“CDIO”工程教育理念指導(dǎo)下藥物化學(xué)教學(xué)改革的探索*

李凌凌，左振宇，黃 皓，楊忠華，陳 俊，秦曉蓉

(武漢科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，湖北 武漢 430081)

生物工程產(chǎn)業(yè)計(jì)劃下的生物制藥工程方向是一個(gè)以培養(yǎng)從事藥物制造的工程技術(shù)人才為目標(biāo)的化學(xué)、藥學(xué)和工程學(xué)交叉的工科專業(yè)[1-2]。生物工程產(chǎn)業(yè)計(jì)劃的培養(yǎng)方案，規(guī)定了培養(yǎng)生物制藥工程方向的學(xué)生，不僅要讓學(xué)生受到嚴(yán)格的、系統(tǒng)的基本知識(shí)、方法和技巧的訓(xùn)練，而且要培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維方式和創(chuàng)新精神，其中最重要是要提高學(xué)生的工程能力，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際、分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力，提升學(xué)生實(shí)際的實(shí)踐操作能力、創(chuàng)新精神以及與科學(xué)技術(shù)的發(fā)展相適應(yīng)的綜合能力。

工程教育認(rèn)證，是國(guó)際通行的工程教育保障制度，是實(shí)現(xiàn)工程教育國(guó)際互認(rèn)和工程師資格國(guó)際互認(rèn)的重要基礎(chǔ)[3]。生物制藥工程專業(yè)作為一個(gè)工科專業(yè)，要與國(guó)際接軌，就必須要接受工程教育認(rèn)證。不僅如此，根據(jù)教育部實(shí)施“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”試點(diǎn)的有關(guān)精神，要求高校能夠遵循高等工程教育教學(xué)的規(guī)律，以實(shí)際工程為背景，以工程技術(shù)為主線，著力提高學(xué)生的工程意識(shí)、工程素質(zhì)和工程實(shí)踐能力[4]。因此，除了培養(yǎng)方案的明確規(guī)定外，工程教育認(rèn)證和卓越工程師的教育培養(yǎng)要求，也對(duì)生物制藥工程專業(yè)方向培養(yǎng)學(xué)生的工程設(shè)計(jì)、解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力提出了挑戰(zhàn)。

CDIO(構(gòu)思conceive，設(shè)計(jì)design，實(shí)施implement，運(yùn)行operate)的工程教育理念是在培養(yǎng)學(xué)生掌握扎實(shí)的基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識(shí)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際的工程科學(xué)、技術(shù)知識(shí)、自身的終身學(xué)習(xí)能力、團(tuán)隊(duì)交流合作能力及在社會(huì)和企業(yè)環(huán)境下的建造能力[5，6]。因此，為了迎合工程教育認(rèn)證和卓越工程師的教育培養(yǎng)要求，培養(yǎng)綜合能力強(qiáng)、具有創(chuàng)新精神的生物制藥工程專業(yè)人才，將CDIO工程型人才培養(yǎng)模式引入到生物制藥工程的課程教學(xué)中是勢(shì)在必行的。

1 藥物化學(xué)教學(xué)現(xiàn)狀

藥物化學(xué)作為生物工程產(chǎn)業(yè)計(jì)劃生物制藥工程方向的核心學(xué)科之一，是一門(mén)以化學(xué)為基礎(chǔ)，涵蓋了生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、藥物學(xué)等內(nèi)容的綜合性、交叉性學(xué)科，對(duì)生物制藥工程方向的學(xué)生培養(yǎng)至關(guān)重要[6]。然而，在目前的藥物化學(xué)教學(xué)中，存在著教學(xué)內(nèi)容過(guò)于陳舊、理論教學(xué)與工程實(shí)際相脫節(jié)、教學(xué)方法單一和實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)缺失等問(wèn)題，具體歸結(jié)如下：

1.1 教學(xué)內(nèi)容過(guò)于陳舊

藥物化學(xué)是一門(mén)不斷更新不斷發(fā)展的課程，但是目前教師的授課內(nèi)容大多局限于書(shū)本，有關(guān)藥物化學(xué)發(fā)展的最新動(dòng)態(tài)和熱點(diǎn)很少融入到教學(xué)中，導(dǎo)致學(xué)生的思維和求知欲受到壓抑，很難滿足創(chuàng)造性制藥專業(yè)人才的培養(yǎng)需求。

1.2 理論教學(xué)與工程實(shí)際相脫節(jié)

工程能力是生物制藥工程專業(yè)必備的核心能力，其中強(qiáng)調(diào)了提高工程基礎(chǔ)知識(shí)的培養(yǎng)。但是目前，在實(shí)際的教學(xué)過(guò)程，由于教學(xué)課時(shí)的限制，教學(xué)模式的傳統(tǒng)，導(dǎo)致課本的理論知識(shí)與工程實(shí)踐沒(méi)有很好地結(jié)合起來(lái)，沒(méi)法促進(jìn)學(xué)生形成系統(tǒng)的生物制藥工程知識(shí)體系。

1.3 教學(xué)方法單一

藥物化學(xué)的課程教學(xué)中需要介紹的藥物品種繁多，內(nèi)容不僅涉及到化學(xué)結(jié)構(gòu)、命名、理化性質(zhì)等，而且涉及藥物的制備、構(gòu)效關(guān)系、藥理和藥物代謝等，知識(shí)復(fù)雜難懂且枯燥乏味，抽象度很高。但是目前，藥物化學(xué)的教學(xué)方式采用的是老師講、學(xué)生聽(tīng)為主的填鴨式教學(xué)，將理論知識(shí)平鋪直敘地灌輸給學(xué)生，這樣的教學(xué)不僅不能調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性，而且會(huì)讓學(xué)生慢慢失去對(duì)藥物化學(xué)的學(xué)習(xí)興趣，嚴(yán)重影響了學(xué)生的思維能力和創(chuàng)新精神。

1.4 實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)缺失

藥物化學(xué)是一門(mén)綜合性和實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科，但是在實(shí)際的教學(xué)過(guò)程中，重理論輕實(shí)踐，導(dǎo)致實(shí)踐教學(xué)的經(jīng)費(fèi)投入一直不足，嚴(yán)重影響了藥物化學(xué)實(shí)踐教學(xué)的開(kāi)展。另外，生物制藥工程專業(yè)的理論課需要緊緊圍繞三大知識(shí)板塊(藥學(xué)板塊、生物板塊和工程板塊)進(jìn)行，然而在目前的生物制藥工程實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中，三大知識(shí)模塊雖然各自開(kāi)設(shè)實(shí)驗(yàn)課，也互相融合形成專業(yè)大實(shí)驗(yàn)，但是知識(shí)點(diǎn)零散，沒(méi)有圍繞制藥這條主線設(shè)置綜合型實(shí)驗(yàn)。

由此可見(jiàn)，藥物化學(xué)教學(xué)中存在的這些問(wèn)題，必然會(huì)影響生物制藥工程教育目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。因此，必須改變這些傳統(tǒng)教學(xué)模式，將培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力放在首位，運(yùn)用CDIO理念對(duì)教學(xué)中的內(nèi)容、方法、實(shí)踐教學(xué)等方面進(jìn)行全新的構(gòu)思與設(shè)計(jì)，將理論、實(shí)踐和創(chuàng)新融為一體，以適應(yīng)醫(yī)藥行業(yè)對(duì)制藥人才的需求。

2 CDIO理念指導(dǎo)下的藥物化學(xué)教學(xué)改革

在生物制藥工程專業(yè)中，藥物化學(xué)負(fù)責(zé)將藥學(xué)知識(shí)與化學(xué)知識(shí)、生物學(xué)知識(shí)等有機(jī)地結(jié)合在一起，促進(jìn)學(xué)生建立生物制藥知識(shí)結(jié)構(gòu)體系，對(duì)于培養(yǎng)能夠符合工程教育認(rèn)證和“卓越工程師”的要求且綜合能力強(qiáng)、具有創(chuàng)新精神的制藥工程專業(yè)人才，有著不可替代的基石作用。要實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新性制藥人才的培養(yǎng)，就必須從多層面對(duì)藥物化學(xué)進(jìn)行全方位的教學(xué)改革[7]。本論文嘗試從教學(xué)內(nèi)容的組織、優(yōu)化及實(shí)時(shí)更新，教學(xué)方法的多樣化和先進(jìn)教學(xué)手段的引入及圍繞制藥開(kāi)展實(shí)踐教學(xué)三個(gè)方面，將CDIO工程教育理念引入到藥物化學(xué)的教學(xué)改革中，教學(xué)改革總體的框架設(shè)計(jì)思路如圖1所示。

圖1 CDIO理念指導(dǎo)下藥物化學(xué)的教學(xué)改革總體框架Fig.1 Scheme of pharmaceutical chemistry teaching reform based on CDIO concept

2.1 教學(xué)內(nèi)容的組織、優(yōu)化及實(shí)時(shí)更新

按照“立足專業(yè)特點(diǎn)、面向工程實(shí)際、注重應(yīng)用能力、提高綜合素質(zhì)”這一設(shè)計(jì)思想，CDIO教育體系旨在培養(yǎng)工程技術(shù)人員素質(zhì)，培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)和工程思維方式，因此，進(jìn)行藥物化學(xué)的教學(xué)改革時(shí)，要引導(dǎo)學(xué)生面向工程，增加教學(xué)內(nèi)容中的工程因素，將工程案例貫穿到教學(xué)的始終，通過(guò)對(duì)工程案例的分析來(lái)加深學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的理解，強(qiáng)化學(xué)生的工程意識(shí)和實(shí)踐能力。譬如：介紹抗生素這一章節(jié)時(shí)，以紅霉素的生產(chǎn)工藝作為工程案例，闡述生產(chǎn)大環(huán)類脂內(nèi)抗生素藥物的具體工藝路線(菌種的選育→培養(yǎng)基優(yōu)化→發(fā)酵→提取純化)，展示發(fā)酵和提取工藝工段中的設(shè)備，介紹常用的提取工藝方法，并引導(dǎo)學(xué)生自主查閱文獻(xiàn)，探尋工藝路線中可以優(yōu)化的工藝參數(shù)和可以改進(jìn)的生產(chǎn)工藝[8]。通過(guò)這種“以例說(shuō)理”的方式，不僅加深了學(xué)生對(duì)制藥工藝的認(rèn)識(shí)和理解，而且激發(fā)了學(xué)生對(duì)工程實(shí)踐案例的學(xué)習(xí)興趣，鼓勵(lì)了學(xué)生探索求知的精神。

另外，我國(guó)加入WTO后，仿制藥的歷史已經(jīng)結(jié)束，新藥的開(kāi)發(fā)進(jìn)入到了自主創(chuàng)新階段。在這樣的市場(chǎng)背景下，為了迎合生物制藥專業(yè)人才的培養(yǎng)從知識(shí)型向創(chuàng)造型的轉(zhuǎn)變，藥物化學(xué)的教學(xué)需要更加廣泛、豐富、實(shí)時(shí)更新的知識(shí)體系和內(nèi)容。因此，還需要將藥物化學(xué)發(fā)展的最新動(dòng)態(tài)和熱點(diǎn)，及時(shí)地更新和補(bǔ)充進(jìn)教學(xué)內(nèi)容中，讓學(xué)生對(duì)21世紀(jì)藥物化學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)有很好的把握，從而激發(fā)學(xué)生的思維和求知欲[9]。譬如，在介紹抗病毒藥物時(shí)，以新型冠狀病毒肺炎疫情為引子，引出廣譜抗RNA病毒藥物法匹拉韋，介紹該藥物的發(fā)展歷程，并圍繞著結(jié)構(gòu)改進(jìn)、制劑設(shè)計(jì)、制備工藝優(yōu)化及藥物新用途等方面，闡述法匹拉韋藥物的研究進(jìn)展[10]。這些最新的科研成果激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)，另外，通過(guò)介紹中國(guó)科學(xué)家在法匹拉韋藥物的發(fā)展中的卓越貢獻(xiàn)，也增強(qiáng)了學(xué)生的民族自豪感和進(jìn)行藥物研究的自信心。

2.2 教學(xué)方法的多樣化和先進(jìn)教學(xué)手段的引入

為了使學(xué)生在CDIO工程教育模式中發(fā)揮主體作用，對(duì)教學(xué)方法和教學(xué)手段進(jìn)行改革[11]，以引導(dǎo)學(xué)生對(duì)藥物化學(xué)這一核心課程產(chǎn)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

第1，采用多樣化的教學(xué)方法。傳統(tǒng)的教學(xué)法是以老師講、學(xué)生聽(tīng)為主的填鴨式教學(xué)，這種單一的教學(xué)模式難以適應(yīng)飛速發(fā)展的當(dāng)代藥學(xué)知識(shí)的傳授，不能有效地調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，因此嘗試在教學(xué)過(guò)程中將靈活多樣的教學(xué)方法(如啟發(fā)式、探究式、翻轉(zhuǎn)課堂等)引入課堂，以提高教學(xué)效果。以探究式教學(xué)方法為例，教師在授課過(guò)程中提出若干聯(lián)系實(shí)際的小課題，這些課題可以是關(guān)鍵的知識(shí)點(diǎn)或綜合性的知識(shí)，也可以是最新技術(shù)進(jìn)展。學(xué)生根據(jù)自己的興趣選擇課題，利用課余時(shí)間查閱文獻(xiàn)資料，小組內(nèi)部進(jìn)行合作學(xué)習(xí)，由此，不僅可以培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考問(wèn)題的能力，而且可以活躍課堂氣氛，培養(yǎng)學(xué)生觀察、分析和表達(dá)能力等。需要指出的是采用的教學(xué)方法之間不是孤立的而是交叉運(yùn)用的，開(kāi)展案例式教學(xué)時(shí)可以穿插啟發(fā)式教學(xué)，同時(shí)結(jié)合探究式教學(xué)[12]。譬如，解釋青霉素鈉需要制備成粉針的原因時(shí)，先引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)系日常生活中打針的情景，自主發(fā)現(xiàn)平時(shí)打針使用的青霉素鈉是粉針，且保存在醫(yī)用冰箱中，使用時(shí)需要現(xiàn)配水溶液的現(xiàn)象，再提出問(wèn)題，啟發(fā)學(xué)生思考造成這一現(xiàn)象的原因，并通過(guò)自主學(xué)習(xí)了解到青霉素鈉不穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，最后，提供學(xué)生進(jìn)一步探究的課題，讓學(xué)生通過(guò)查找文獻(xiàn)、書(shū)籍、網(wǎng)絡(luò)等資料，總結(jié)臨床上需要制備成粉針再現(xiàn)配現(xiàn)用的藥物，并概括制備此劑型的原因。

第2，先進(jìn)教學(xué)手段的引入。引入現(xiàn)代化的教育技術(shù)，采用不同的表現(xiàn)媒體為學(xué)生展示教學(xué)內(nèi)容，可以打破傳統(tǒng)的單一教學(xué)資源的局限，以多媒體教學(xué)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)輔助教學(xué)等先進(jìn)的教學(xué)媒體為藥物化學(xué)的教學(xué)提供支持，由此，使得藥物結(jié)構(gòu)形象直觀，教學(xué)內(nèi)容圖、文、聲、像并茂，使得學(xué)生對(duì)藥物結(jié)構(gòu)增加感性知識(shí)，便于學(xué)生從整體上把握知識(shí)的系統(tǒng)性和完整性，使得感性認(rèn)識(shí)上升到理性認(rèn)識(shí)[13]。另外，從一些優(yōu)秀的教學(xué)網(wǎng)站中下載一些如flash動(dòng)畫(huà)和視頻等教學(xué)資源，這樣，可以通過(guò)簡(jiǎn)短的語(yǔ)言、明快的節(jié)奏，將藥物化學(xué)中一些抽象的藥理概念剖析透徹，為翻轉(zhuǎn)課堂的開(kāi)設(shè)提供堅(jiān)實(shí)的平臺(tái)，由此激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)效率。譬如，介紹利尿藥時(shí)，可以采用flash、視頻展示尿的形成過(guò)程，將如此復(fù)雜的藥理知識(shí)可視化，便于學(xué)生理解利尿藥促進(jìn)尿液形成的機(jī)理。

2.3 嘗試圍繞制藥主線開(kāi)展實(shí)踐教學(xué)

實(shí)踐環(huán)節(jié)是CDIO模式下教學(xué)環(huán)境中非常重要的組成部分，其根本任務(wù)是培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神，提高學(xué)生的科研潛質(zhì)和創(chuàng)新能力[14-15]。本項(xiàng)目擬充分利用已有的教學(xué)基礎(chǔ)設(shè)施，通過(guò)以下方式圍繞制藥這一主線，開(kāi)展實(shí)踐教學(xué)：

第一，開(kāi)展專題講座。以原料、制劑、檢驗(yàn)及藥理為主線，介紹生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)線，其中涉及車間設(shè)計(jì)、設(shè)備選型及發(fā)酵、檢驗(yàn)儀器操作等實(shí)際操作；

第二，開(kāi)展開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)，開(kāi)闊學(xué)生的學(xué)科視野，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。可結(jié)合學(xué)生實(shí)際能力和完成水平，利用大學(xué)生科技創(chuàng)新基金研究等實(shí)踐環(huán)節(jié)，提供給學(xué)生具體的研究項(xiàng)目，激勵(lì)學(xué)生主動(dòng)參與、主動(dòng)思考與主動(dòng)學(xué)習(xí)，培養(yǎng)大學(xué)生工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。在此教學(xué)過(guò)程中，教師根據(jù)自身的研究方向(譬如生物催化生產(chǎn)手性藥物)，引入具有科研前沿背景和符合工廠實(shí)際需求的題目，為培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力，提供平臺(tái)[15]。

第三，推進(jìn)產(chǎn)、教、研協(xié)同育人，邀請(qǐng)企業(yè)專家參與藥物化學(xué)課程建設(shè)。邀請(qǐng)東陽(yáng)光集團(tuán)、遠(yuǎn)大醫(yī)藥等企業(yè)的專家作為課程的兼職指導(dǎo)老師，向?qū)W生們介紹生物技術(shù)領(lǐng)域的最新科研成果、先進(jìn)技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化經(jīng)驗(yàn)。通過(guò)真實(shí)的新藥研究開(kāi)發(fā)案例的教學(xué)，不僅能夠讓學(xué)生更好地理解新藥研究開(kāi)發(fā)的過(guò)程，而且加強(qiáng)了學(xué)生對(duì)醫(yī)藥行業(yè)的認(rèn)識(shí)[16]。

第四，充分利用校外實(shí)踐教學(xué)基地，強(qiáng)化學(xué)生的工程實(shí)踐能力、職業(yè)素養(yǎng)和創(chuàng)新能力。目前，本專業(yè)與東陽(yáng)光集團(tuán)、湖北人民制藥、遠(yuǎn)大醫(yī)藥集團(tuán)等著名企業(yè)合作，建立了5個(gè)穩(wěn)定的實(shí)踐教學(xué)基地。學(xué)生們可以在實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)基地里實(shí)踐藥物化學(xué)課程中的理論知識(shí)，在工程技術(shù)人員的指導(dǎo)下，按照崗位進(jìn)行菌種培養(yǎng)、發(fā)酵、提取、分離純化、制劑等操作，了解生物制藥車間工藝的流程，掌握設(shè)備的型號(hào)、結(jié)構(gòu)及工作原理等，在一線的生產(chǎn)崗位上鍛煉學(xué)生的職業(yè)素養(yǎng)和工程實(shí)踐能力，并通過(guò)直面實(shí)際藥品生產(chǎn)中的問(wèn)題，促進(jìn)學(xué)生思考解決問(wèn)題的思路和方案，培養(yǎng)他們解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力以及實(shí)踐創(chuàng)新能力。

3 結(jié) 語(yǔ)

CDIO教育模式以培養(yǎng)學(xué)生的工程應(yīng)用能力和綜合創(chuàng)新能力為宗旨，將CDIO理念應(yīng)用于針對(duì)生物工程產(chǎn)業(yè)計(jì)劃生物制藥工程方向的藥物化學(xué)教學(xué)改革中。從CDIO能力培養(yǎng)的目標(biāo)出發(fā)，通過(guò)實(shí)時(shí)更新教學(xué)內(nèi)容，重視工程案例教學(xué)，實(shí)施多樣化的教學(xué)方法，豐富現(xiàn)代化的教學(xué)手段，圍繞制藥主線開(kāi)展實(shí)踐教學(xué)，將理論、實(shí)踐和創(chuàng)新融為一體，促進(jìn)學(xué)生的創(chuàng)新能力、綜合實(shí)踐能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力的培養(yǎng)。