基于制藥工程設計競賽的化工設計課程教學改革與探索

康自華，羅迎春，肖 寒

(貴州民族大學 化學工程學院，貴州 貴陽 550025)

隨著社會和經濟的發(fā)展，醫(yī)藥行業(yè)對工程技術人才的要求越來越高，工程技術人才的創(chuàng)新能力集中體現在工程實踐中創(chuàng)造新技術成果的能力上，包括新產品和新技術的研發(fā)、新工藝和新設備的設計、新工廠生產的操作方案。為了適應大學生創(chuàng)新思維和工程能力的培養(yǎng)，實踐卓越工程師教育培養(yǎng)計劃2.0，加速新工科建設等各方面的需求[1]。教育部與各高校聯合企業(yè)，每年舉辦一屆全國大學生制藥工程設計競賽[2-3]。大學生參加這種類型設計大賽，不僅有利于激發(fā)競賽意識，弘揚團隊合作精神，拓展知識面，而且有利于培養(yǎng)創(chuàng)新思維和實踐能力，對全面提高人才培養(yǎng)質量具有重要意義。

該項賽事主要圍繞制藥工程科學領域，立足于制藥工程實踐，比賽題目的選擇范圍不僅限于新建設施，更涵蓋現有設施的改造、擴建和運行優(yōu)化等內容。競賽要求由各參賽團隊設計并制作一個具有特定工程背景的項目，項目設計中所涉及的內容是一個課程組而不是一門課程。需要學習和掌握多門工程基礎課，如：《化工原理》、《化工制圖基礎》、《制藥工藝學》、《制藥設備與儀表》等。除此之外，還須具有熟練使用Auto CAD、SolidWorks、Aspen Plus、Ansys workbench和3Dmax等工程制圖、全流程模擬仿真、三維建模和漫游展示的技能[4]。今年是我校師生首次參加該項賽事。

設計教育是高等工程教育的核心和精髓，是培養(yǎng)未來工程師思維和工作模式的重要載體[4]。化學工程設計課程一般講授工藝設計計算、機械設備圖和流程圖等，對工程實用性強的計算機模擬計算和繪圖重視較少。課程內容設置范圍的大小直接影響到學生工程實踐能力的培養(yǎng)。因此，根據國家教育部關于新工科建設和卓越工程師教育培養(yǎng)計劃2.0要求，加快專業(yè)的轉型，化工設計課程教學改革勢在必行。

1 工程設計競賽對化工設計教學的促進作用

1.1 化工設計課程體系建設

貴州民族大學化學工程學院始建于1984年，經過36年的發(fā)展，先后孵化培育了具有貴州特色的生態(tài)環(huán)境工程、化學工程和民族醫(yī)藥三個學科，并先后獨立建院。化學工程學院2019年獨立建院，下設應用化學、化學工程與工藝、過程控制工藝系。擁有“化學工程與技術”一級學科學術型碩士學位授權點和“材料與化學工程”專業(yè)型碩士學位授權點。此外還設有基礎化學實驗教學中心承擔全校12個專業(yè)四大基礎化學的理論和實驗教學。

根據院所開設的應用化學、化學工程與工藝和過程控制工藝等三個專業(yè)特點，專業(yè)工程類課程主要設置有：《化工原理》、《反應工程》、《化工熱力學》、《傳遞過程》、《分離工程》、《化工過程分析與綜合》、《化工設計基礎》、《化工設備機械基礎》、《化工制圖與AUTOCAD》等。這些課程都具有非常強的工程性。

1.2 設計競賽對培養(yǎng)學生工程素質的促進

工程類課程的教學對該專業(yè)的學生來說是至關重要的。今后，絕大部分同學會選擇工程師作為自己的職業(yè)，將主要從工程實際出發(fā)，完成產品從實驗室階段到工業(yè)生產的轉變。如果只是知道實驗室合成技術或產品生產原理，卻不能夠進行工程應用，則無法承擔工業(yè)生產中老產品的升級改造、新產品的投產和車間的設計[5]。通過參加設計競賽，學生能夠獲得綜合利用所學專業(yè)知識、增強工程設計素質的機會。

以2020年的“新冠肺炎1號口服液生產車間工藝設計”競賽設計題目為例，設計要求包括：基本設計條件(原材料、產品、生產規(guī)模、安全要求、環(huán)境要求和公共工程)、工作內容和要求(工藝流程設計、設備選擇和典型設備設計、車間布局設備設計、總體布局設計和設計說明)。雖然學生只針對比賽中完成的設計作品，但在完成設計作品的過程中，學生能力的培養(yǎng)是多方面的，尤其是學生的責任感，這是任何課程教學都無法達到的深度和廣度。

1.3 課程教學存在的問題

1.3.1 教學資源匱乏，教學過程單向

教學資源匱乏，在化工設計課程傳統(tǒng)的教學模式下，整個學習過程都是在教室內完成，通常只具備粉筆、黑板、書本、紙張和電腦等，學習環(huán)境相對封閉保守，學生所接受的知識和教師所教授的內容都沒有超出課程范圍。教學過程單向，在教學過程中，以教師教學為中心，學生被動接受知識，教學目標和教學過程的設計由教師安排。因此，學生很難從整體上把握知識體系，缺乏應用知識的靈活性和創(chuàng)造性。學生在學習中感到枯燥和缺乏興趣。

1.3.2 重理論，輕實踐，課程單一

理論課時多，在我院實際教學過程中，一些長期從事化工教育的教師對工程實踐能力的培養(yǎng)認識不足。在課程設計中偏重理論知識，對軟件操作能力的培養(yǎng)缺乏足夠的重視。

其次，在教學內容方面，以前的化工設計教學主要講授理論知識，注重培養(yǎng)學生對標準的使用，根據設計項目有目的的進行查閱和使用標準，能夠熟練的閱讀圖紙，在化工設備圖紙和工藝流程圖的繪制能力的培養(yǎng)要求較少。此外，不要求學生掌握計算機輔助設計的內容，不注重培養(yǎng)學生的工程實踐能力的培養(yǎng)。

實踐課程內容單一，在我院化工專業(yè)工程類課程的實踐課程中，學生根據老師的介紹，這項任務可以通過簡單的動手操作來完成。雖然也有化學設計競賽等學科為學生提供相關的實踐教學平臺，但由于參與者數量有限和個人原因，學生的工程實踐能力整體不高。因此，建立和完善設計競賽機制、擴大競賽覆蓋面、加強校企合作、探索多元化實踐教學方式也是專業(yè)教師面臨的一個重要問題。

1.3.3 課程之間聯系少，上機實踐課時少

課程之間聯系少，我們目前所開設的化工設計類工程課程之間聯系少，以及這些課程之間聯系不夠緊密，結合專業(yè)特點和我校教學實際，許多工程實踐課程，如《化學工程》、《分離工程》、《傳遞過程》、《化工設備機械基礎》、《化工制圖與AUTOCAD》等，存在課程之間聯系較少，專業(yè)授課教師之間溝通交流較少，還存在，理論和實踐不是有一個教師單獨完成，而是通過兩個老師進行合上的現象，造成，理論和實踐脫節(jié)，甚至出現課程之間出現教學內容重復的現象。例如，單元操作的化工機械設備和化工原理中相關章節(jié)內容重復。因此，很難為學生形成在學業(yè)上的核心技能，無法從理論到實驗整合工程課程實踐，從而無法滿足提高工程質量的要求。

軟件操作課時少，在課程設置中雖然設置了化工制圖和機械制圖，但兩者均強調看圖視圖的能力培養(yǎng)，而缺少計算機輔助制圖AUTOCAD課程，對于通用化工流程仿真軟件Aspen Plus涉及較少，盡管開設的《化工過程綜合與分析》中有所涉及，但教學要求相對簡單，無法讓學生真正重視和掌握該軟件。此外，化學工程與工藝專業(yè)培養(yǎng)方案中盡管強調了化工制圖和化工工藝計算部分，執(zhí)行時缺乏具體化，如對Solid Works、Ansys workbench等專業(yè)軟件學習內容，未安排上機實踐，以及涉及很少或未設置相應實踐課。

2 化工設計課程教學改革的設想與具體做法

2.1 對所設置課程進行精細分類化教學

建立以學生能力培養(yǎng)，學生“學”為中心的教學過程，認真梳理工程類課程的性質和特點，對所設置的課程進行精細分類，根據每項工程能力，設置理論、實驗和實踐課程教學環(huán)節(jié)。經反復分析后，我們認為化工專業(yè)工程應用能力由以下三種能力組成：設備設計及檢修能力、繪圖識圖能力和新產品開發(fā)和工藝設計能力。針對設備設計及檢修能力的培養(yǎng)，應設置化工原理、化工設備機械、化學反應工程等專業(yè)課程；繪圖識圖能力的培養(yǎng)，應設置化工制圖、CAD制圖等課程，新產品開發(fā)和工藝設計能力的培養(yǎng)，應設置化工工藝學、化工設計、化工過程分析與綜合和專業(yè)軟件課程(如Aspen Plus、Ansys workbench、3D制圖)。

2.2 工程化教學

由于工程類課程本身具有很強的實踐參與的特殊性，其教學過程應重視工程實踐，適當的工程實踐可以提高工程能力[6-7]。因此，為了適應工程化人才培養(yǎng)的需要，我們應該重視并加強課程的工程實踐教學。經分析總結和借鑒其他高校的做法，我們擬從兩方面對其進行改革，以實現工程類課程的工程化教學。

2.2.1 建立企業(yè)導師制和引進工程項目進課堂

充分利用社會資源，積極與貴州省化工醫(yī)藥行企業(yè)合作，推出企業(yè)導師制，這樣既可以更好地培養(yǎng)學生的工程應用能力，又可以提高學生的工程素質，增強學生的就業(yè)競爭力。通過這種方式，進一步拓寬教學資源，使課堂有機會由課堂向企業(yè)轉移，避免課程封閉。另外，簡化工程實踐中涉及的實驗，將其作為工程實驗課程的一部分。以實際項目為背景，實驗更具針對性，更貼近工程實際，學生能更好地把握全局，這將極大地促進學生的思維，激發(fā)學生的學習興趣和智力，提高學生的創(chuàng)新能力。

2.2.2 建立和完善校內設計競賽的比賽機制

設計類競賽如制藥工程設計大賽和全國化工設計大賽均能夠有效促進工程素質和應用能力的培養(yǎng)[8-9]，本次制藥工程設計大賽為我校首次參加全國類設計比賽，我們計劃以此為契機，建立和完善校園設計競賽的競賽機制，有效提高設計競賽的參與率和覆蓋率，根據不同專業(yè)學生的學習情況實施分層設計訓練計劃，并制定詳細的評分依據，使所有學生都能得到設計訓練。

3 總結

設計類競賽無論對化工設計課程的教學手段、教學方法，還是指導教師的專業(yè)技術水平等都提出了更高的要求[10]。在學生培養(yǎng)過程中，由于傳統(tǒng)的化學工程課程的教師不熟悉計算機，而教授計算機的教師不熟悉化學工程設計，這往往導致教學與實踐脫節(jié)，從而阻礙化學工程學生學習最實用的知識。因此，需要加快建設一支掌握計算機技術和化工知識的專業(yè)教師隊伍。以本次2020年度全國大學生制藥工程設計競賽為契機，持續(xù)探索如何將新技術、新知識、新工藝、新方法等融入到教學中，培養(yǎng)與之相適應的人才，將是我校持續(xù)推進化工類課程教學改革的長期任務。