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基于 CDIO 理念的制药工程专业四级递进实践教学改革

2020-09-09 09:52 出处:未知 人气: 评论(0
  摘要:简要分析和归纳了目前制药工程专业在工程实践应用能力培养方面存在的问题,并基于CDIO国际工程教育先进理念,对培养制药工程专业学生工程实践能力主要途径———专业理论知识、药企见习或实习、课程论文设计和工程设计竞赛进行合理调整和有机串联,建立适应不同层次学习的“四级递进实践教学模式”,为提高工程实践能力、培养应用型技术人才提供新思路。
 
  关键词:CDIO;工程实践能力;四级递进教学模式;制药工程
 
  制药工程专业本质是一门工程技术学科,主要是应用药学、化学、工程学、管理学等学科的理论和技术手段解决药品生产过程中的工程技术问题[1]。目前全国开设制药工程专业的高校已超过两百所,除了少数具有较强工科教学背景的高校外,大部分高校普遍由于师资队伍、仪器设备、科研设施、办学背景和所处环境等软硬件因素而存在工科教学能力薄弱、课程设置方面偏重药学、化学制药等问题,导致学生缺乏工程实践能力,无法达到专业培养目标和制药生产企业对复合型高级工程技术人才的需求[2]。
 
  CDIO(Conceive-构思,Design-设计,Implement-实施,Operate-运行)工程教育理念是近年来国际工程教育改革的主要成果和发展趋势,旨在培养学生工程实践能力,其核心内容是以产品研发到产品运行的生命周期为载体,让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习工程,从而培养学生扎实的基础理论和工程实践应用能力[3-4]。
 
  本文结合作者在制药工程专业课程教学和实践教学的体会,就目前制药工程专业在工程实践能力培养方面存在的问题进行分析讨论,并基于CDIO理念根据专业特色和课程特点,提出“四级递进实践教学模式”,为提高制药工程专业工程实践能力提供借鉴。
 
  1当前制药工程专业实践教学的主要问题
 
  当前制药工程专业实践教学过程中,普遍存在对实践教学重要性认识不足、实践教学经费投入不足、实践教学内容及方法缺乏科学性、实践教学师资力量薄弱及生产实践场地匮乏等问题[5]。如果以单一课堂教学方式讲授此类专业理论知识,学生对制药工艺流程相关设备及车间工艺设计等知识的学习只能停留在理论认识和记忆上,而无法解决该类课程的工程属性和抽象性所决定的实践需求,必然导致学生所学理论知识无法对接原料到产品形成药品过程中的实际应用。目前制药工程专业的发展和人才培养机制仍有待完善,尤其表现在学生工程实践应用能力的培养上,主要表现如下:
 
  (1)核心专业课程理论知识讲授与实践培养分割化
 
  受限于专业课程、见习实习、课程论文设计等教学环节的跨学期教学,理论与实践教学过程呈现独立化,学生先期所学理论知识无法与后期实践教学环节相关联,同时也加大了前期抽象且枯燥的专业理论知识的教学难度,降低了后期实践教学环节的作用。
 
  (2)教材内容更新速度落后于实际制药工艺与设备更新速度
 
  现代药物生产、制备技术和设备逐渐向自动化、智能化方向发展,而教学内容由于教材更新速度较慢往往落后于实际生产工艺和设备的更新速度,如果不将理论教学与实际生产实践相结合进行反馈式教学,将导致学生所学知识无法应用于实际生产。
 
  (3)缺乏工程实践综合素质能力培养和训练
 
  受限于师资队伍、仪器设备、药企实践教学场地等因素,目前我国制药工程专业办学高校在制药工程办学理念上普遍重理论轻实践,教学上偏重理论知识的传授,而在实践能力、创新能力、团队协作等综合能力方面的教育和训练则较弱。
 
  2CDIO理念的四级递进实践教学模式
 
  目前高校培养制药工程专业学生工程实践应用能力的途径主要四种:(1)专业核心课程的理论教学,使学生掌握必备的专业理论知识,包括《制药设备与工艺》、《制药工艺学》、《化工原理》、《工程制图》等;(2)制药生产企业的见习和生产实习,认识理论知识在实际生产中的具体应用;(3)课程论文设计,初步掌握一定的理论工程实践能力;(4)全国性专业工程设计竞赛,全面且实战性检验学生的理论知识和工程实践综合能力。上述四种教学途径在工程实践能力培养上存在相互关联、先后递进的关系,理论上通过串联方式能够将其进行有机结合,使不同教学方式互相促进,相得益彰。但是受限于现有教学大纲教学内容的安排,在实际教学过程中,不同教学途径往往由不同教师在不同学期开展,导致相互之间关联性较差、不同课程或教学环节内容独立性较强,学生只能以独立封闭模式完成各个教学环节的学习。显然,这种单一分散式教学模式将不利于学生工程实践应用能力的培养。
 
  将CDIO工程教育理念引入到制药工程专业实践教学改革中,以工程项目设计实践为导向,合理并适当地调整不同教学环节的教学内容、教学周期和课时数,将核心专业课程理论知识与药企见习或实习、课程论文设计和全国大学生制药工程设计竞赛进行有机结合,提高理论知识与实践应用的相关性,以此达到提升课程教学质量、创新能力和综合工程实践能力。具体应用如下:
 
  (1)核心专业课程理论知识与理论实践教学
 
  针对制药工程知识点抽象、工程实践应用能力较强的教学内容结合工程实践实例进行教学。例如,我们选择2016年全国制药工程设计竞赛的任务书-年产25吨阿齐沙坦原料药和25吨拉西地平原料药的车间设计为例,向学生介绍这两种原料药的工艺流程设计过程。拉西地平是以三苯基膦、氯乙酸叔丁酯、邻苯二甲醛、3-氨基巴豆酸乙酯等为原料,经季磷化反应、中和反应、缩合反应、环合反应等四步反应和一步精制共五个工序得到拉西地平成品,并经过粉碎内部、外包后入库。
 
  阿齐沙坦以3-氨基-2-[(2-氰基联苯-4-基)甲基]氨基苯甲酸甲酯(AZ-5)、原碳酸四乙酯、盐酸羟胺、氯甲酸乙酯等作为原料,经过环合反应、加成反应、缩合反应、环合反应、水解反应五步反应和一步精制,共六个工序得到阿奇沙坦成品,并经过粉碎内包、外包后入库。介绍完上述两种原料药的合成路线后,让学生自己归纳总结各反应步骤的工艺原理、工艺特点、工艺过程。
 
  结合药企参观实践教学,详细讲授一些常用制药设备在实际生产过程中的具体应用,为后期工程实践应用能力的培养奠定坚实的理论基础。例如,在药企参观过程中重点向学生介绍原料药“精烘包”工序中脱色釜设备的生产控制方法。首先,学生将看到的脱色釜设备外形及其连接的管道、管道阀门和控制仪表等绘制成带控制点的工艺流程图,然后,由老师讲解脱色釜操作的具体步骤。首先用真空上料机将原料药粗品通过人孔加入脱色釜中;打开进料口阀,通过质量流量计控制溶剂加入量,开动搅拌器;关闭进料阀和排空阀,打开真空阀,将润湿的活性炭抽入脱色釜;关闭真空阀,打开氮气阀,PIC控制釜内压力常压后关闭氮气阀,打开排空阀;打开冷凝器冷却水进出口阀;打开脱色釜夹套蒸汽进出口阀,通入蒸汽,通过TIC调节夹套蒸汽流量,控制反应釜温度,搅拌脱色一定时间。
 
  (2)小班药企实践教学
 
  在具备专业理论知识的基础上,基于CDIO理念进行小班药企实践教学,控制合理批次人数,做到有问能提、能答的教学效果,以此解决以往药企参观实习中由于时间短、人数多等因素造成的走马观花式实践教学。此外,为提高药企实践教学效果,要求学生在见习或实习之后完成与“专业理论知识与实践应用”相关的开放式论文作业,杜绝应付式观后感,以此提高学生对实践教学的重视度和积极性。例如,学生在药企实践过程中要求重点理解药企车间布置的原则、车间组成与区域划分、人流及物流净化程序、设备布置、管道布置、公用系统布置等。学生根据《制药设备与车间工艺设计》课程车间设计部分理论知识和药企车间的实际布置,绘制车间布置图。
 
  (3)课程论文设计教学
 
  在具备专业课程理论知识和药企实践教学的基础上,以课程论文设计为导向,采用项目驱动式案例教学方法来培养和考察学生工程实践能力培养。首先,由教师安排一些具有代表性的工程设计项目作为课程论文设计题目,由学生自由组队并选择课题。在教师的指导下让学生围绕项目内容开展主动性的学习、讨论或设计,使学生更好地理解设备的选用和设计思想;其次,突出CDIO理念中团队合作能力,培养学生在团队协作中获取学习和处理人际关系的经验。在课程论文设计教学环节中,我们以分小组合作的方式,让学生进行制药厂精馏塔的设计。溶媒回收虽然是制药生产的辅助工段,但其重要性并不亚于主要工段。一方面,正确的溶媒回收方法能尽量地回收溶媒,减少原料成本和废弃物处理费用;另一方面,溶媒装置作为一个能耗源,有必要进行合理的设计以减少能耗。在课程论文设计中要求学生根据具体设计要求,选择合适的精馏塔类型;通过全塔物料衡算,求出精馏产品的流量、组成和进料流量、组成之间的关系,求出回流比及最小回流比;通过图解法求出理论塔板数并计算实际塔板数,进而计算出操作线方程;对塔板结构进行设计,包括精馏塔有效高度的计算、精馏和提馏段工艺条件计算;精馏塔塔径的计算、塔板布置及降液管及溢流堰设计、筛孔孔径设计、出口堰长设计等;最后要求各队伍利用Aspen验证精馏塔工艺设计结果。
 
  (4)高阶工程设计竞赛及综合能力提升
 
  “全国大学生制药工程设计竞赛”是目前全国制药工程专业影响力最大的设计类竞赛,也是检验学生专业理论知识、实践应用能力、团队合作能力等综合能力的有效方式。在前期专业理论知识教学和实践教学过程中,学生普遍对工程、工艺设计有了一定概念和基础,在此基础上针对部分能力突出、基本功扎实的学生进行专项培训与指导,进一步强化制药工程专业工艺设计语言和表达方式,包括带控制点的工艺流程图(PID图)、工艺设备布置图、车间平面布置图等工程图样,以此培养具备高水平综合工程实践应用能力的学生。从2017年开始,我们每年都组织学生参加“全国大学生制药工程设计竞赛”,参赛作品都是由学生自己独立完成,这样的设计实践培养了学生的自学能力、分析设计问题的能力、具体设计能力、团队合作能力、文字表达能力等,让学生的综合素质得到了有效的提升。
 
  (5)四级递进实践教学模式
 
  通过上述不同模式理论、实践教学过程相互结合促进,结合CDIO理念建立“课堂理论知识讲授———药企见习或实习———课程论文设计———全国大学生制药工程设计竞赛”的四级递进实践教学模式,即首先通过课堂教学学习专业理论知识,在该基础上通过制药生产企业见习或实习途径学习理论知识在实际生产工艺中的应用,然后进一步通过课程论文设计深化对理论知识的理解和应用,最后以全国性专业工程设计竞赛对学生理论知识和工程实践应用能力进行高阶提升和检验,通过不同层次理论与实践教学模式践行CDIO强调的构思、设计、实施和运行等理念。通过四级不同层次递进式实践教学,对专业理论知识和实践应用形成不同阶段的感性认识和设计实践的良性衔接,从多个层面贯彻工程素质培养课程体系CDIO在工程基础知识、个人能力、人际团队能力和工程系统能力等方面的要求,为制药工程专业创新创业人才培养提供新思路。
 
  3结语
 
  本文针对目前制药工程专业在实践教学方面的弱化和医药工业快速发展对专业复合型、应用型技术人才需求的迫切,对制药工程专业实践教学中存在的问题进行了简要分析,并结合国际先进CDIO工程教育培养模式和理念,对专业核心理论课程、药企见习或实习、课程论文设计和全国大学生制药工程设计竞赛进行有机串联融合,建立针对制药工程专业的“四级递进实践教学模式”,以期探索出可操作性的改革策略,为培养地方及全国制药工程专业复合型、应用型的创新创业人才提供新思路。
 
  参考文献
 
  [1]马凤余,彭代银,王键,等.制药工程专业人才培养研究与实践[J].中国高等医学教育,2000(6):1-2.
 
  [2]颜雪明,肖新荣,谭倪.制药工程专业实践教学改革的几点思考[J].化工高等教育,2013,30(1):45-48.
 
  [3]邹祥,胡昌华,李逐波.基于CDIO理念的制药工程类专业工程素质培养体系建立与对策[J].西南师范大学学报(自然科学版),2011,36(4):241-244.
 
  [4]窦文芳,张旦旦,邱丽颖,等.制药工艺学课程的CDIO工程教育模式教学改革[J].广州化工,2011,39(11):156-157.
 
  [5]李昆太,程新.制药工程专业递进式实践教学体系的构建与探究[J].大学教育,2013(1):116-117.
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