基于制藥工程設(shè)計(jì)競賽的化工設(shè)計(jì)課程教學(xué)改革與探索

康自華，羅迎春，肖 寒

(貴州民族大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

隨著社會和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，醫(yī)藥行業(yè)對工程技術(shù)人才的要求越來越高，工程技術(shù)人才的創(chuàng)新能力集中體現(xiàn)在工程實(shí)踐中創(chuàng)造新技術(shù)成果的能力上，包括新產(chǎn)品和新技術(shù)的研發(fā)、新工藝和新設(shè)備的設(shè)計(jì)、新工廠生產(chǎn)的操作方案。為了適應(yīng)大學(xué)生創(chuàng)新思維和工程能力的培養(yǎng)，實(shí)踐卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃2.0，加速新工科建設(shè)等各方面的需求[1]。教育部與各高校聯(lián)合企業(yè)，每年舉辦一屆全國大學(xué)生制藥工程設(shè)計(jì)競賽[2-3]。大學(xué)生參加這種類型設(shè)計(jì)大賽，不僅有利于激發(fā)競賽意識，弘揚(yáng)團(tuán)隊(duì)合作精神，拓展知識面，而且有利于培養(yǎng)創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力，對全面提高人才培養(yǎng)質(zhì)量具有重要意義。

該項(xiàng)賽事主要圍繞制藥工程科學(xué)領(lǐng)域，立足于制藥工程實(shí)踐，比賽題目的選擇范圍不僅限于新建設(shè)施，更涵蓋現(xiàn)有設(shè)施的改造、擴(kuò)建和運(yùn)行優(yōu)化等內(nèi)容。競賽要求由各參賽團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并制作一個(gè)具有特定工程背景的項(xiàng)目，項(xiàng)目設(shè)計(jì)中所涉及的內(nèi)容是一個(gè)課程組而不是一門課程。需要學(xué)習(xí)和掌握多門工程基礎(chǔ)課，如：《化工原理》、《化工制圖基礎(chǔ)》、《制藥工藝學(xué)》、《制藥設(shè)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(xiàng)賽事。

設(shè)計(jì)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]?；瘜W(xué)工程設(shè)計(jì)課程一般講授工藝設(shè)計(jì)計(jì)算、機(jī)械設(shè)備圖和流程圖等，對工程實(shí)用性強(qiáng)的計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算和繪圖重視較少。課程內(nèi)容設(shè)置范圍的大小直接影響到學(xué)生工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)。因此，根據(jù)國家教育部關(guān)于新工科建設(shè)和卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃2.0要求，加快專業(yè)的轉(zhuǎn)型，化工設(shè)計(jì)課程教學(xué)改革勢在必行。

1 工程設(shè)計(jì)競賽對化工設(shè)計(jì)教學(xué)的促進(jìn)作用

1.1 化工設(shè)計(jì)課程體系建設(shè)

貴州民族大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院始建于1984年，經(jīng)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(xué)工程和民族醫(yī)藥三個(gè)學(xué)科，并先后獨(dú)立建院?；瘜W(xué)工程學(xué)院2019年獨(dú)立建院，下設(shè)應(yīng)用化學(xué)、化學(xué)工程與工藝、過程控制工藝系。擁有“化學(xué)工程與技術(shù)”一級學(xué)科學(xué)術(shù)型碩士學(xué)位授權(quán)點(diǎn)和“材料與化學(xué)工程”專業(yè)型碩士學(xué)位授權(quán)點(diǎn)。此外還設(shè)有基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心承擔(dān)全校12個(gè)專業(yè)四大基礎(chǔ)化學(xué)的理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

根據(jù)院所開設(shè)的應(yīng)用化學(xué)、化學(xué)工程與工藝和過程控制工藝等三個(gè)專業(yè)特點(diǎn)，專業(yè)工程類課程主要設(shè)置有：《化工原理》、《反應(yīng)工程》、《化工熱力學(xué)》、《傳遞過程》、《分離工程》、《化工過程分析與綜合》、《化工設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》、《化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)》、《化工制圖與AUTOCAD》等。這些課程都具有非常強(qiáng)的工程性。

1.2 設(shè)計(jì)競賽對培養(yǎng)學(xué)生工程素質(zhì)的促進(jìn)

工程類課程的教學(xué)對該專業(yè)的學(xué)生來說是至關(guān)重要的。今后，絕大部分同學(xué)會選擇工程師作為自己的職業(yè)，將主要從工程實(shí)際出發(fā)，完成產(chǎn)品從實(shí)驗(yàn)室階段到工業(yè)生產(chǎn)的轉(zhuǎn)變。如果只是知道實(shí)驗(yàn)室合成技術(shù)或產(chǎn)品生產(chǎn)原理，卻不能夠進(jìn)行工程應(yīng)用，則無法承擔(dān)工業(yè)生產(chǎn)中老產(chǎn)品的升級改造、新產(chǎn)品的投產(chǎn)和車間的設(shè)計(jì)[5]。通過參加設(shè)計(jì)競賽，學(xué)生能夠獲得綜合利用所學(xué)專業(yè)知識、增強(qiáng)工程設(shè)計(jì)素質(zhì)的機(jī)會。

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

1.3 課程教學(xué)存在的問題

1.3.1 教學(xué)資源匱乏，教學(xué)過程單向

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

1.3.2 重理論，輕實(shí)踐，課程單一

理論課時(shí)多，在我院實(shí)際教學(xué)過程中，一些長期從事化工教育的教師對工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)認(rèn)識不足。在課程設(shè)計(jì)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(xué)內(nèi)容方面，以前的化工設(shè)計(jì)教學(xué)主要講授理論知識，注重培養(yǎng)學(xué)生對標(biāo)準(zhǔn)的使用，根據(jù)設(shè)計(jì)項(xiàng)目有目的的進(jìn)行查閱和使用標(biāo)準(zhǔn)，能夠熟練的閱讀圖紙，在化工設(shè)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(xué)生掌握計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的內(nèi)容，不注重培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)。

實(shí)踐課程內(nèi)容單一，在我院化工專業(yè)工程類課程的實(shí)踐課程中，學(xué)生根據(jù)老師的介紹，這項(xiàng)任務(wù)可以通過簡單的動手操作來完成。雖然也有化學(xué)設(shè)計(jì)競賽等學(xué)科為學(xué)生提供相關(guān)的實(shí)踐教學(xué)平臺，但由于參與者數(shù)量有限和個(gè)人原因，學(xué)生的工程實(shí)踐能力整體不高。因此，建立和完善設(shè)計(jì)競賽機(jī)制、擴(kuò)大競賽覆蓋面、加強(qiáng)校企合作、探索多元化實(shí)踐教學(xué)方式也是專業(yè)教師面臨的一個(gè)重要問題。

1.3.3 課程之間聯(lián)系少，上機(jī)實(shí)踐課時(shí)少

課程之間聯(lián)系少，我們目前所開設(shè)的化工設(shè)計(jì)類工程課程之間聯(lián)系少，以及這些課程之間聯(lián)系不夠緊密，結(jié)合專業(yè)特點(diǎn)和我校教學(xué)實(shí)際，許多工程實(shí)踐課程，如《化學(xué)工程》、《分離工程》、《傳遞過程》、《化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)》、《化工制圖與AUTOCAD》等，存在課程之間聯(lián)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(shí)踐不是有一個(gè)教師單獨(dú)完成，而是通過兩個(gè)老師進(jìn)行合上的現(xiàn)象，造成，理論和實(shí)踐脫節(jié)，甚至出現(xiàn)課程之間出現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容重復(fù)的現(xiàn)象。例如，單元操作的化工機(jī)械設(shè)備和化工原理中相關(guān)章節(jié)內(nèi)容重復(fù)。因此，很難為學(xué)生形成在學(xué)業(yè)上的核心技能，無法從理論到實(shí)驗(yàn)整合工程課程實(shí)踐，從而無法滿足提高工程質(zhì)量的要求。

軟件操作課時(shí)少，在課程設(shè)置中雖然設(shè)置了化工制圖和機(jī)械制圖，但兩者均強(qiáng)調(diào)看圖視圖的能力培養(yǎng)，而缺少計(jì)算機(jī)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(shè)的《化工過程綜合與分析》中有所涉及，但教學(xué)要求相對簡單，無法讓學(xué)生真正重視和掌握該軟件。此外，化學(xué)工程與工藝專業(yè)培養(yǎng)方案中盡管強(qiáng)調(diào)了化工制圖和化工工藝計(jì)算部分，執(zhí)行時(shí)缺乏具體化，如對Solid Works、Ansys workbench等專業(yè)軟件學(xué)習(xí)內(nèi)容，未安排上機(jī)實(shí)踐，以及涉及很少或未設(shè)置相應(yīng)實(shí)踐課。

2 化工設(shè)計(jì)課程教學(xué)改革的設(shè)想與具體做法

2.1 對所設(shè)置課程進(jìn)行精細(xì)分類化教學(xué)

建立以學(xué)生能力培養(yǎng)，學(xué)生“學(xué)”為中心的教學(xué)過程，認(rèn)真梳理工程類課程的性質(zhì)和特點(diǎn)，對所設(shè)置的課程進(jìn)行精細(xì)分類，根據(jù)每項(xiàng)工程能力，設(shè)置理論、實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐課程教學(xué)環(huán)節(jié)。經(jīng)反復(fù)分析后，我們認(rèn)為化工專業(yè)工程應(yīng)用能力由以下三種能力組成：設(shè)備設(shè)計(jì)及檢修能力、繪圖識圖能力和新產(chǎn)品開發(fā)和工藝設(shè)計(jì)能力。針對設(shè)備設(shè)計(jì)及檢修能力的培養(yǎng)，應(yīng)設(shè)置化工原理、化工設(shè)備機(jī)械、化學(xué)反應(yīng)工程等專業(yè)課程；繪圖識圖能力的培養(yǎng)，應(yīng)設(shè)置化工制圖、CAD制圖等課程，新產(chǎn)品開發(fā)和工藝設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)，應(yīng)設(shè)置化工工藝學(xué)、化工設(shè)計(jì)、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(xué)

由于工程類課程本身具有很強(qiáng)的實(shí)踐參與的特殊性，其教學(xué)過程應(yīng)重視工程實(shí)踐，適當(dāng)?shù)墓こ虒?shí)踐可以提高工程能力[6-7]。因此，為了適應(yīng)工程化人才培養(yǎng)的需要，我們應(yīng)該重視并加強(qiáng)課程的工程實(shí)踐教學(xué)。經(jīng)分析總結(jié)和借鑒其他高校的做法，我們擬從兩方面對其進(jìn)行改革，以實(shí)現(xiàn)工程類課程的工程化教學(xué)。

2.2.1 建立企業(yè)導(dǎo)師制和引進(jìn)工程項(xiàng)目進(jìn)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(dǎo)師制，這樣既可以更好地培養(yǎng)學(xué)生的工程應(yīng)用能力，又可以提高學(xué)生的工程素質(zhì)，增強(qiáng)學(xué)生的就業(yè)競爭力。通過這種方式，進(jìn)一步拓寬教學(xué)資源，使課堂有機(jī)會由課堂向企業(yè)轉(zhuǎn)移，避免課程封閉。另外，簡化工程實(shí)踐中涉及的實(shí)驗(yàn)，將其作為工程實(shí)驗(yàn)課程的一部分。以實(shí)際項(xiàng)目為背景，實(shí)驗(yàn)更具針對性，更貼近工程實(shí)際，學(xué)生能更好地把握全局，這將極大地促進(jìn)學(xué)生的思維，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和智力，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。

2.2.2 建立和完善校內(nèi)設(shè)計(jì)競賽的比賽機(jī)制

設(shè)計(jì)類競賽如制藥工程設(shè)計(jì)大賽和全國化工設(shè)計(jì)大賽均能夠有效促進(jìn)工程素質(zhì)和應(yīng)用能力的培養(yǎng)[8-9]，本次制藥工程設(shè)計(jì)大賽為我校首次參加全國類設(shè)計(jì)比賽，我們計(jì)劃以此為契機(jī)，建立和完善校園設(shè)計(jì)競賽的競賽機(jī)制，有效提高設(shè)計(jì)競賽的參與率和覆蓋率，根據(jù)不同專業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況實(shí)施分層設(shè)計(jì)訓(xùn)練計(jì)劃，并制定詳細(xì)的評分依據(jù)，使所有學(xué)生都能得到設(shè)計(jì)訓(xùn)練。

3 總結(jié)

設(shè)計(jì)類競賽無論對化工設(shè)計(jì)課程的教學(xué)手段、教學(xué)方法，還是指導(dǎo)教師的專業(yè)技術(shù)水平等都提出了更高的要求[10]。在學(xué)生培養(yǎng)過程中，由于傳統(tǒng)的化學(xué)工程課程的教師不熟悉計(jì)算機(jī)，而教授計(jì)算機(jī)的教師不熟悉化學(xué)工程設(shè)計(jì)，這往往導(dǎo)致教學(xué)與實(shí)踐脫節(jié)，從而阻礙化學(xué)工程學(xué)生學(xué)習(xí)最實(shí)用的知識。因此，需要加快建設(shè)一支掌握計(jì)算機(jī)技術(shù)和化工知識的專業(yè)教師隊(duì)伍。以本次2020年度全國大學(xué)生制藥工程設(shè)計(jì)競賽為契機(jī)，持續(xù)探索如何將新技術(shù)、新知識、新工藝、新方法等融入到教學(xué)中，培養(yǎng)與之相適應(yīng)的人才，將是我校持續(xù)推進(jìn)化工類課程教學(xué)改革的長期任務(wù)。