化，建设长效激励机制，鼓励学生学习与教师教学的自我提升。以能力需求为主线，进行混合式课程的单元逐级拆分教学内容，直至不可拆分的知识点，然后制定每个知识点的教学目标，再以依托网络教学平台，整合丰富数字化教学资源，实现教学资源的全覆盖，使学生在每个教学单元中，通过课前网络学习、在线测试、见面课程、虚拟仿真平台操作，以及线下答疑讨论、成果展示、撰写论文或设计方案等形式等教学活动的设计与实施，线上线下结合、师生互动、虚拟仿真与真实案例结合，基本实现了低层次认知理解到高层次的辨别、讨论、设计创造能力的培养，达到提升教学质量，促进应用型人才培养的目的。需要注意的是线上资源与线下课程要做到相互配合。首先，把知识的介绍搬到线上，让学生对重点知识点进行初步学习和理解，把固定的集中式被动式接受转变为零散的自主式的主动学习，并通过引导性问题辅助学生深入思考理解。然后，把能力的培养放在见面课与仿真课上，一方面在见面课上根据学生课前测试、线上讨论和调研的结果，有目的有偏重的讲授重点难点知识，避免大水漫灌式的长篇大论，也可以灵活设计课程主题，比如采用问答的形式覆盖本章重难点，帮助学生进一步理解，组织学生进行角色扮演来模拟自控系统的工作过程，進一步培养学生对知识点的应用能力;另一方面利用虚拟仿真平台给学生提供知识应用情景和操作任务，甚至能够实现一些关键技术环节的考核，培养学生的实际生产过程控制能力及控制系统的设计与投运能力。最后，教师总结反思实施过程中的效果及存在的不足，不断完善教学方案，进一步促进后续教学效果的提升。
3.虚拟仿真任务化，以虚补实、虚实结合，为学生搭建能力培养平台。仿真平台能够给学生一定的情景和操作任务，好的平台甚至能够进行一些关键技术环节的考核，但是知识的全面性和系统性学习，还是要在混合式教学中完成。《制药过程自动控制》这门课的虚拟仿真平台可以基于真实的制药生产流程中的每一环节进行设计，使得学生不仅能够进一步深入熟悉制药设备运行原理与制药过程生产操作步骤（SOP），还能够运行或设计相应的控制系统来调节或稳定生产过程的主要参数。这样，一方面可以通过具体的生产设备与生产环境给学生以具体的形象，让学生身临其境地学习实践，将校外实习校内化，将走马观花式的参观转变为实际操作的真实场景演习;另一方面，将混合式教学与虚拟仿真实验有机结合，通过混合式教学让学生掌握制药过程控制的基本理论与基本方法，通过虚拟仿真实验培养学生的工艺设计能力、生产过程控制能力、分析与解决工程问题能力、批判性学习能力、工程思维能力、团队合作能力、多学科交叉学习与创新能力等，守初心、担使命、找差距、抓落实，实现一加一大于二的效果。
参考文献
[1]刘燕，杨光华，闰昭.化工自动化控制及其应用[J].化学工程与装备，2010，（10）：137-138+136.
[2]李逢庆.混合式教学的理论基础与教学设计[J].现代教育技术，2016，26（9）：18-24.
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