“競賽驅動虛實結合四級推進”提高“生物工程工廠設計”課程質量的研究與實踐

田毅紅，劉呈雄，任立偉，龔美珍，龔大春

（三峽大學 生物與制藥學院，湖北 宜昌 443003）

生物工程專業是一門實踐性、工程性很強的應用學科，在“卓越工程師培養計劃”背景下，順應工程教育改革“重實踐、重綜合、重創造”的方向和趨勢，培養造就一支知識結構、專業素質和綜合能力俱佳，能在未來生物醫藥工程領域發揮作用的應用型人才，對學校本科質量工程的實施，服務地方經濟具有深遠意義[1]。

設計類課程是生物工程專業一門實踐性很強專業核心課程，主要包括課程設計、車間設計和工廠設計，根據教學大綱的要求，要求學生掌握生物工程專業工廠設計的程序及相關設計通則，能夠針對食品發酵與生物醫藥生產復雜工程問題的解決方案明確設計目標，開展可行性論證，確定工藝方案，通過工藝計算，能夠進行設備選型，并在設計環節中呈現創新意識，綜合考慮市場、社會、健康、安全、法律、文化、環保等因素，培養學生生物工程設計能力和一定的項目管理能力。但實際上年青學生沒有步入社會，沒有任何工程經驗，對項目現場的問題知之甚少，不知道如何運用所學知識來解決復雜工程問題。因此，教學模式與實際現狀脫節，無法達到理想的結果。

為了實施滿足工程教育認證的課程目標，從學生進校起，通過專業教育，潛移默化地將設計的思想貫穿到整個4年大學學習中，通過舉辦校內設計比賽，參加相關國家級競賽，修改和完善人才培養方案，開設相關課程等措施，構建了較為完善的工程設計課程體系、評價體系和管理模式[2]，在強化工程意識、培養學生解決復雜工程問題的能力等方面進行了有益的探索。

1 提前引導創意設計樹立“一級”工程設計的理念

為了讓學生進大學就開始樹立工程設計理念，將軟件類AutoCAD制圖課程前移，大一開課，學習制圖技巧與生活密切相關，在校內舉辦釀造設計大賽，選擇一些生物發酵的小產品，如酸奶、米酒、果醋、果酒等[3]，進行小設計，參賽學生主要是大一和大二學生，由于沒有學習專業知識，主要進行創意設計，學生通過查閱資料，能畫出簡單的方框流程圖，對工藝流程有一定了解，這個階段，創意說明書更側重于產品市場分析、可行性研究和簡單成本核算等方面的內容。

2 基于典型單元操作設備的設計 強化“二級”課程設計訓練

在大二學完“化工原理”后主要進行換熱器、塔器、噴霧干燥、萃取塔的設計，通過設計可以使學生了解單元操作設備設計程序，根據任務書的要求，進行設計計算，針對部分復雜計算，可以采用計算機輔助計算，將Orgin，Excel，Aspen等軟件引入到課程設計中，計算機輔助設計可以大大提高計算效率，同時可以實現過程的優化，為今后的工廠設計打下基礎。例如，噴霧干燥在生物工程領域應用廣泛，在課程設計中要求學生查閱資料，了解噴霧干燥在生物醫藥領域的應用實例，學習噴霧干燥流程，對設備結構尺寸、接管進行計算與選型，同時，對附屬設備（風機、收塵器）也要進行選型，在設計中，還要考慮干燥廢氣的余熱利用，廢氣排放是否達到環保標準等問題；在圖紙繪制階段，要求用AutoCAD繪制工藝流程圖和設備工藝條件圖，讀懂工藝流程圖，并正確表達設備工藝條件圖，合理布置管口方位；設計說明書中除了工藝計算部分內容，還應關注設計對環境安全等方面的影響，樹立綠色經濟的理念，寫出設計評價。通過設計要樹立工藝上可行、環保安全等工程概念，強化工程意識；通過答辯，可以衡量學生是否了解了整個設計過程，是否學會設備選型、繪圖、讀圖，設計是否合理、設計中有沒有體現節能環保理念是對學生綜合能力的一種考查。

3 基于生工設備和車間設計 強化“三級”車間設計訓練

在學完“生物工程設備”“發酵工藝學”后，進行設備和車間工藝流程設計，會涉及到設計方案選擇、工藝計算和設備選型、車間布置等，選擇了常見的大宗生物工程產品作為設計題目，主要包括①淀粉水解糖制備工藝設計；②味精、氨基酸、酶制劑、酒精、酵母、抗生素等食品藥品發酵車間設計；③生物產品提取、精制車間設計；④廢水生物處理車間設計。

由于生物工程產品主要是氨基酸、有機酸、抗生素、酶制劑等，生產工藝和化工工藝不太相同，大多產品采用分批發酵或流加發酵，根據產品質量的要求，涉及到的主要設備有發酵罐、真空濃縮、離子交換柱、雙水相萃取、膜分離、噴霧干燥、冷凍干燥等，在學完“生物工程設備”課程后，結合課程可以進行產品的車間工藝設計和設備選型，計算一般包括物料衡算和熱量衡算，計算過程要通過順序計算法或倒推計算法，通過物料衡算的結果，才能確定設備的數量、尺寸，進行設備選型、典型設備的結構計算與核算。前面經過課程設計的訓練，對典型設備的計算及選型、制圖規范已經有了較深入的了解，故典型設備圖繪制較規范，經過幾年實踐筆者發現，學生對提取車間設備計算及選型、車間布置感覺比較困難，因為提取、精制車間設計資料較少，很多產品（如青霉素、谷氨酸等）提取精制工藝路線很長，涉及的設備較多，且每一步提取的收率、物料的濃度、母液的濃度等工藝數據難以估算，造成這部分設計內容單薄，設計依據不夠充分；繪制車間設備布置圖時，需要將設備和建筑同時表達，還要符合GMP規范，有一定難度。因此，實現對“工程與社會”“環境可持續發展”“職業規范”“項目管理”等工程素養的訓練，還要與其他課程協同培養。

3.1 依托專業綜合大實驗，進行車間模擬設計

學院有一條與釀酒工藝學配套的啤酒發酵生產線，學生從麥芽粉碎、麥汁糖化、麥醪過濾、麥汁煮沸、冷卻及啤酒發酵等過程，了解了小型啤酒釀造工藝，對麥芽粉碎、糖化煮沸鍋、過濾槽、發酵罐、板式換熱器設備結構、管路、閥門等操作均有了深入的了解。學生不僅熟悉了啤酒生產工藝和操作要點，還可以品嘗自己親手釀造的啤酒，寓教于樂，激發了學生的學習興趣。在實驗操作的基礎上，布置設計任務，進行啤酒生產線的設計，按照新的專業認證的要求，將創新創業的理念滲透到設計任務中，鼓勵學生進行項目論證，成本核算，考慮三廢處理和對環境的要求，樹立工程經濟的觀點，培養學生的創新創業意識[4]。

3.2 依托周邊企業，結合認識實習和生產實習內容進行模擬設計

宜昌周邊有安琪酵母、東陽光制藥、三峽制藥等大型發酵企業，均與學校建立了產學研基地，在生產實習前，教師先發布工廠設計任務書，要求學生根據實習大綱的要求，了解實習車間的工藝流程、典型設備型號規格、產品的基礎設計參數、車間設備的布置等，帶著任務去實習，結合工業電視，請工程師講解，收集了工廠實拍設備圖片和車間布置圖片，了解酵母、酶制劑、氨基酸等大宗生物工程產品的生產工藝，結合實習內容查閱資料進行車間模擬設計。以酶制劑生產車間設計為例，通過參觀車間，對無菌空氣制備、尾氣分析、尾氣處理、發酵車間、分離車間的布局有了一定認識，典型設備發酵罐、均質機、膜分離、離心機、噴霧干燥、凍干機有了一定了解，廠區參觀，對中控室、原料車間、產品車間、動力車間、公用工程、水電氣等車間，管線布局的認識有了提升，在進行車間布置和繪制工廠布置圖就容易了很多。

3.3 依托仿真軟件，進行車間模擬設計

由于很多制藥企業生產有嚴格的標準，不能接受學生參觀實習，無法實現每個學生都真正參與生產過程，只能采用虛擬仿真的形式，在學習了“氨基酸發酵工藝學”“生物制藥工藝學”之后，采用仿真軟件對谷氨酸鈉、青霉素發酵工藝進行了仿真模擬，對生產工藝和控制參數有了較深入的了解，在此基礎上布置設計任務書進行模擬設計，以此為拓展，其他類型的抗生素，如紅霉素、鏈霉素等，就可以舉一反三，進行模仿設計了。

在以前的設計中，可能主要考慮的是工藝設計，按照專業認證的要求，修改了教學大綱，在設計中增加了工程經濟等方面的內容，對三廢處理、環保等方面的問題都要綜合考慮。宜昌作為一個旅游城市，文明城市對環保的要求較高，按照長江大保護的要求，將沿江化工企業整體搬遷，順應新的形勢，在設計任務書中提出滿足“中國制造2025”文件精神，突出“綠色環保”概念[5]。強化學科間的聯系，將生物產品生產工藝與建筑、機械等方面知識聯系起來，樹立循環經濟的概念，對廢水廢氣廢渣等可以考慮循環利用，降低三廢處理成本。

4 基于全廠設計強化畢業設計“四級”訓練

工程類專業要求畢業設計類論文占60%以上，2020年由于疫情的影響，很多學生修改了畢業論文題目，進行畢業設計，參考化工設計大賽模式，對工廠設計考核制定了比較科學的評價體系，對建廠可行性報告、設計說明書、設計圖紙等每項內容都制定了比較詳細的評分標準，如建廠規模、產品方案、原料來源清單、公用工程需求量表、三廢排放量表、投資估算、經濟分析等；設計說明書部分，進行工藝方案論證，要求有2種以上工藝方案，從原料、設備、三廢處理成本、產品質量等方面進行方案論證，選取最優工藝路線，將車間設計內容進一步完善，要考慮公用工程、經濟分析等內容。通過制圖實踐，較熟練掌握了工廠總平面布局、生產車間及輔助車間的設計，請講授儀表自動控制的教師對PID圖中控制點的繪圖，讀圖進行專項培訓。并建立了科學的評價標準，內容包括平時表現、設計說明書、圖紙（2號圖紙2張，3號圖紙1張）和答辯。課程成績=平時表現×10%+答辯×20%+說明書×40%+圖紙×30%。

設計類課程成績評定標準見表1。

表1 設計類課程成績評定標準

5 結語

通過以上四步訓練，由小到大、由簡到繁、逐級訓練，使學生的設計能力有了一定程度的提高。從大二開始，鼓勵學生參加化工設計大賽、制藥工程設計大賽，學生組隊時采用老帶新的模式，即一個隊伍中大一、大二、大三的學生都有，很多學生參加了2屆以上比賽，設計能力、繪圖讀圖能力、團隊合作能力和表達能力均有所提升。雖然目前尚沒有面對生物工程的設計大賽，但可借鑒其他大賽的經驗和做法，生物工程專業的學生也多次參與化工設計大賽，并取得了較好的成績。

經過幾年的教學實踐，學生的工程設計能力和工程素質大幅提高，從課程目標的達成度分析可以看出，近2年，對環保、經濟、安全等相關問題的討論比例增加，符合專業認證和人才培養方案要求，強力支撐了設計、開發解決方案、工程與社會，環境與可持續發展，項目管理等畢業要求，其中畢業要求設計、開發解決方案達成度從2016屆畢業生的0.71提升到2020屆0.84。當然在改革實踐中還有很多不足之處，需要持續改進：①提高指導教師隊伍的水平，鼓勵年輕教師到企業鍛煉，積累工程經驗，熟悉生物產品工藝；②聘請設計院專家，相關企業工程師上課，加強師生交流，提高工程意識；③收集和整理下游提取、精制工藝設計及設備選型及車間布置資料，向有經驗的專家學習；④嘗試采用大案例教學，選擇少數能夠涵蓋課程每一章核心理論內容的案例，使這個案例貫穿整個教學過程，并通過教師的雙邊活動積極引導，學生的主動探索和師生平等對話，促進教與學的共同發展，培養學生的綜合能力[6]；⑤建立三維動態課件，把現代工廠三維虛擬實體搬到課堂上，將極大地提高學生學習的積極性，提高學生發酵工廠設計的積極性和科學性、實戰性，將三維虛擬仿真技術引入發酵工廠設計教學中對教育本身和受教育的學生都是一次重要的革新和嘗試[7]。