“競(jìng)賽驅(qū)動(dòng)虛實(shí)結(jié)合四級(jí)推進(jìn)”提高“生物工程工廠(chǎng)設(shè)計(jì)”課程質(zhì)量的研究與實(shí)踐

田毅紅，劉呈雄，任立偉，龔美珍，龔大春

（三峽大學(xué) 生物與制藥學(xué)院，湖北 宜昌 443003）

生物工程專(zhuān)業(yè)是一門(mén)實(shí)踐性、工程性很強(qiáng)的應(yīng)用學(xué)科，在“卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃”背景下，順應(yīng)工程教育改革“重實(shí)踐、重綜合、重創(chuàng)造”的方向和趨勢(shì)，培養(yǎng)造就一支知識(shí)結(jié)構(gòu)、專(zhuān)業(yè)素質(zhì)和綜合能力俱佳，能在未來(lái)生物醫(yī)藥工程領(lǐng)域發(fā)揮作用的應(yīng)用型人才，對(duì)學(xué)校本科質(zhì)量工程的實(shí)施，服務(wù)地方經(jīng)濟(jì)具有深遠(yuǎn)意義[1]。

設(shè)計(jì)類(lèi)課程是生物工程專(zhuān)業(yè)一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)專(zhuān)業(yè)核心課程，主要包括課程設(shè)計(jì)、車(chē)間設(shè)計(jì)和工廠(chǎng)設(shè)計(jì)，根據(jù)教學(xué)大綱的要求，要求學(xué)生掌握生物工程專(zhuān)業(yè)工廠(chǎng)設(shè)計(jì)的程序及相關(guān)設(shè)計(jì)通則，能夠針對(duì)食品發(fā)酵與生物醫(yī)藥生產(chǎn)復(fù)雜工程問(wèn)題的解決方案明確設(shè)計(jì)目標(biāo)，開(kāi)展可行性論證，確定工藝方案，通過(guò)工藝計(jì)算，能夠進(jìn)行設(shè)備選型，并在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中呈現(xiàn)創(chuàng)新意識(shí)，綜合考慮市場(chǎng)、社會(huì)、健康、安全、法律、文化、環(huán)保等因素，培養(yǎng)學(xué)生生物工程設(shè)計(jì)能力和一定的項(xiàng)目管理能力。但實(shí)際上年青學(xué)生沒(méi)有步入社會(huì)，沒(méi)有任何工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)的問(wèn)題知之甚少，不知道如何運(yùn)用所學(xué)知識(shí)來(lái)解決復(fù)雜工程問(wèn)題。因此，教學(xué)模式與實(shí)際現(xiàn)狀脫節(jié)，無(wú)法達(dá)到理想的結(jié)果。

為了實(shí)施滿(mǎn)足工程教育認(rèn)證的課程目標(biāo)，從學(xué)生進(jìn)校起，通過(guò)專(zhuān)業(yè)教育，潛移默化地將設(shè)計(jì)的思想貫穿到整個(gè)4年大學(xué)學(xué)習(xí)中，通過(guò)舉辦校內(nèi)設(shè)計(jì)比賽，參加相關(guān)國(guó)家級(jí)競(jìng)賽，修改和完善人才培養(yǎng)方案，開(kāi)設(shè)相關(guān)課程等措施，構(gòu)建了較為完善的工程設(shè)計(jì)課程體系、評(píng)價(jià)體系和管理模式[2]，在強(qiáng)化工程意識(shí)、培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力等方面進(jìn)行了有益的探索。

1 提前引導(dǎo)創(chuàng)意設(shè)計(jì)樹(shù)立“一級(jí)”工程設(shè)計(jì)的理念

為了讓學(xué)生進(jìn)大學(xué)就開(kāi)始樹(shù)立工程設(shè)計(jì)理念，將軟件類(lèi)AutoCAD制圖課程前移，大一開(kāi)課，學(xué)習(xí)制圖技巧與生活密切相關(guān)，在校內(nèi)舉辦釀造設(shè)計(jì)大賽，選擇一些生物發(fā)酵的小產(chǎn)品，如酸奶、米酒、果醋、果酒等[3]，進(jìn)行小設(shè)計(jì)，參賽學(xué)生主要是大一和大二學(xué)生，由于沒(méi)有學(xué)習(xí)專(zhuān)業(yè)知識(shí)，主要進(jìn)行創(chuàng)意設(shè)計(jì)，學(xué)生通過(guò)查閱資料，能畫(huà)出簡(jiǎn)單的方框流程圖，對(duì)工藝流程有一定了解，這個(gè)階段，創(chuàng)意說(shuō)明書(shū)更側(cè)重于產(chǎn)品市場(chǎng)分析、可行性研究和簡(jiǎn)單成本核算等方面的內(nèi)容。

2 基于典型單元操作設(shè)備的設(shè)計(jì) 強(qiáng)化“二級(jí)”課程設(shè)計(jì)訓(xùn)練

在大二學(xué)完“化工原理”后主要進(jìn)行換熱器、塔器、噴霧干燥、萃取塔的設(shè)計(jì)，通過(guò)設(shè)計(jì)可以使學(xué)生了解單元操作設(shè)備設(shè)計(jì)程序，根據(jù)任務(wù)書(shū)的要求，進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，針對(duì)部分復(fù)雜計(jì)算，可以采用計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算，將Orgin，Excel，Aspen等軟件引入到課程設(shè)計(jì)中，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)可以大大提高計(jì)算效率，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)過(guò)程的優(yōu)化，為今后的工廠(chǎng)設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。例如，噴霧干燥在生物工程領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，在課程設(shè)計(jì)中要求學(xué)生查閱資料，了解噴霧干燥在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用實(shí)例，學(xué)習(xí)噴霧干燥流程，對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸、接管進(jìn)行計(jì)算與選型，同時(shí)，對(duì)附屬設(shè)備（風(fēng)機(jī)、收塵器）也要進(jìn)行選型，在設(shè)計(jì)中，還要考慮干燥廢氣的余熱利用，廢氣排放是否達(dá)到環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)等問(wèn)題；在圖紙繪制階段，要求用AutoCAD繪制工藝流程圖和設(shè)備工藝條件圖，讀懂工藝流程圖，并正確表達(dá)設(shè)備工藝條件圖，合理布置管口方位；設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)中除了工藝計(jì)算部分內(nèi)容，還應(yīng)關(guān)注設(shè)計(jì)對(duì)環(huán)境安全等方面的影響，樹(shù)立綠色經(jīng)濟(jì)的理念，寫(xiě)出設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)。通過(guò)設(shè)計(jì)要樹(shù)立工藝上可行、環(huán)保安全等工程概念，強(qiáng)化工程意識(shí)；通過(guò)答辯，可以衡量學(xué)生是否了解了整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程，是否學(xué)會(huì)設(shè)備選型、繪圖、讀圖，設(shè)計(jì)是否合理、設(shè)計(jì)中有沒(méi)有體現(xiàn)節(jié)能環(huán)保理念是對(duì)學(xué)生綜合能力的一種考查。

3 基于生工設(shè)備和車(chē)間設(shè)計(jì) 強(qiáng)化“三級(jí)”車(chē)間設(shè)計(jì)訓(xùn)練

在學(xué)完“生物工程設(shè)備”“發(fā)酵工藝學(xué)”后，進(jìn)行設(shè)備和車(chē)間工藝流程設(shè)計(jì)，會(huì)涉及到設(shè)計(jì)方案選擇、工藝計(jì)算和設(shè)備選型、車(chē)間布置等，選擇了常見(jiàn)的大宗生物工程產(chǎn)品作為設(shè)計(jì)題目，主要包括①淀粉水解糖制備工藝設(shè)計(jì)；②味精、氨基酸、酶制劑、酒精、酵母、抗生素等食品藥品發(fā)酵車(chē)間設(shè)計(jì)；③生物產(chǎn)品提取、精制車(chē)間設(shè)計(jì)；④廢水生物處理車(chē)間設(shè)計(jì)。

由于生物工程產(chǎn)品主要是氨基酸、有機(jī)酸、抗生素、酶制劑等，生產(chǎn)工藝和化工工藝不太相同，大多產(chǎn)品采用分批發(fā)酵或流加發(fā)酵，根據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量的要求，涉及到的主要設(shè)備有發(fā)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(xué)完“生物工程設(shè)備”課程后，結(jié)合課程可以進(jìn)行產(chǎn)品的車(chē)間工藝設(shè)計(jì)和設(shè)備選型，計(jì)算一般包括物料衡算和熱量衡算，計(jì)算過(guò)程要通過(guò)順序計(jì)算法或倒推計(jì)算法，通過(guò)物料衡算的結(jié)果，才能確定設(shè)備的數(shù)量、尺寸，進(jìn)行設(shè)備選型、典型設(shè)備的結(jié)構(gòu)計(jì)算與核算。前面經(jīng)過(guò)課程設(shè)計(jì)的訓(xùn)練，對(duì)典型設(shè)備的計(jì)算及選型、制圖規(guī)范已經(jīng)有了較深入的了解，故典型設(shè)備圖繪制較規(guī)范，經(jīng)過(guò)幾年實(shí)踐筆者發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對(duì)提取車(chē)間設(shè)備計(jì)算及選型、車(chē)間布置感覺(jué)比較困難，因?yàn)樘崛?、精制?chē)間設(shè)計(jì)資料較少，很多產(chǎn)品（如青霉素、谷氨酸等）提取精制工藝路線(xiàn)很長(zhǎng)，涉及的設(shè)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(shù)據(jù)難以估算，造成這部分設(shè)計(jì)內(nèi)容單薄，設(shè)計(jì)依據(jù)不夠充分；繪制車(chē)間設(shè)備布置圖時(shí)，需要將設(shè)備和建筑同時(shí)表達(dá)，還要符合GMP規(guī)范，有一定難度。因此，實(shí)現(xiàn)對(duì)“工程與社會(huì)”“環(huán)境可持續(xù)發(fā)展”“職業(yè)規(guī)范”“項(xiàng)目管理”等工程素養(yǎng)的訓(xùn)練，還要與其他課程協(xié)同培養(yǎng)。

3.1 依托專(zhuān)業(yè)綜合大實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行車(chē)間模擬設(shè)計(jì)

學(xué)院有一條與釀酒工藝學(xué)配套的啤酒發(fā)酵生產(chǎn)線(xiàn)，學(xué)生從麥芽粉碎、麥汁糖化、麥醪過(guò)濾、麥汁煮沸、冷卻及啤酒發(fā)酵等過(guò)程，了解了小型啤酒釀造工藝，對(duì)麥芽粉碎、糖化煮沸鍋、過(guò)濾槽、發(fā)酵罐、板式換熱器設(shè)備結(jié)構(gòu)、管路、閥門(mén)等操作均有了深入的了解。學(xué)生不僅熟悉了啤酒生產(chǎn)工藝和操作要點(diǎn)，還可以品嘗自己親手釀造的啤酒，寓教于樂(lè)，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在實(shí)驗(yàn)操作的基礎(chǔ)上，布置設(shè)計(jì)任務(wù)，進(jìn)行啤酒生產(chǎn)線(xiàn)的設(shè)計(jì)，按照新的專(zhuān)業(yè)認(rèn)證的要求，將創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的理念滲透到設(shè)計(jì)任務(wù)中，鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行項(xiàng)目論證，成本核算，考慮三廢處理和對(duì)環(huán)境的要求，樹(shù)立工程經(jīng)濟(jì)的觀(guān)點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識(shí)[4]。

3.2 依托周邊企業(yè)，結(jié)合認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)和生產(chǎn)實(shí)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行模擬設(shè)計(jì)

宜昌周邊有安琪酵母、東陽(yáng)光制藥、三峽制藥等大型發(fā)酵企業(yè)，均與學(xué)校建立了產(chǎn)學(xué)研基地，在生產(chǎn)實(shí)習(xí)前，教師先發(fā)布工廠(chǎng)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)，要求學(xué)生根據(jù)實(shí)習(xí)大綱的要求，了解實(shí)習(xí)車(chē)間的工藝流程、典型設(shè)備型號(hào)規(guī)格、產(chǎn)品的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)參數(shù)、車(chē)間設(shè)備的布置等，帶著任務(wù)去實(shí)習(xí)，結(jié)合工業(yè)電視，請(qǐng)工程師講解，收集了工廠(chǎng)實(shí)拍設(shè)備圖片和車(chē)間布置圖片，了解酵母、酶制劑、氨基酸等大宗生物工程產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝，結(jié)合實(shí)習(xí)內(nèi)容查閱資料進(jìn)行車(chē)間模擬設(shè)計(jì)。以酶制劑生產(chǎn)車(chē)間設(shè)計(jì)為例，通過(guò)參觀(guān)車(chē)間，對(duì)無(wú)菌空氣制備、尾氣分析、尾氣處理、發(fā)酵車(chē)間、分離車(chē)間的布局有了一定認(rèn)識(shí)，典型設(shè)備發(fā)酵罐、均質(zhì)機(jī)、膜分離、離心機(jī)、噴霧干燥、凍干機(jī)有了一定了解，廠(chǎng)區(qū)參觀(guān)，對(duì)中控室、原料車(chē)間、產(chǎn)品車(chē)間、動(dòng)力車(chē)間、公用工程、水電氣等車(chē)間，管線(xiàn)布局的認(rèn)識(shí)有了提升，在進(jìn)行車(chē)間布置和繪制工廠(chǎng)布置圖就容易了很多。

3.3 依托仿真軟件，進(jìn)行車(chē)間模擬設(shè)計(jì)

由于很多制藥企業(yè)生產(chǎn)有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，不能接受學(xué)生參觀(guān)實(shí)習(xí)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)每個(gè)學(xué)生都真正參與生產(chǎn)過(guò)程，只能采用虛擬仿真的形式，在學(xué)習(xí)了“氨基酸發(fā)酵工藝學(xué)”“生物制藥工藝學(xué)”之后，采用仿真軟件對(duì)谷氨酸鈉、青霉素發(fā)酵工藝進(jìn)行了仿真模擬，對(duì)生產(chǎn)工藝和控制參數(shù)有了較深入的了解，在此基礎(chǔ)上布置設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)進(jìn)行模擬設(shè)計(jì)，以此為拓展，其他類(lèi)型的抗生素，如紅霉素、鏈霉素等，就可以舉一反三，進(jìn)行模仿設(shè)計(jì)了。

在以前的設(shè)計(jì)中，可能主要考慮的是工藝設(shè)計(jì)，按照專(zhuān)業(yè)認(rèn)證的要求，修改了教學(xué)大綱，在設(shè)計(jì)中增加了工程經(jīng)濟(jì)等方面的內(nèi)容，對(duì)三廢處理、環(huán)保等方面的問(wèn)題都要綜合考慮。宜昌作為一個(gè)旅游城市，文明城市對(duì)環(huán)保的要求較高，按照長(zhǎng)江大保護(hù)的要求，將沿江化工企業(yè)整體搬遷，順應(yīng)新的形勢(shì)，在設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)中提出滿(mǎn)足“中國(guó)制造2025”文件精神，突出“綠色環(huán)保”概念[5]。強(qiáng)化學(xué)科間的聯(lián)系，將生物產(chǎn)品生產(chǎn)工藝與建筑、機(jī)械等方面知識(shí)聯(lián)系起來(lái)，樹(shù)立循環(huán)經(jīng)濟(jì)的概念，對(duì)廢水廢氣廢渣等可以考慮循環(huán)利用，降低三廢處理成本。

4 基于全廠(chǎng)設(shè)計(jì)強(qiáng)化畢業(yè)設(shè)計(jì)“四級(jí)”訓(xùn)練

工程類(lèi)專(zhuān)業(yè)要求畢業(yè)設(shè)計(jì)類(lèi)論文占60%以上，2020年由于疫情的影響，很多學(xué)生修改了畢業(yè)論文題目，進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)，參考化工設(shè)計(jì)大賽模式，對(duì)工廠(chǎng)設(shè)計(jì)考核制定了比較科學(xué)的評(píng)價(jià)體系，對(duì)建廠(chǎng)可行性報(bào)告、設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)、設(shè)計(jì)圖紙等每項(xiàng)內(nèi)容都制定了比較詳細(xì)的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，如建廠(chǎng)規(guī)模、產(chǎn)品方案、原料來(lái)源清單、公用工程需求量表、三廢排放量表、投資估算、經(jīng)濟(jì)分析等；設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)部分，進(jìn)行工藝方案論證，要求有2種以上工藝方案，從原料、設(shè)備、三廢處理成本、產(chǎn)品質(zhì)量等方面進(jìn)行方案論證，選取最優(yōu)工藝路線(xiàn)，將車(chē)間設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)一步完善，要考慮公用工程、經(jīng)濟(jì)分析等內(nèi)容。通過(guò)制圖實(shí)踐，較熟練掌握了工廠(chǎng)總平面布局、生產(chǎn)車(chē)間及輔助車(chē)間的設(shè)計(jì)，請(qǐng)講授儀表自動(dòng)控制的教師對(duì)PID圖中控制點(diǎn)的繪圖，讀圖進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)培訓(xùn)。并建立了科學(xué)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)容包括平時(shí)表現(xiàn)、設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)、圖紙（2號(hào)圖紙2張，3號(hào)圖紙1張）和答辯。課程成績(jī)=平時(shí)表現(xiàn)×10%+答辯×20%+說(shuō)明書(shū)×40%+圖紙×30%。

設(shè)計(jì)類(lèi)課程成績(jī)?cè)u(píng)定標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

表1 設(shè)計(jì)類(lèi)課程成績(jī)?cè)u(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上四步訓(xùn)練，由小到大、由簡(jiǎn)到繁、逐級(jí)訓(xùn)練，使學(xué)生的設(shè)計(jì)能力有了一定程度的提高。從大二開(kāi)始，鼓勵(lì)學(xué)生參加化工設(shè)計(jì)大賽、制藥工程設(shè)計(jì)大賽，學(xué)生組隊(duì)時(shí)采用老帶新的模式，即一個(gè)隊(duì)伍中大一、大二、大三的學(xué)生都有，很多學(xué)生參加了2屆以上比賽，設(shè)計(jì)能力、繪圖讀圖能力、團(tuán)隊(duì)合作能力和表達(dá)能力均有所提升。雖然目前尚沒(méi)有面對(duì)生物工程的設(shè)計(jì)大賽，但可借鑒其他大賽的經(jīng)驗(yàn)和做法，生物工程專(zhuān)業(yè)的學(xué)生也多次參與化工設(shè)計(jì)大賽，并取得了較好的成績(jī)。

經(jīng)過(guò)幾年的教學(xué)實(shí)踐，學(xué)生的工程設(shè)計(jì)能力和工程素質(zhì)大幅提高，從課程目標(biāo)的達(dá)成度分析可以看出，近2年，對(duì)環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、安全等相關(guān)問(wèn)題的討論比例增加，符合專(zhuān)業(yè)認(rèn)證和人才培養(yǎng)方案要求，強(qiáng)力支撐了設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)解決方案、工程與社會(huì)，環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，項(xiàng)目管理等畢業(yè)要求，其中畢業(yè)要求設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)解決方案達(dá)成度從2016屆畢業(yè)生的0.71提升到2020屆0.84。當(dāng)然在改革實(shí)踐中還有很多不足之處，需要持續(xù)改進(jìn)：①提高指導(dǎo)教師隊(duì)伍的水平，鼓勵(lì)年輕教師到企業(yè)鍛煉，積累工程經(jīng)驗(yàn)，熟悉生物產(chǎn)品工藝；②聘請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)院專(zhuān)家，相關(guān)企業(yè)工程師上課，加強(qiáng)師生交流，提高工程意識(shí)；③收集和整理下游提取、精制工藝設(shè)計(jì)及設(shè)備選型及車(chē)間布置資料，向有經(jīng)驗(yàn)的專(zhuān)家學(xué)習(xí)；④?chē)L試采用大案例教學(xué)，選擇少數(shù)能夠涵蓋課程每一章核心理論內(nèi)容的案例，使這個(gè)案例貫穿整個(gè)教學(xué)過(guò)程，并通過(guò)教師的雙邊活動(dòng)積極引導(dǎo)，學(xué)生的主動(dòng)探索和師生平等對(duì)話(huà)，促進(jìn)教與學(xué)的共同發(fā)展，培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力[6]；⑤建立三維動(dòng)態(tài)課件，把現(xiàn)代工廠(chǎng)三維虛擬實(shí)體搬到課堂上，將極大地提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，提高學(xué)生發(fā)酵工廠(chǎng)設(shè)計(jì)的積極性和科學(xué)性、實(shí)戰(zhàn)性，將三維虛擬仿真技術(shù)引入發(fā)酵工廠(chǎng)設(shè)計(jì)教學(xué)中對(duì)教育本身和受教育的學(xué)生都是一次重要的革新和嘗試[7]。