发布时间:2023-04-08 11:36:17
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所谓多场分布,就是指发酵生物反应器中受到的多种物理因素影响,导致反应器内基质、产物等在浓度和温度上发生改变,从而对反应速率产生极大的影响,这些物理因素即为温度分布、速度分布和浓度分布。以发酵液中的反应为例,其反应的最终结果都与这些多场分布因素有关,如氧的传质速率、菌丝团以及菌体的内反应组分传质,还有固定化酶等等,都是主要的影响因素。在很多情况下,这些影响因素在影响反应过程的同时,还会起到主导反应的作用,即为发酵罐内反应的控制环节。所以,在发酵罐中的各项反应中,传递特性的作用十分关键,它的研究对于发酵罐内化学工程的研究来说具有良好的现实意义,并且为以后的发酵过程控制理论的完善奠定了基础。
2乙醇提纯工艺中所涉及的化学工程问题
乙醇提纯的主要工艺方法在进行乙醇的发酵工艺时,水是反应中必须要产生的物质之一,于是乙醇的提纯工艺就落到了水与乙醇的分离工艺上。基于化学原理上分析,这种提纯工艺可以采用精馏法,可以采用吸附法、共沸精馏、萃取精馏,也可以采用渗透气化膜分离法等等。一般来说,乙醇在发酵液中的质量分数在5%到12%之间,但是工业用乙醇的质量分数却在90%以上,那么这就给乙醇的提纯工艺提出了一定的挑战,采用传统的精馏方法已经无法满足工业的要求。由此,可以将发酵液中的乙醇混合物分两步进行提纯,首先,利用普通的精馏提纯方法得到质量分数为92.4%的乙醇,然后再利用萃取、共沸、吸附等精馏方法得到高纯度的工业乙醇。精馏这种乙醇提纯方法已经发展多年,其工艺与流程也比较成熟,然而在这种精馏过程中由于产生很高的热量,造成的能耗很高,并且在此过程中对于回流的要求也越来越高,大大增加了精馏成本。综上,在传统的乙醇提纯工艺上还具有很大的发展与创新空间,可以从设备配置、生产效率以及工程理论上进一步研究,得出更适合现代工业发展的有效方法。目前,这种工艺方法已经有所突破,如分类与反应过程耦合的方法,就是创新的代表。在燃料乙醇方面,乙醇的纯化可以采用的方法为多塔精馏,同时结合向乙醇混合液中增加原有体系分离因子的萃取精馏等,也可以利用膜蒸发分离的办法,其优点是降低能耗,避免污染环境。此外,吸附的办法在燃料乙醇纯化工艺中还没有很成熟的使用,需要进一步的探讨。现阶段,燃料乙醇生产工艺的研究,主要集中于单一操作过程,如吸附脱水共沸物、渗透蒸发、萃取精馏等,将这些单一过程组合研究的文章不多。实际的燃料乙醇纯化研究中,计算机仿真的应用开始不断增多,它在进行不同单元组合的反应规律研究上十分有利。此外人工智能方面在乙醇纯化工程模拟中也有很多的应用,对于条件限定后的每个单元操作以及分离流程耦合的筛选等都是工程模拟中的主要内容。由此可见,流程组合的研究已经上升到计算机时代,不再需要传统的凭经验进行流程与工艺的确定了。
3生物发酵反应与分离耦合反应
就目前的燃料乙醇工艺研究而言,主要为基础研究工作,如过程放大、生物反应与分析过程耦合、流程创新、工艺流程创新等。生物发酵反应与分离耦合。不是两者的简单结合,而是一种流程耦合,属于一种创新的技术和理论。如果化学反应结束后就可以直接得到产品,那么反应过程就是相应的过程,而在工程上所说的反应过程则是综合性的过程,包括方法、设备以及问题处理的过程。这其中形成了分离工程,利用能量与物质的传递、化学反应以及流体力学等相关知识,由此说明耦合问题可以进行,并且能够完成相关问题的解决,并且可以将生物发酵看作是耦合过程,用于提高发酵与分离效率,这种方法大大促进了燃料乙醇工艺的发展。它利用了工艺改善,采用了创新的方法,实现了工艺过程最优化,这是化学工程发展的最新契机,多场耦合的研究意义重大,为未来的发展与进步指明了方向。
4结语
校企联合培养模式将高校的教育科研优势与企业的工程实践优势结合起来,兼顾了化学工程专业硕士在基础知识水平及应用能力上的培养要求,并已在专业硕士培养中起到了突出作用。但不可否认的是,目前校企联合培养仍存在一些问题。
(一)校企合作形式与内容
校企合作形式是影响联合培养的最重要因素。重点大学及行业特色型大学由于其品牌和行业影响力而在校企合作培养研究生方面有显著的优势。以中国石油大学为例,该校立足于石油石化行业和领域,面向东营胜利油田和青岛近海油气田及两地相关产业开展人才培养,是国内化学工程专业硕士校企合作效果最好的高校之一。然而,国内大部分地方高校与企业之间的合作形式仍较为初级,特别是地方高校受到学校科研实力、学校办学层次和软硬件条件等因素的制约,校企之间的相互联系多建立在项目合作和个人感情联系的基础上,未形成长效机制。如果企业负责人离职或合作项目中断,则联合培养将大受影响甚至停滞。此外,部分地方企业创新意识不强或过分追求“短平快”的项目,都将影响人才持续培养机制,无法实现良性循环。从人才需求角度来看,地方经济状况的优劣也会明显影响企业的人才需求,进而直接影响校企合作的基础。
(二)导师
很多高校的校内导师过度倚重发表学术论文,或者一直从事基础理论研究,缺乏应用研究项目和研究经验。该类导师在指导专业学位研究生时往往延续过去的研究思路和方向,以学术型研究生模式培养专业学位研究生,最终导致毕业生与企业要求相差甚远。此外,很多校外导师是企业的高管或主要负责人,日常事务繁忙,对自己负责的学生疏于管理和指导。学生在企业或沦为廉价劳动力,或实践流于形式,达不到应有的效果。
(三)培养过程
国内各高校的化学工程专业硕士的主要管理和培养政策已经基本齐备,但仍有部分政策还在修改和制订过程中。很多高校在课程体系构建、考核方式、实践内容等方面没有将专业学位研究生与学术型研究生加以区别,未能体现出专业学位职业性、应用性的特点。与企业生产实际密切相关的课程开设不足也是目前国内高校化学工程专业硕士培养普遍存在的问题。
(四)生源
对于重点高校,无论是学术型硕士或专业学位硕士均呈现“供大于求”的局面,学校可以从容择优录取。而地方高校的专业学位认可度普遍较低,直接导致部分优秀生源流失,毕业生质量也因此受到影响。
(五)其他问题
部分地方高校在导师激励政策、学生奖励机制等方面不够完善,由此产生了导师因专业学位学生花费多、产出少而不愿意接受专业学位学生的情况;学生也因在奖学金等方面无法与学术型研究生竞争而影响了科研积极性。
二、方针与措施
鉴于以上问题,我们以山西大学与三维集团合作构建的“山西省催化技术研究生教育创新中心”为平台,通过深入探索山西煤化工转型对化学工程专业研究生教育的影响,从合作模式、导师管理、课程体系构建、健全和完善各项制度等方面进行改革,并力图构建一种符合山西省化工行业需求的化学工程专业学位研究生培养模式。
(一)校企合作平台的构建
构建校企合作平台是稳定专业学位硕士培养质量的根本措施。2002年,化学化工学院的研究生就因项目需要而在三维集团进行数月至一年的工业侧线实验。随着双方项目合作的深入,进入企业实践的学生人数不断增多,而企业的技术人员也积极参加山西大学的博士或在职工程硕士考试,双方实现了人才培养上的互动。在此基础上,2004年双方共建了“精细化工催化与反应工艺共建实验室”,实现了校企层面的科研平台构建。2007年底,经山西省经委、山西省教育厅、山西省产学研工程领导组批准,校企双方通过政府层面建立了“山西省催化技术研究生教育创新中心”。随着相关管理制度逐步完善,该中心不但成为研究生培养的创新实践平台,也逐渐成为高校和企业间的技术、人才交流平台,并为企业技术带头人的知识更新和产业技术升级提供了支撑。近年来,山西大学积极开展“煤基资源高值循环利用协同创新中心”的建设,拓展多方合作关系。目前研究生教育创新中心的企业平台已包括阳煤集团、潞安集团、河南煤业集团等大型煤化工企业,未来还将探索与中科院山西煤化所、中科院大连化物所、中科院过程所等研究所合作培养研究生的可能性。综上所述,山西大学化学工程领域的校企合作经历了如下发展历程:校企合作项目牵引建立校企层面的科研合作平台建立政府层面的研究生教育创新中心建立多方参与的校企科研教育合作平台。其中,多方平台的建立不但解决了科研项目延续性、科学性的问题,更有利于实现校企联合培养的长效性和持续性。
(二)管理体制创新
为进一步提高专业学位研究生教育水平,我们就专业学位研究生的管理体制方面开展了改革创新。研究生院成立了“专业学位管理办公室”,负责与专业学位相关的政策制订、学科建设、品牌建设,以及对各培养单位进行管理、督导和服务等工作。学院成立了相关的“专业学位教育中心”,负责相关专业学位研究生的招生、培养、师资队伍建设、实践基地建设等工作。化学化工学院以“山西省催化技术研究生教育创新中心”为基础,吸纳了相关学科负责人和校外导师,共同承担化学工程专业学位教育中心的职责。上述举措有利于各培养单位积极发挥主观能动性,形成符合各自专业实践特点的培养模式。
(三)导师遴选及评聘制度改革
山西大学研究生院根据各专业学位培养单位的具体情况,制订了详细的校内导师、企业导师评聘制度。特别是对企业导师实行“一年一考核,三年一聘”的管理办法。在学院教育中心层次上,化学化工学院成立了化学工程硕士指导小组,以“山西省催化技术研究生教育创新中心”为核心,吸纳其他理科或相关学科导师,实现导师之间的理工优势互补,在一定程度上解决了理科环境中开展应用实践的问题。此外,学院教育中心强化了企业导师的归属感和责任感,通过让企业导师参与课程设计及研究生选课、确定科研课题、开设学术讲座和专业特色选修课程等方式,进一步让企业导师融入学生培养过程。
(四)课程体系构建
2013年,山西大学根据教育部相关文件,结合各专业具体情况,对硕士研究生培养方案进行了详细的修订。在课程设置中,我们将课程分为公共基础课、专业基础课、专业应用课、选修课4类,各类课程均采用了教授授课、双语教学等模式,特别突出工程应用类型的课程。由于化学工程专业硕士的导师的知识存在多学科、多研究方向的交叉,因此,我们在课程设置上采取丰富选修课的方法解决这一问题。为了避免重复设课或课程内容重叠,各专业领域均可选择化学学科或其他专业领域的课程作为选修课。师资力量和师资水平方面,由于山西大学工科师资力量不足,我们采用“外校聘请+本校培养”的模式逐步提高师资水平。此外,学校还通过请企业导师或行业知名专家开设学术讲座、特色专业选修课等方式,使学生获悉国内外化工行业发展的最新动向。
(五)奖学金制度
现阶段山西大学研究生奖学金主要为国家奖学金和学业奖学金,原有奖学金评价主要基于学生学习成绩和科研成果的考量。化学化工学院将专业学位研究生与学术型研究生分开评比。专业学位研究生的科研成果可以是学术论文、专利、负责项目、实践报告、调查报告等多种形式,特别强调学术论文、专利、项目等必须具有应用背景。此外,针对专业学位研究生科研结果无法量化的问题,我们采用“预审+集中答辩”的方式,由答辩委员会评出获奖等级。上述评审制度的实施明显调动了专业学位研究生的科研积极性。
三、发展与方向
尽管我们在化学工程专业研究生培养方面进
行了许多改革,但仍有很多方面需要高校、企业及地方政府进一步协调改进。我们将目前改革探索的方向归纳如下,这既是我们的努力目标,也希望能够给予其他高校一些启发。
(一)提高学科认可度,创出专业品牌效应
优质的生源是研究生培养和学科发展的大前提,没有良好的生源,校企联合培养将成为无本之木、无源之水。近年来,山西大学通过增加推免生名额比例,明显提升了专业学位研究生的生源素质;与此同时,山西大学通过鼓励校企合作科研,建立多方参与的协同创新中心,进一步扩大了学校、学科的业内影响力。未来,山西大学将以校企协同创新中心为发展核心,以高水平人才队伍建设为发展动力,通过科研成果和科研团队创出专业品牌效应。
(二)深化校企人才技术交流平台建设,实现人才培养的良性循环
校企双方只有真正实现技术流、人才流的双向流动才能培养出真正的应用型人才。因此,我们需要建立完善的涉及项目合作、利益分配、人才交流等体制机制,进一步强化企业研究生实践中心的构建,通过校企合作项目引领、扩大平台的影响力,提升平台自我“造血”能力,逐步引导校企合作由“项目带动”发展到“人才+技术混合带动”,最终实现人才培养的良性循环。
(三)改革奖励制度,激励学科发展
菌目的的药物有哪些?具体抑菌原理是什么?通过将理论知识与临床药物相联系,使学生真正了解人类很多疾病的发生与体内生物大分子的结构、代谢、信息传递与表达等问题密切相关,而很多临床药物的研发又是以生化代谢点为药物靶点的。这样既可充分调动学生的积极主动性,让学生轻松而牢固掌握知识点的同时,亦亲身感受到生物化学与临床医药学之间的关系,明白牢固的生化知识是药物研发、生产乃至销售环节的必备基础知识,为将来从事生物制药工作打下了坚实的理论基础。在这样的课堂讨论中老师要立足于引导的作用,务必专心倾听学生的讨论,紧跟学生们的思路,合适的时候给出恰当的鼓励和启发,这样可极大程度地激发学生畅所欲言的热情,拓宽学生的思维,进而培养他们的创新意识。教学实践发现,经过PBL教学法训练出来的学生,创新思维能力较强,能够独立或借助查阅资料解决学习过程中遇到的问题[2],在跟随老师做科研项目的时候善于思考和发现问题,通常也能够独立解决遇到的问题,真正做到自主学习能力的提高。对教师来讲,不但要求基础知识牢固,更要紧跟医药科学发展前沿,只有这样才能设计出好的PBL问题,对学生的讨论才能给予恰到好处的引导启发。此外,通过教师参与学生的讨论,能很好地加强师生之间的交流,便于老师掌握每个学生的情况,真正做到因材施教,提高教学质量。
2板书与多媒体结合
我校制药工程专业生物化学课程在大学二年级上学期开设。此阶段专业基础课程多,知识量大,因此老师的授课方法和学生的学习效率显得尤为重要。生物化学课程知识比较庞杂,每节课的信息量非常大,加上课堂教学课时的减少,学生课下需要花费大量时间消化。因此,如何让学生高效地掌握每节课所讲内容显得至关重要,而框架式的板书配合多媒体教学可以较好地缓解这个矛盾,提高学生学习生物化学的效率。目前,生物化学课程多采用多媒体教学,这可在很大程度上提高教师的授课效率,使其在有限的时间讲解更多的内容,同时可借助插图和动画的生动性、直观性和形象性来帮助学生理解教学中的重点和难点[6]。我们在现有教材课件的基础上,利用平时积累的教学素材对课件内容、图表和动画进行了完善,使之更加条理清晰、有趣易懂。即使这样,学生仍反映生物化学课程内容庞杂,在有限的课堂和课外时间内学习起来还是有一定的困难。基于此,在课堂的教学过程中我都会运用板书把每章知识点框架式的总结出来,便于学生从宏观水平理解所学内容,知识点之间的逻辑关系一目了然,而不是零散的一个知识点一个知识点的来记忆。这样,庞杂的生物化学知识点对学生来说就会简洁明了不少,学习效率和学习兴趣会明显提高。此外,在多媒体教学过程中,为突出重点和难点,我都会在黑板上写出关键反应的步骤,这会引起学生特别的关注,督促他们做好笔记,更好地提高教学效果。
3理论与实践相结合
生物化学是一门专业基础课程,也是一门实践性很强的课程。为加深学生对生物化学知识点的理解,提高其动手实践能力,培养其在实践中分析问题和解决问题的能力,根据我校制药工程培养方案和学生的就业方向,编写了适合我校制药工程专业学生使用的实验指导手册。实验内容包括验证性的基础生化实验和综合性实验。此外,我们还开设了设计性实验,让学生通过查阅资料,自己设计实验方案,根据方案解决实际问题。这样的教学安排可激发学生的学习兴趣,进而提高他们解决实践问题的能力,为学生以后的进一步发展奠定坚实的基础。此外,在指导学生做生物化学实验的过程中,根据实验内容我通常会提出一些与专业有关的小问题,供他们思考。这样会促使他们边做实验边思考,有利于加深其对理论知识的理解和掌握[7]。为拓宽学生的视野,经学校同意,我们还向学生开放了生物化学和分子生物学实验室。结合教师承担的科研项目,鼓励学生按自己的兴趣选择导师,跟随导师做一些研究工作。优秀的学生可申请市教委或学校下达的针对本科生的一些科研项目,在导师的指导下进行科研实践工作。这样的政策在我院实行多年,生物化学和分子生物学实验室每年都会接收多名本科生进入实验室开展科研立项,这不但提高了学生的动手能力,培养了学生的创新意识,更重要的是提高了他们独立分析和解决问题的能力,进而激发了他们对生物医药的极大热情[8]。
4总结归纳,突出重点
生物化学课程知识点非常多,以重要的知识点为中心进行总结归纳既可帮助学生抓住重点,凝炼内容,提高其学习效率。如讲授完遗传信息传递及其调节相关内容后,从模板、原料、产物、合成方向、合成方式及参与反应有关的酶等方面列表比较复制、转录、翻译和逆转录的异同点。物质代谢调控部分,生化反应式太多,且各代谢途径相互交叉,学生学习起来往往感觉无从下手。讲授完该部分内容后总结归纳三羧酸循环、磷酸戊糖循环、柠檬酸-丙酮酸循环、鸟氨酸循环等代谢过程的相互联系和生理意义,使这部分内容更加清晰易学,利于沟通各部分知识点间的相互关系并引导学生系统地整理、掌握所学知识。笔者多年的教学效果显示总结归纳可显著提高学生的学习效率。总结归纳的意义在于把所学的知识系统化、条理化,便于理解记忆,更好地发挥学生的主体作用,并可有效克服传统平铺直叙讲授方式带来的枯燥乏味,有利于学习兴趣的培养。另外,为达到温故而知新的目的,在每次上课开始简短地回顾上次课的内容,然后开始讲述新内容,注意内容的自然过渡,每次课结束前将本节课的内容串联一遍,这样更益于学生巩固新学的内容。
5结语
1)了解发酵过程与双极膜电渗析集成的基本理论。2)熟悉发酵罐与双极膜电渗析的基本操作。3)研究发酵过程与双极膜电渗析集成操作的最佳条件。
2实验原理
在发酵生产乳酸的过程中,乳酸的不断产生会造成发酵液的pH不断下降。pH过低会影响发酵液中乳酸菌种的活性,甚至造成乳酸菌种死亡,直接影响发酵过程的效率。传统的乳酸提取工艺如图1左图所示,是在发酵液中投加生石灰或碳酸钙来中和产生的乳酸,以维持发酵液的pH在中性范围。由于发酵液中加入的生石灰或碳酸钙会产生大量难以有效处理的硫酸钙副产物,不符合现代化学工业绿色化和环境化的理念。乳酸发酵的现代生产工艺流程见图1右图,整个工艺流程包含了发酵、脱色、超滤、双极膜电渗析等过程。结合上述工艺流程,实验室相应开设出乳酸发酵实验、发酵液预处理———超滤和脱色实验、乳酸盐转化为乳酸———双极膜电渗析实验以及发酵过程与双极膜电渗析集成操作实验。本文重点介绍将发酵过程与双极膜电渗析进行集成操作的实验内容。对经过预处理的(脱色和超滤后的)发酵液进行双极膜电渗析,得到乳酸;同时将双极膜电渗析产生的碱用于发酵过程的pH调节。从而实现了在提取回收乳酸产品的同时,又能进行乳酸的发酵生产。实验中的乳酸发酵和双极膜电渗析是一个集成过程,而不是连续操作的过程。双极膜电渗析的原理如图2所示。图2中的双极膜电渗析是用双极膜代替普通电渗析的部分阴、阳膜或者在普通电渗析的阴、阳膜之间加上双极膜构成的。双极膜电渗析的最基本应用是在反向偏向电压下产生水解离生成H+和OH-,分别与盐阴离子(X-)、盐阳离子(M+)结合生产酸(HX)和碱(MOH)。从而在集成操作的过程中,实现了在将乳酸盐转化为乳酸的同时,可以生成碱液(乳酸盐为MX,可以产生碱液MOH)。在提取乳酸的同时,将副产物(碱液MOH)返回至发酵过程,对发酵液进行pH调节,使副产物得到再次利用,从而实现了新型化工生产追求的过程集成性和高效性,并减少了原料或产品的周转过程。
3实验材料、仪器和试剂
3.1实验试剂乳酸发酵菌种:植物乳杆菌;发酵液500mL;电极室用水:0.3mol/L的Na2SO4溶液1000mL(阴极室和阳极室各500mL);酸室和碱室为蒸馏水。发酵培养基每升含:蛋白胨10g、牛肉膏10g、酵母粉5g、葡萄糖50g、乙酸钠2g、柠檬酸二胺2g、吐温-801g、磷酸氢二钾2g、七水硫酸镁0.2g、一水硫酸锰0.05g。
3.2实验仪器恒温振荡器、高压蒸汽灭菌锅、发酵罐、干燥箱、电子天平、pH计、生物传感分析仪、分光光度计、冰柜。其他常规实验器皿:烧杯、量筒、玻璃棒、酒精灯、接种环、培养皿、移液管等。直流稳压电源;明道式电渗析膜堆一套,外配容量为1000mL的烧杯5只,硅胶管(约0.5m)10根;小型潜水泵5个。按照图3,通过发酵罐控制主机箱上的蠕动泵,将双极膜电渗析的碱液隔室与发酵罐进行连接。为了降低发酵罐中染杂菌的风险,必须对连接的管子进行灭菌操作。发酵罐内由pH计进行实时监测,当pH低于设定值时,由蠕动泵自动将双极膜电渗析的碱液隔室中的碱液泵入发酵罐进行调节。由于软管内是强碱环境,故碱液室与发酵罐之间的连接管不需要进行灭菌操作。
4实验步骤
4.1双极膜电渗析的准备(1)组装膜堆:按“阳极板—隔板—双极膜—隔板—阴膜—隔板—阳膜—隔板—双极膜—阴极板”顺序组装膜堆,用长螺杆钉压紧膜堆。为了确保装置的严密性,应使隔板之间的垫圈厚度不超过垫圈槽,并使双极膜的阳膜侧朝向阴极板。此外,在用螺钉压紧装置时,应注意均匀用力,以防止装置变形甚至断裂。(2)连接设备:在隔板出口分别连接出水管和进水管。将进水管与外置烧杯中的潜水泵出口连接,将出水管的出口端连接到烧杯中,以确保循环通路畅通。(3)注入料液和电极水:在盐室中注入料液,在极室中注入电极水,在酸室和碱室中注入蒸馏水,此过程应保证料液淹没潜水泵。对于双极膜电渗析,应在实验结束后将各个隔室、烧杯和潜水泵内的料液或电解质溶液清洗干净。若长期不用,应将装置拆卸还原,并确保各组件干燥和清洁。
4.2发酵过程的准备(1)种子培养基的培养:配制一定量的种子培养基,并在高压蒸汽灭菌锅中灭菌。灭菌条件为:121℃,20min。待培养基冷却至室温后,取新鲜斜面菌种,接入种子培养基中,在转速为150r/min的摇床中培养24h,温度恒定在37℃。(2)发酵罐灭菌:将配制好的发酵培养基加入到发酵罐中,此处应注意体积不能超过发酵罐总体积的2/3。然后将发酵罐和培养基一起放入灭菌锅中进行灭菌。(3)火焰接种法:先用医用酒精擦拭接种口;在火圈中加入酒精,点燃后套在接种口上;关小空气进气阀,调节进风,降低罐压,打开接种口盖;在火焰范围内打开种子培养基的瓶塞,在火焰上烧灼几秒钟后,迅速将种子液倒入发酵罐中;在火焰上烧灼接种口盖子数秒后,迅速盖好接种口盖,关闭空气进气阀。(4)发酵培养:接种结束后,对发酵培养过程的各项参数进行设定,开始培养。发酵过程中要打开冷凝器水阀。具体操作参数:转速为150r/min;温度为37℃;pH为6.7。
4.3发酵罐与双极膜电渗析集成操作过程的监测在集成操作过程中,要对发酵罐和双极膜电渗析同时进行监测,防止任一方出现问题导致集成操作失败。发酵过程:①通过发酵罐的主机控制发酵的pH条件、溶氧浓度和实验温度。每1h记录pH、温度和溶氧浓度,通过数据判断发酵过程是否正常;②每4h测量残余葡萄糖的量、生物量和乳酸的生成量,以判断细菌的生长情况和乳酸的生成情况。双极膜电渗析过程:①双极膜电渗析过程调整稳压电源的电压和电流值来控制实验条件,每1h记录电压、电流。②每4h测量酸室中的乳酸浓度、碱室浓度和碱室碱液体积。
5分析方法
5.1葡萄糖和乳酸的测量在发酵过程中,要间断地取样进行监测。发酵液中含有有机酸盐、无机盐、菌丝体、蛋白质、脂肪和糖类等。双极膜电渗析过程的料液是经过超滤和脱色之后的发酵液,主要成分为有机酸盐(主要为乳酸盐)和无机盐类物质。实验中使用生物传感分析仪获得葡萄糖和乳酸含量。
5.2生物量的测量在发酵过程中,要及时监测乳酸菌的生长情况。取样后,用0.3mol/L的稀盐酸溶液稀释,目的是消除一些沉淀性盐的影响。在波长为600nm处,测量吸光度。
6实验注意事项
2.现行高师公共心理学课程体系的分析与评估回到本文目录
现行的高师公共心理学课程体系并不是一个统一的课程体系,各高等师范学校差不多都有自己的公共心理学体系,但这些课程体系的内容与结构基本上是一致的。因此,我们可以把它们作为一个对象进行分析与评估。
从现行高师公共心理学课程的内容来看,阐述心理学基本理论的内容十分详尽,而指导教育、教学工作的实践性内容则非常单薄。“重理论,轻实践;重知识,轻技能”的现象十分严重。其具体表现为“三多三少”的现象,即对心理学概念、原理进行哲学式的阐述多,对心理学概念、原理的操作性的阐述的少;对一般意义的心理现象进行描述的知识多,对教育活动中心理现象进行解释、诊断和控制的操作性知识少;要求学生对心理学的概念、原理进行阐述多,要求学生运用心理学原理解决教育活动中的实践问题的技能训练少。这在很大程度上阻碍了对师范生解决教育、进行工作中心理学问题能力的培养。
现行公共心理学课程内容陈旧,也是一个比较突出的问题。一方面,现行教材中的有些内容,与教育、教学工作关系甚远,对教育、教学工作没有实际的指导价值。另一方面,有一些紧密结合教育实践而进行的新的研究成果、新的心理学观念,没有被吸收进教材。
从教材的结构来看,现行教材大多采用以所引入的心理学理论为主线方式进行编写。现行课程体系涉及到普通心理学、教育心理学、社会心理学、管理心理学、发展心理学、心理咨询等心理学分支学科理论,而心理学每一分支学科理论又自成体系。以心理学的相关分支学科的理论为主线编写教材,使教材形成了“条块分割”的现象。这种编排方式,似乎有助于师范生掌握心理学理论体系,但是,师范生所学的有关教育、教学工作的心理学知识则支离破碎,不能形成以解决教育、教学工作中心理学问题为核心的、完善的认知结构。这在一定程度上削弱了高师公共心理学课程体系的实用性,妨碍了师范生形成解决教育、教学工作中心理学问题的能力。
现行教材多以理论为先导,引入教育、教学实践的内容。这实际上是使活生生的教育、教学实际适合理论的学习,而不是使心理学通论适合教育、教学实际问题的解决。这难免使人有一种“削足适履”的感觉,也限制师范生公共心理学课堂学习中的思维活动,在一定程度上挫伤了师范生学习高师公共心理学的积极性。
由此可见,现行的高师公共心理学课程体系不是一个优化的课程体系,难以适应面向21世纪的社会对高师人才培养的要求,必须加以改变。
3.公共心理学课程体系的优化回到本文目录
根据面向21世纪高师人才培养的要求,通过对现行高师公共心理学课程体系分析与评估,笔者认为,要建立优化的高师公共心理学的课程体系,要从以下三个方面入手。
第一,以师范生确立面向21世纪的心理学观念为目标,优化课程有关心理学理论的内容。在现行课程体系中许多内容涉及到教育、教学工作中的心理学观念问题,例如发挥学生主动性和积极性的观念、促进学生身心全面发展的观念、依据学生的心理发展的年龄特征与个性特点进行教育、教学工作的观念,等等。这些内容对帮助师范生确立面向21世纪的心理学观念有一定的作用。对这些内容要加以提炼并予以保留。同时,面向21世纪,师范生还应确立学会学习的观念、学会创造的观念、学会生存的观念等。这一些在现行教材中并没有涉及到,应该加以引入,并提出明确的要求。
第二,以培养师范生解决教育、教学工作中心理学问题的年龄为最终目标,加强课程中有关教育、教学工作实践的内容。由于教育、教学工作的心理问题的十分复杂,要求高师公共心理学解决教育、教学工作中所有问题,是不现实的。高师公共心理学只能主要地对一些一般的、典型的心理学问题的解决提供指导,同时,还要让师范生了解如何在高师公共心理学教材之外获得心理学的指导。具体来说,有三项任务:首先,高师公共心理学必须揭示在教育、教学过程中,学生心理学的最一般规律,如学生心理发展的规律、学生学习的规律、学生个性形成的规律等。这是解决教育、教学工作中心理学问题的依据。一方面,要坚决删除现行教材中对教育、教学工作没有实际的指导价值的内容;另一方面,要吸收那些与教育、教学活动密切相关的心理学研究的最新成果,如关于学习不良的研究、关于问题行为的研究等。其次,要强化解决教育、教学工作中典型的心理学问题的基本技能的训练,让师范生掌握解决心理学问题的技能技巧。在编写教材时,应减少对心理现象进行描述的内容,加强对教育、教学活动中典型的心理现象的解释、诊断和控制的内容,提高对心理学概念、原理阐述的可操作性。再次,公共心理学要应提供可能对教育、教学工作产生影响的、具有高度概括性心理学的背景知识,让师范生学会确定心理学问题所涉及的领域,以便在未来的工作中能从相应的心理学著作及心理学专家那里获得心理学的帮助。
学习是一个连续的过程,尤其是机械工程专业,该专业的课程设置是一环扣一环,结构紧凑和合理,因此,课程和课程之间联系很大。但是,传统的机械工程专业,似乎并没有涉及到化学这一学科,更多的是涉及到数学和物理。其实,机械工程和化学关系也很大,理解到这一点,还可以把本课程作为机械制造课程群的基本课程之一。如《工程材料》课程:材料的结构涉及到化学的物质结构内容,不锈钢涉及到电化学腐蚀内容,化学热处理更是直接和化学有关;《机械制造基础》课程:各种热加工都不开化学热力学知识,冷加工离不开表面工程和摩擦学知识;《机械制造工艺学》课程:钢材表面的预处理、表面成形的工艺确定、表面质量的确定、各种热处理工序的安排、各种先进制造工艺等都离不开化学知识;《再制造》课程:由于机械零部件的主要失效形式是磨损、腐蚀、断裂三种,因此,零部件的再制造技术离不开表面工程、摩擦学、电化学、纳米技术等化学知识。由于本课程理论较深,偏科学,机械工程学科相关课程实践性较强,偏技术。事实上,理论和实践、科学和技术从来都是相辅相成的。一般而言,它们存在两种基本模式:一是由于生产实践需要创建了技术,然后提高到理论上来,再反馈到技术中去,促进技术更一步发展;二是在实验室中揭示了某些基本规律,建立了比较完成的理论体系,然后再在生产技术中创建全新的技术部门。比较化学学科和机械学科的关系,也有助于理解科学和技术的辩证关系。
2结合专业实际,阐明化学基本原理
在讲解教材主体部分的时候,应适当结合机械工程专业特点,这样讲解起来学生印象较为深刻,同时又可以让学生在大一阶段逐步渗透机械工程学科思想。如讲解物质结构部分,化学的结构是原子结构、分子结构、各种结合键结构、晶体结构等,这些内容纯粹是化学知识,其实,结构的范围很大,机械工程也有宏观的结构。如轴上有键槽、轴肩、挡圈等,连接结构有螺栓、双头螺柱、螺钉等,机构结构有平面连杆、凸轮、齿轮机构等。这些都是结构,只不过和化学的结构从内容上不一样,但从结构决定性能的角度看,实质是一样的,只不过结构的尺度不一样,一个偏微观,一个偏宏观,现在很多科学研究都是跨尺度研究。再比如化学的合称,在材料界称为制备和加工,在机械上就是机械制造,名称上有差别,实际各自的角色都差不多。学院除了机械工程专业以外,还有三个专业,分别是过程装备与控制工程、交通运输、农业机械化及其自动化,学生应对一个学院的专业有一定的了解。在讲解反应部分,这部分热力学知识涉及到能量的改变,在学院这几个专业里面,都要涉及到能量的转化,机器和汽车涉及到电能、化学能、机械能等相互转换,而过程装备与控制工程专业有专门传递能量的过程工程;同时,该部分和过程装备制造工艺密切相关,过程设备壳体制造的准备工序第一道就是钢材的净化处理,以清除材料表面的锈、氧化皮和熔渣等;讲解电化学部分,也可以结合过程装备与控制工程专业某些过程机器防腐蚀的特点来讲解。事实上,过程装备与控制工程专业以前是化工机械专业,是化学工程各机械工程两大学科结合起来的。
3结合宁夏地区实际
大学的根本任务是人才培养,但同时大学也要服务社会,从这个角度讲,老师应了解本地的相关企业,对于学生而言,也要清楚自己的专业和所学课程和当地社会的关系。,在讲解熵变时,可以联系能源的开发前景和利用效率,找到更加清洁与高效的新能源,如燃料电池、太阳能等[2],可以结合国电宁夏太阳能有限公司的主导产品来讲解;讲解溶液部分,涉及到渗透压概念,纯粹的讲解概念学生肯定感觉到太学术,不清楚和身边的事物有何关系,如果能结合宁夏地区的盐碱地实际情况,了解到盐碱地不容易种庄稼就能很深刻的理解渗透压这一概念;讲解溶液的凝固点下降时,可以参考宁夏共享集团有限责任公司,铸铁的非铁元素含量较高,从而凝固点要比铸钢低,所以共享集团的铸铁温度要比铸钢温度低;在讲解电解池部分,可以结合宁夏青铜峡铝业集团有限公司的电解铝、宁夏天元锰业集团电解锰来讲解;在讲解化学和环境这一部分,可以结合银川污水处理厂采取的水处理流程环节;讲解表面工程与摩擦学的时候,可以结合西北轴承股份有限公司,该公公司的轴承保持架均要采取磷化处理,区内其他机械公司的机械产品均离不开摩擦学知识。这样学生既学习了知识了,又了解了当地的企业主导产品。
4激发学生兴趣
任何学习,要有一定的热爱才会学好,学起来才有主动性。因此,教学的过程中,可以穿插一些化学发展历史,化学与诺贝尔奖,化学与社会,化学与生活,化学学科前沿等有趣的典故、故事。如人们利用扫描纳米探针技术进行原子、分子尺度上的机械刻蚀,操纵单个的分子、原子,将单细胞核酸分析技术用于疾病的早期诊断,目前已经能够进行乳腺癌特异性RNA中某种结构的测定[3]。以及向学生介绍化学理论已经取得的成就,这些成就为社会、生活的进步带来的贡献,化学的面临的难题等[4]。让学生知道化学学科不再枯燥,严密的化学学科也存在娱乐性的一面,还让他们清楚化学学科和社会、生活都有关,更别说机械学科了。同时,也可以使学生理解自然科学发展的共性规律,增加科学素养和情操。
5发挥学生主观能动性
人才培养的目的是让学生自己掌握思想、知识和技能。基于此思想,本课程设置了三个专题:化学与材料,化学与能源,化学与环境。这三部分主要由学生讲解,原则是学生要讲清楚知识点,讲清楚化学与这些主题的联系,并且一定要联系宁夏地区实际讲解。把班级学生分成三组,每组讲解一个专题,每组确定一位组长,让组长给组成员分工,主要包括查资料、作PPT、演讲者等。任课老师首先把每个专题涉及到的知识点和需要查询的书籍、期刊文献、图片、网站等给学生交代清楚。讲解的时候,该组学生全部坐在前面,讲解完后,其他组学生自由提问,由本组学生负责解释和回答。
6考核方式
本课程的主要任务是培养学生的自然科学素养,让学生在工程实际中会运用化学基本原理解决具体工程问题。因此,考核方式与机械工程其它课程有所差异。课程考核采取全程考核,多种方式并存,期末考试考试采取闭卷考试。考核方式如下:(1)在三个专题讲解环节要求是每个学生参入,但是分工不同,有的查资料,有的做PPT,有的讲解,而且课堂有问答互动。本环节,我给每位学生的起点成绩为60分,让每个参与的学生保证及格。在此基础上,再根据实际情况,给分工不同的学生不同的分数。(2)小论文环节该环节是每个学生自己完成的环节,在上述各小组分组讲课之后,根据现场讲解及师生互动情况,每位学生把专题讲解总结成小论文,小论文角度不限,充分发挥学生自己的理解,但要兼顾本地区、本专业等基本原则,要求内容正确,层次清楚;图标规范,语言通顺;论证合理,思路清楚;参考文献等要有出处,是网络来源,要写清楚网址。这为学生以后写科研论文也打下了基础。(3)期末考试环节本环节采取闭卷考试,学生作答。本环节不仅是考学生,也考老师自己。由于本课程的实际情况,试卷中尽量少出现计算、推导等试题,大部分试题侧重运用化学原理解决工程实际。因此,作为任课老师,一定要知识点丰富,了解各个学科(如物理、化学、力学、材料、生物、尤其是机械学科等)的内在联系和交叉、衔接情况,也要清楚本地区相关企业的实际情况。
7结论
在当今多媒体教学盛兴的时代,课堂演示实验仍然是一种不可缺少的教学手段。其根本原因,是它具有较强的真实感。这种特性对于科学实验尤为重要。多媒体教学手段虽有很多优点,但屏幕上显示的形象,毕竟与现实的事物或现象有差异,如果不与生活中已经熟悉的对象相比较,就难以感知事物的真实形象。因此,学生还要进一步开动脑筋,去再现视频形象与真实事物或现象之间那些缺少了的环节。课堂演示实验可以直接感知真实的形象,这正是它同多媒体教学手段相比,所具有的突出特点之一。但实验装置或模拟实验设备与工业规模的化工设备相比毕竟有所不同,还需要实物教具、幻灯片、电视录像或是电影等手段来补充。这正好说明,不可能存在一种在任何条件下都适用的,尽善尽美阅读教学的教学手段和教学方法,而是根据学科性质、教学内容和教学环境等具体条件,选择采用,或者多种手段配合使用,以各展其长。课堂演示实验与实验室教学实验,各有其不同的目的。如上所述,课堂演示实验是课堂教学的一种手段,旨在提高课堂教学的效率。实验室的实验教学则是教学过程的一个重要环节,或可作为一门独立开设的课程,其主要目的是让学生初步掌握一些有关化学工程的实验研究方法和实验技术,培养学生从事科学实验的实践能力。因此,两者对于实验装置的要求,以及实验的能容和方法都有所不同。对于学生来讲,某些实验训练价值不大的项目,例如雷诺实验、流体阻力测定、流体机械能转换实验等这一类实验,作为课堂演示实验是必要的,而作为实验室教学的意义就不是很大。对于既有作为演示实验的必要,又有实验训练价值的某些实验项目,在实验内容和方法上,应尽可能使两者在小型化的基础上结合起来。在设计时,尽量考虑到教学实验的需要,以提高实验设备的利用率。自然,课堂演示实验与实验室教学实验的目的要求不同,期望所有装置都能通用也是不现实的。
2化学工程演示实验需要注意的几个问题
化学工程演示实验最大的特点是工程实践性。它不同于化学类实验课程,实验对象从烧瓶、酒精灯、玻璃棒变为实际生产的模型设备,具有显著地工程实践性,而学生的实践经验往往非常匮乏,这就要求教师把握化工实验的特点,注重研究性教学模式,在课堂演示实验中采取教师为主导,学生为主体的形式,尽量让所有学生都参与演示课程,并且尽可能的引用一些与实际生产紧密联系的工程问题进行演示。在演示过程中,教师要鼓励学生积极主动思考,勇于提出自己观点,敢于创新。课堂演示实验是一种很好的教学手段,这种手段的合理运用,则是一种教学艺术。如果运用得法,与教学内容配合紧密,视听结合得巧妙,就一定能发挥它应有的效能,否则就会事倍功半。化学工程的课堂演示实验,能否达到提高课堂教学效率的目的,演示实验装置的性能也尤为重要。为此,在实验装置方面至少要达到如下一些基本要求:①实验装置应尽可能做到小型化和仪器化;②演示实验装置尽可能做到直观、生动、形象;③演示实验装置应做到稳定、快速、准确、合乎科学;④演示装置需尽最大努力消除噪音和其他污染。此外,在实验物系的选择上,也需综合考虑原料价格、气味、毒性等要求,一般以空气、水等价廉易得且环保原料为佳。课堂教学中演示实验侧重点不同,大致可分为:①展示现象,该类演示实验通过学生观察实验,了解现象,进而验证并巩固所学知识;②展现概念,该类演示实验通过化抽象为具体,从而实现抽象概念直观化、具体化;③获得规律,该类演示实验通过显现的结果,通过观察分析并进一步归纳演绎从而得出其中的规律。这就需要教师准备多套课堂演示实验,从而根据情况有选择的开展相应课堂演示实验工作。
3结语
卓越工程师的人才培养更要偏重于实用性,学生在学校的学习不仅要学习相关的专业知识和专业技能,而且也要与企业保持密切沟能,解决企业的技术难题,要充分考虑行业的多样性和对工程型人才需求的多样性,采取多种方式培养工程师后备人,简单说,是应用型人才,不是学术性人才。
2构建相适应的教学体系
2.1教研活动从单一、被动转变为自主、合作和分享
教研研究往往以活动为中心,活动的质量和效益是教研工作的生命力之所在,也是教师必须始终关注的问题。以往的教研活动较为普遍的问题是:缺乏专题研究,满足于茶馆式的泛泛而谈;缺乏整体规划,基本是每门学科进行自己的教学研究,缺乏整个专业的群体意识。为此开展教研活动就注意以下几点问题。
1)力求教研与科研相结合,使教研活动课题化和系列化。教学研究重在“研究”两字,应确立教研与科研相结合的思路,在广泛开展调查研究的基础上,确立每一阶段研究的主题,针对学科研究中的重点、难点问题,力求通过专题研究加以突破,并围绕这些专题,开展一系列的教研活动加以深化,把小型的研讨活动与大规模的汇报、交流、推广活动结合起来。
2)构建资源共享的平台。教师职业的一个很大特点是单兵作战,而教师间的相互合作与学习是教师成长最直接的资源之一。教研活动就应该为教师间的合作、研讨搭桥铺路,所以教研活动就可以发挥教研组集体的力量,借助于现代教育技术,把一些优秀的案例放在公共的资源库中,教师随时可以浏览、调用,从而发挥资源共享的优势,让教师能主动、自觉地提升教学实践中合理的成分。
3)开展专题报告。学院每年对不同年级的学生举行专题报告,使学生掌握相关的农业机械化与自动化的最新知识,发展趋势等。使用学生对学科有一定的认识、兴趣,进一步加强学生的主动学习的意识。
2.2加强实践教学
根据农业机械化及其自动化专业的培养特点,以主干课程为重点,确定各门课程的教学范围和具体内容,合理设置相应的理论教学和实践教学环节,优化课程结构,整合实践教学资源。确定实践教学各环节的具体安排。实践教学体系是培养学生创新能力和综合实践能力的重要手段,是教学过程的重要环节和实现人才培养目标的重要保证。然而,实践环节并不是零散的教学单元集合,只有将课程实验、综合实验、毕业设计等各环节进行系统设计,构成与理论课程有机结合的实践教学体系,才能达到培养具有创新精神和实践能力的高级复合型人才的培养目标。
1)在课程设置中,理论学习时间占1/3,生产实践占2/3,理论实践交替进行,更好地培养学生的实用性。学生在校期间,需要完成课程实验、基本工程能力实习、基本专业设计能力实习等实践内容。结合课程学习需要完成的实验内容包括:物理实验、机械原理实验、电路测试实验、电子线路设计测试实验、微机原理实验、机械设计实验、汽车拖拉机测试实验、机电一体化实验、农业机械学实验等。基本工程能力的实习内容包括:金工实习、电工实习等。基本专业设计能力的实习内容包括:机械设计课程设计、机械制造工艺课程设计、专业方向课程设计等。
2)企业联合培养环节。在企业联合培养环节,学生需要完成专业实习、企业实习与专题设计、工程实践、学位论文等实践内容。所有内容以企业联合中的真实科研项目需求为背景,具有极强的实践性和指导性。通过在企业的不同部门(如售后服务部门、测试部门、研发部门等)分别安排一定的实习时间并定期轮换部门完成实习。专题课程设计题目来自于企业技改项目,学生完成项目设计与试制,并测试技术指标,撰写专题设计报告。
2.3教学评价
在农业机械专业“卓越工程师教育培养计划”中实行淘汰制培养,这就要求有恰当的培养效果评价体系。目前高校的评价体系中,形式过于单一,基本上采用闭卷笔试考试,注重应试指标,注重定量检测,忽视定性评价或分析,这种单一片面的评价体系限制了学生的思维能力和学习能动性的发挥,制约了学生的创新意识和创造能力的培养,这种培养模式对拔尖创新人才尤为不利。因此必须根据“因材施教”的原则,建立灵活的、综合的评价方式,以保证学生有更宽松的自我发展空间。
1)课程考核成绩实行百分制,由平时考核成绩和课终考核成绩两部分组成。应提高平时考核成绩所占的比重,如核心骨干课程的平时考核成绩可占60%以上。
2)理论课程平时考核成绩由课程习题、课程论文、课程心得、课程讨论、读书报告、课外实践等综合考核成绩组成,课带实验课程的平时考核成绩还包括每次实验的成绩;单列实验课的平时成绩由每一次实验的考核成绩组成。
3)理论课程的课终考核包括闭卷、开卷、抽题答辩、案例分析、上机考核、口试、课程报告、课程论文等形式;单列实验课程的课终考核包括闭卷考核、实验设计、实验操作、实验报告、课程论文等形式。原则上,课终考核的理论部分以闭卷笔试或上机考核为主。
4)教学实习考核成绩由实习周记、实习报告、实结、实习态度、任务完成情况、实习单位鉴定等方面的综合考核成绩组成。
3提高学生综合实践能力
3.1综合实践可以培养学生的创新能力
随着网络的快速发展,学生可以通过网络获得各种信息,当对其有用的信息转换为知识的时候,教师的作用就是教会学生获取、加工、运用知识的能力,特别是创新能力。而综合实践活动是培养学生创新能力有效途径,合理开发和综合利用各种课程资源,优化综合实践活动的设计。综合实践活动是教师针对学生的综合实践活动的指导,调动学生的创造性的想象力,鼓励学生以灵活多样的、独特的活动方式进行探究活动;综合实践活动既没有规定的教材,也没有规定活动场所。因此,综合实践活动的实施具有很大的灵活性,能给学生提供一定的创造空间。例如第六届全国大学生机械创新设计大赛(2014年)的主题为“幻梦课堂”;内容为“教室用设备和教具的设计与制作”;整个比赛的题目贴近生活,都是同学们上课时要用到的工具。所以我们在组织学生参加比赛时,要求学生对日常课堂进行观察,同时对未来课堂的教学环境和状态进行想象,设计出使教学课堂更加丰富和实用的机械装置。实践性是综合实践活动最突出的特点;因为全国大学生机械创新设计大赛要求提供完整的设计说明书和主要设计图纸以及作品的实物样机或放缩的实物样机;这要求学生需要把平时学习到的机械制图、机械原理、机械设计及制造工艺等多门课程知识进行理解,运用,最后转换为实际加工的实物。整个过程强调学生通过观察、调查、选题、学习、制作、反思等一系列的活动,得到体验,使学生在现实生活和社会实践的基础上开发出课题,学生通过亲身的实践探求出问题的结论。
3.2以学生综合实践活动为平台,提高学生的创新能力和综合素质
学生科技创新活必须有相应的场地、设备等物质条件,也需要一定的资金支持。否则,学生科技创新就是无源之水、无本之木。而我校每年开展“科研兴趣小组”和“创新实训项目”两项活动。通过学生的组队,基于自身兴趣,选择和研究问题进行调研,完成申报书,学校组织相关专家教师的答辩,选择具有创新性和实际性的项目,在实践经验丰富的教师和教学辅助人员指导下,给予一定的资金支持。学生在项目完成科研任务的过程中,撰写论文,申请专利等,使学生具备扎实的理论基础和专业技能。同时通过这一系列的综合实践活动使学生获得了自信心。
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