地方高校国家级实验教学示范中心探索与实践
发布时间：2019-12-26
摘 要: 为提高学生工程素质，推动工程教育人才培养，国家级化工制药实验教学中心多年来积极进行实验教学改革与探索，创新实验教学体系、优化实验教学模块，合理配置实验教学资源、增强师资队伍工程背景，将中心着力打造为具有工程特色的实验教学平台，并形成了以工程教育理念为核心，以提高学生工程素质为目的，以厚基础、重实践为途径的教学理念。实验教学内容实现了由理论教学向工程教育的转变，工程元素显著增加，促进了学生工程素质和创新能力的提高。
关键词: 实验教学示范中心; 工程教育; 实验教学平台; 实验教学体系
0 引 言
随着经济社会的巨大变革和高等教育的历史性跨越，工程教育已成为工科专业的发展方向，推动工程教育人才培养必然要依托优质的实验教学平台的建设[1-2]。河北科技大学秉承国家级实验教学示范中心建设目标，以实验教学改革为抓手，围绕国家级实验教学示范中心建设内容，进行实验教学体系、模式改革，提高实验教学队伍素质，搭建实验教学平台，着力打造工程教育特色鲜明的实验中心，从而实现学生工程素质和实践能力的培养，中心在建设过程中紧密结合化工制药及相关学科发展，密切关注区域经济发展需要，在实验教学理念、体系、平台、师资和设备设施等方面进行了深入的研究与探索[3-4]。
1 中心基本情况
中心建设历程可追溯到 1972 年建立的化工基础实验室，1984 年建成了当时全国规模最大的化工原理实验室，1993、1995 年先后建成化工专业实验室和制药专业实验室，1997 年建成拥有先进分析仪器的仪器分析测试中心，2000 年上述部门经过整合后成立化工制药实验教学中心，2007 年中心建成药物制剂实训基地和工程教学观摩基地，2017 年新增柔性化学制药生产虚拟仿真实验基地和对乙酰氨基酚生产模拟车间。目前中心面积约 6 500 m2 ，仪器设备共 6 200 余台 ( 套) ，总值约 7 000 万元。教学范围覆盖了化工、制药、药学、环境、生物、材料、纺织等 7 个学科 15 个专业和 6 个硕士点的实验实习，科技活动和科研工作，受益学生达 2 000 余人/年，实验教学人时数超过 14 万人时/年。中心 2008 年获批国家级实验教学示范中心， 2012 年通过教育部验收。
2 实验教学改革与探索
2. 1 形成实验教学新理念
在多年建设过程中，中心根据社会技术需求结合专业特点，逐步形成了新的发展理念[5-6]: 以能力培养为核心，以创新实验教学模式、推进教学改革为动力，以实验教学平台、精品课程、教学改革项目为依托，有效利用学校和行业企业的优质教学资源，培养具有较强工程实践能力的工程应用型人才。
2. 2 设计实验教学新模式
中心将新理念贯穿于教学与科研全过程，根据从基础到创新逐步深入的实验内容层次，通过不同的教学方法和管理模式，针对不同层次的学生，完成从基本技能的培养逐渐提升为解决工程问题能力和创新能力的提高。形成了“基础—综合—设计—创新”实验教学模式( 见表 1) 。
2. 3 构建递进型实验教学体系
根据学生年级递增设计逐步复杂的实验教学内容，低年级注重专业课程和专业实验的衔接，高年级注重基础实验和工程设计的衔接，同时将实验操作技能和工程设计能力的训练相结合，以创新能力和工程素质的培养为毕业要求，构建了分层次、分模块、相互衔接的“基础—综合—设计—创新”递进型实验教学体系[7-8]( 见图 1) 。
( 1) 基础性实验模块。基础性实验的学习主要通过化工原理演示实验和部分经典单元操作完成，主要目标是培养学生的工程观点，将理论和实际结合起来，巩固学生所学理论知识，对工程产生基本的感性认识。中心教师将工厂工业化特征引入实验教学中，学生通过完成经典的专业实验，初步对实际工业生产过程产生的直观认识。
( 2) 综合性实验模块。综合性实验要求学生在已有的流程指导下完成整套的实验操作，并从工程角度分析讨论结果。学生自己动手对多种设备进行拆装，并完成拆卸-组装-运行的完整流程，在此过程中学生对设备内部结构和使用方法得到了系统地学习，训练学生综合分析问题能力。
( 3) 设计性实验模块。设计性实验不仅包括复杂化学实验的设计和验证，而且包括复杂工程生产的设计。这两种方式在学生能力培养上各有侧重，分别从科研创新能力和工程素质两个方面对学生的综合能力进行了训练和培养。
( 4) 创新性实验模块。创新性实验对素质较高和感兴趣的学生开设，遵循兴趣驱动、自主实验、重在过程的原则完成实验过程，教师提出具有探索性、与工厂实际紧密结合的研究目标，学生则通过查阅资料、自主学习，自行确立实验研究方案，对方案及技术路线进行可行性分析，并在实施过程中不断调整优化创新，最终得到较完整的研究报告。
2. 4 搭建工程实验平台
( 1) 基础实验平台。基础实验平台主要由化工原理实验中的设备模型展示和演示实验构成，演示装置有实物有模型、种类齐全，经典单元操作实验装置均为教师在充分考虑到工程实践性的基础上自主研发、量身订制，大部分装置达到了中试规模，为培养学生工程观点、训练学生解决工程问题能力打下基础。
( 2) 综合实验平台。综合实验平台是在基础实验平台上引入计算机仿真技术、数字化在线显示技术等现代化教学手段，将单一的手动操作、人工数据处理发展为计算机仿真、数字化显示、计算机数据处理等[9]。同时学生在实验过程中设计多重实验装置，使学生根据不同要求完成实验，对实验结果做出效果评估，并从工程角度分析讨论结果。
( 3) 设计实验平台。设计实验平台由吸收、膜分离、吸附、蒸馏、结晶等设计性实验室组成。每个设计性实验装置均具有在一定范围内改变流程、设备参数以及操作参数的特点，使学生在该类实验中能够根据实验目标设计流程、组装设备和调整参数。在设计性实验中，学生根据自己的兴趣自主报名，教师对学生提出实验目标，要求在规定时间内写出实验项目建议书 ( 内容包括文献综述、方案建议、仪器药品) ，学生进入实验室后，在教师的指导下进行相关实验准备、流程安装调试、实验并整理实验数据，最后写出完整的实验报告。设计实验使得学生的系统思维、流程设计、实验设计等方面的能力得到极大锻炼。
( 4) 工程设计平台。工程设计平台是由化工设计研究所和工程设计室组成[10]。课程设计实践教学环节不仅对课本理论知识起到巩固深化，扩展及融会贯通，而且可使学生更加深掌握所学的基本知识，基本理论，提高学生的工程设计能力，课程设计不但要求学生设计绘制传统的二维图，还要求学生对所选用的主要设备进行 1∶ 1的三维造型，将三维设备图按生产工艺流程图组装在一起，在组装过程中，学生能够对每台设备的内外部结构、各个细节、设备大小等进行详尽了解，培养学生的空间思维能力，全面有效提高学生的工程设计能力。
( 5) 实习实训平台。实习实训平台由工程教学观摩基地、药物制剂实训基地、化学制药生产虚拟仿真实验基地和对乙酰氨基酚生产模拟车间( 见图 2) 及校外实习基地 5 部分组成，学生通过实训平台对企业生产进行较为深入了解，弥补实际生产操作的不足[11-12]。工程教学观摩基地展示了合成氨模拟生产流程( 煤为原料，水和空气为流动介质) 、200 余件常用生产设备 ( 剖视) 和 120 余种工业催化剂。药物制剂实训基地提供常规制剂及现代制剂的生产工艺、生产设备与药物制剂质量控制手段，具有药物制剂生产、质量控制、药用植物提取 3 个实训单元，弥补专业实验与生产实际脱节、企业实习不能操作关键仪器设备的缺陷。对乙酰氨基酚生产模拟车间拥有 2 条中试生产线，并配有洁净车间和控制室，学生可在该实训基地学习到完整的药物生产过程，弥补了不能进入药厂学习的短板。化学制药生产虚拟仿真实验中心( 在建) 开设原料药生产仿真教学和柔性反应单元仿真教学，分别为阿司匹林生产 3D 虚拟现实仿真教学和酰化反应、硝化反应、磺化反应 3 个制药合成反应单元仿真教学，学生通过虚拟仿真实验学习，能够更好掌握反应原理知识与真实装置生产之间的衔接关系，弥补原料药生产车间学习深度不足的短板。
( 6) 创新实验平台。为了满足学生的需要，中心筹建了自主创新实验室。在专业实验室和科研实验室开展科研创新活动，需要教师给与一定的指导和帮助。自主创新实验室则几乎完全由学生自行开展科研创新活动，学生在查阅资料的基础上，提出具有探索性、研究方案及技术路线可行、实施条件可靠的科研题目，综合应用所学知识设计实验方案、设计流程、安装调试装置、拟定操作程序、动手实验、对实验结果进行分析和讨论实验室提供必要的实验条件和仪器药品[13-14]。
2. 5 深化管理体制改革
在校、院二级管理下，中心主任( 1 人) 全面负责中心工作; 常务副主任( 1 人) 负责中心日常管理工作; 技术副主任( 3 人) 分管中心教学安排、仪器药品购置、安全管理、师资管理等工作。中心具有规范的实验教学文档，例如“实验教学进程表”“专业实验讲义”“实验成绩表”“实验成绩分析单”等对实验教学的质量跟踪反馈[12]。中心不仅具有完善的人员、仪器、药品等各方面的对内管理制度，而且积极规范对外开放合作，建立了完善的校外合作机制，仪器设备 进 行“动 态 管理”，实现资源高度共享。
2. 6 优化师资队伍
中心依据学校人才引进和管理办法，结合中心业务需求，制定了实验室发展和实验队伍建设长期规划，吸引年轻博士到中心锻炼，先后有 17 名博士加入专职实验教师队伍; 为提高中心教师工程技术背景，要求青年教师必须经过 3 ～ 6 个月的工程实践培训，深入到企业中去学习、实习; 中心以教学研究立项形式，对于承担实验教学课题、发表高水平教学研究论文、编写实验教学指导书的教师给予资助，对于在各种竞赛中获奖和在公开刊物上发表论文的学生指导教师给予奖励; 加强管理人员和实验技术人员的培训，以在职在岗的方式参加短期培训和观摩学习为主，部分人员安排脱产进修，重点培养。中心先后选送 10 余名教师赴南京工业大学、英国利物浦大学等国内外高校短期学习交流，安排教师到其它高校国家级实验教学示范中心建设单位观摩学习 100 余人次。中心多措并举，采用外引内培、专兼结合、编临结合、吸纳研究生参与实验教学等措施，有效解决了队伍老化、结构不合理等问题。
3 中心建设成效
( 1) 实验突出工程特色，工程教育不断增强。秉承学校“艰苦奋斗、自强不息”的校风，自主研制开发实验装置占 60% 以上，单元操作实验装置达到中试规模，形成了鲜明的工程特点，增加了综合性、设计性、创新性实验，为培养工程应用型人才提供了良好的平台。作为平台支撑，化学工程与工艺专业和制药工程专业分别于 2015、2017 年通过全国工程教育认证。
( 2) 科研渗透教学，实验教学成果丰硕。依托中心平台，近 5 年学生在国家级、省级挑战杯大学生课外科技竞赛、节能减排、化工设计、制药工程设计大赛、三维数字化设计竞赛、中国互联网 + 大学生创新创业等竞赛中获奖 105 项，承担国家级、省级大学生创新创业训练计划项目 32 项。中心教师承担河北省高等学校创新创业教育教学改革研究与实践、河北省示范性虚拟仿真实验教学项目等省级教改项目 6 项，获河北省教学成果奖 2 项，发表教学研究论文 60 余篇。
( 3) 发挥示范作用，校际交流不断扩展。实验中心承办了教育部制药工程专业教学指导委员会年会等国内学术会议 3 次，中心教师参加各种会议交流 200 余人次。中心建设经验在全国制药工程专业教学研讨会、实验教学示范中心主任联席会、高校应用技术中心建设与管理交流会等大会上进行介绍交流，并与燕山大学、河北医药化工职业技术学院等高校进行实验中心建设经验交流。先后有中国石油大学、合肥工业大学、浙江大学宁波理工学院、黄淮学院、河北工业大学、泉州师范学院等 50 余所大学同行来实验中心参观交流，共接待国内外高校参观学习 300 余人次。为企业技术人员培训 3 000 余人次，其他院校学生来校观摩、实验 1 600 人次。
4 结 语
化工制药实验教学中心在多年的建设中，将教学理念由理论教学向为工程教育转变，在实验中增加工程内容，在实验设施升级改造中更多地引入工程元素，凸显中心的工程特色。中心实验教学即满足了学生兴趣，使学生个性潜能得到充分发挥，突出了化工制药专业人才培养特色，实现了学生工程素质和创新能力的提高。
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