“CDIO”工程教育理念指導下藥物化學教學改革的探索*

李凌凌，左振宇，黃 皓，楊忠華，陳 俊，秦曉蓉

(武漢科技大學化學與化工學院，湖北 武漢 430081)

生物工程產業(yè)計劃下的生物制藥工程方向是一個以培養(yǎng)從事藥物制造的工程技術人才為目標的化學、藥學和工程學交叉的工科專業(yè)[1-2]。生物工程產業(yè)計劃的培養(yǎng)方案，規(guī)定了培養(yǎng)生物制藥工程方向的學生，不僅要讓學生受到嚴格的、系統的基本知識、方法和技巧的訓練，而且要培養(yǎng)學生嚴謹的科學思維方式和創(chuàng)新精神，其中最重要是要提高學生的工程能力，培養(yǎng)學生理論聯系實際、分析和解決實際問題的能力，提升學生實際的實踐操作能力、創(chuàng)新精神以及與科學技術的發(fā)展相適應的綜合能力。

工程教育認證，是國際通行的工程教育保障制度，是實現工程教育國際互認和工程師資格國際互認的重要基礎[3]。生物制藥工程專業(yè)作為一個工科專業(yè)，要與國際接軌，就必須要接受工程教育認證。不僅如此，根據教育部實施“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”試點的有關精神，要求高校能夠遵循高等工程教育教學的規(guī)律，以實際工程為背景，以工程技術為主線，著力提高學生的工程意識、工程素質和工程實踐能力[4]。因此，除了培養(yǎng)方案的明確規(guī)定外，工程教育認證和卓越工程師的教育培養(yǎng)要求，也對生物制藥工程專業(yè)方向培養(yǎng)學生的工程設計、解決復雜工程問題的能力提出了挑戰(zhàn)。

CDIO(構思conceive，設計design，實施implement，運行operate)的工程教育理念是在培養(yǎng)學生掌握扎實的基礎理論和專業(yè)知識的基礎上，重點培養(yǎng)學生實際的工程科學、技術知識、自身的終身學習能力、團隊交流合作能力及在社會和企業(yè)環(huán)境下的建造能力[5，6]。因此，為了迎合工程教育認證和卓越工程師的教育培養(yǎng)要求，培養(yǎng)綜合能力強、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中是勢在必行的。

1 藥物化學教學現狀

藥物化學作為生物工程產業(yè)計劃生物制藥工程方向的核心學科之一，是一門以化學為基礎，涵蓋了生物學、醫(yī)學、藥物學等內容的綜合性、交叉性學科，對生物制藥工程方向的學生培養(yǎng)至關重要[6]。然而，在目前的藥物化學教學中，存在著教學內容過于陳舊、理論教學與工程實際相脫節(jié)、教學方法單一和實踐教學環(huán)節(jié)缺失等問題，具體歸結如下：

1.1 教學內容過于陳舊

藥物化學是一門不斷更新不斷發(fā)展的課程，但是目前教師的授課內容大多局限于書本，有關藥物化學發(fā)展的最新動態(tài)和熱點很少融入到教學中，導致學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 理論教學與工程實際相脫節(jié)

工程能力是生物制藥工程專業(yè)必備的核心能力，其中強調了提高工程基礎知識的培養(yǎng)。但是目前，在實際的教學過程，由于教學課時的限制，教學模式的傳統，導致課本的理論知識與工程實踐沒有很好地結合起來，沒法促進學生形成系統的生物制藥工程知識體系。

1.3 教學方法單一

藥物化學的課程教學中需要介紹的藥物品種繁多，內容不僅涉及到化學結構、命名、理化性質等，而且涉及藥物的制備、構效關系、藥理和藥物代謝等，知識復雜難懂且枯燥乏味，抽象度很高。但是目前，藥物化學的教學方式采用的是老師講、學生聽為主的填鴨式教學，將理論知識平鋪直敘地灌輸給學生，這樣的教學不僅不能調動學生的學習積極性和主動性，而且會讓學生慢慢失去對藥物化學的學習興趣，嚴重影響了學生的思維能力和創(chuàng)新精神。

1.4 實踐教學環(huán)節(jié)缺失

藥物化學是一門綜合性和實踐性很強的學科，但是在實際的教學過程中，重理論輕實踐，導致實踐教學的經費投入一直不足，嚴重影響了藥物化學實踐教學的開展。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板塊(藥學板塊、生物板塊和工程板塊)進行，然而在目前的生物制藥工程實踐教學過程中，三大知識模塊雖然各自開設實驗課，也互相融合形成專業(yè)大實驗，但是知識點零散，沒有圍繞制藥這條主線設置綜合型實驗。

由此可見，藥物化學教學中存在的這些問題，必然會影響生物制藥工程教育目標的實現。因此，必須改變這些傳統教學模式，將培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力、實踐能力放在首位，運用CDIO理念對教學中的內容、方法、實踐教學等方面進行全新的構思與設計，將理論、實踐和創(chuàng)新融為一體，以適應醫(yī)藥行業(yè)對制藥人才的需求。

2 CDIO理念指導下的藥物化學教學改革

在生物制藥工程專業(yè)中，藥物化學負責將藥學知識與化學知識、生物學知識等有機地結合在一起，促進學生建立生物制藥知識結構體系，對于培養(yǎng)能夠符合工程教育認證和“卓越工程師”的要求且綜合能力強、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。要實現創(chuàng)新性制藥人才的培養(yǎng)，就必須從多層面對藥物化學進行全方位的教學改革[7]。本論文嘗試從教學內容的組織、優(yōu)化及實時更新，教學方法的多樣化和先進教學手段的引入及圍繞制藥開展實踐教學三個方面，將CDIO工程教育理念引入到藥物化學的教學改革中，教學改革總體的框架設計思路如圖1所示。

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

2.1 教學內容的組織、優(yōu)化及實時更新

按照“立足專業(yè)特點、面向工程實際、注重應用能力、提高綜合素質”這一設計思想，CDIO教育體系旨在培養(yǎng)工程技術人員素質，培養(yǎng)學生的工程意識和工程思維方式，因此，進行藥物化學的教學改革時，要引導學生面向工程，增加教學內容中的工程因素，將工程案例貫穿到教學的始終，通過對工程案例的分析來加深學生對基礎知識的理解，強化學生的工程意識和實踐能力。譬如：介紹抗生素這一章節(jié)時，以紅霉素的生產工藝作為工程案例，闡述生產大環(huán)類脂內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備，介紹常用的提取工藝方法，并引導學生自主查閱文獻，探尋工藝路線中可以優(yōu)化的工藝參數和可以改進的生產工藝[8]。通過這種“以例說理”的方式，不僅加深了學生對制藥工藝的認識和理解，而且激發(fā)了學生對工程實踐案例的學習興趣，鼓勵了學生探索求知的精神。

另外，我國加入WTO后，仿制藥的歷史已經結束，新藥的開發(fā)進入到了自主創(chuàng)新階段。在這樣的市場背景下，為了迎合生物制藥專業(yè)人才的培養(yǎng)從知識型向創(chuàng)造型的轉變，藥物化學的教學需要更加廣泛、豐富、實時更新的知識體系和內容。因此，還需要將藥物化學發(fā)展的最新動態(tài)和熱點，及時地更新和補充進教學內容中，讓學生對21世紀藥物化學的發(fā)展趨勢有很好的把握，從而激發(fā)學生的思維和求知欲[9]。譬如，在介紹抗病毒藥物時，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，并圍繞著結構改進、制劑設計、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展[10]。這些最新的科研成果激發(fā)了學生的學習興趣，促進了學生自主學習能力的培養(yǎng)，另外，通過介紹中國科學家在法匹拉韋藥物的發(fā)展中的卓越貢獻，也增強了學生的民族自豪感和進行藥物研究的自信心。

2.2 教學方法的多樣化和先進教學手段的引入

為了使學生在CDIO工程教育模式中發(fā)揮主體作用，對教學方法和教學手段進行改革[11]，以引導學生對藥物化學這一核心課程產生濃厚的學習興趣，具體表現在以下幾個方面：

第1，采用多樣化的教學方法。傳統的教學法是以老師講、學生聽為主的填鴨式教學，這種單一的教學模式難以適應飛速發(fā)展的當代藥學知識的傳授，不能有效地調動學生的學習積極性，因此嘗試在教學過程中將靈活多樣的教學方法(如啟發(fā)式、探究式、翻轉課堂等)引入課堂，以提高教學效果。以探究式教學方法為例，教師在授課過程中提出若干聯系實際的小課題，這些課題可以是關鍵的知識點或綜合性的知識，也可以是最新技術進展。學生根據自己的興趣選擇課題，利用課余時間查閱文獻資料，小組內部進行合作學習，由此，不僅可以培養(yǎng)學生獨立思考問題的能力，而且可以活躍課堂氣氛，培養(yǎng)學生觀察、分析和表達能力等。需要指出的是采用的教學方法之間不是孤立的而是交叉運用的，開展案例式教學時可以穿插啟發(fā)式教學，同時結合探究式教學[12]。譬如，解釋青霉素鈉需要制備成粉針的原因時，先引導學生聯系日常生活中打針的情景，自主發(fā)現平時打針使用的青霉素鈉是粉針，且保存在醫(yī)用冰箱中，使用時需要現配水溶液的現象，再提出問題，啟發(fā)學生思考造成這一現象的原因，并通過自主學習了解到青霉素鈉不穩(wěn)定的化學性質，最后，提供學生進一步探究的課題，讓學生通過查找文獻、書籍、網絡等資料，總結臨床上需要制備成粉針再現配現用的藥物，并概括制備此劑型的原因。

第2，先進教學手段的引入。引入現代化的教育技術，采用不同的表現媒體為學生展示教學內容，可以打破傳統的單一教學資源的局限，以多媒體教學、計算機網絡輔助教學等先進的教學媒體為藥物化學的教學提供支持，由此，使得藥物結構形象直觀，教學內容圖、文、聲、像并茂，使得學生對藥物結構增加感性知識，便于學生從整體上把握知識的系統性和完整性，使得感性認識上升到理性認識[13]。另外，從一些優(yōu)秀的教學網站中下載一些如flash動畫和視頻等教學資源，這樣，可以通過簡短的語言、明快的節(jié)奏，將藥物化學中一些抽象的藥理概念剖析透徹，為翻轉課堂的開設提供堅實的平臺，由此激發(fā)學生的學習興趣，提高學習效率。譬如，介紹利尿藥時，可以采用flash、視頻展示尿的形成過程，將如此復雜的藥理知識可視化，便于學生理解利尿藥促進尿液形成的機理。

2.3 嘗試圍繞制藥主線開展實踐教學

實踐環(huán)節(jié)是CDIO模式下教學環(huán)境中非常重要的組成部分，其根本任務是培養(yǎng)學生的實踐能力和創(chuàng)新精神，提高學生的科研潛質和創(chuàng)新能力[14-15]。本項目擬充分利用已有的教學基礎設施，通過以下方式圍繞制藥這一主線，開展實踐教學：

第一，開展專題講座。以原料、制劑、檢驗及藥理為主線，介紹生產企業(yè)的生產線，其中涉及車間設計、設備選型及發(fā)酵、檢驗儀器操作等實際操作；

第二，開展開放性實驗，開闊學生的學科視野，培養(yǎng)學生的實踐能力和創(chuàng)新能力?？山Y合學生實際能力和完成水平，利用大學生科技創(chuàng)新基金研究等實踐環(huán)節(jié)，提供給學生具體的研究項目，激勵學生主動參與、主動思考與主動學習，培養(yǎng)大學生工程實踐能力和創(chuàng)新能力。在此教學過程中，教師根據自身的研究方向(譬如生物催化生產手性藥物)，引入具有科研前沿背景和符合工廠實際需求的題目，為培養(yǎng)學生綜合應用所學知識解決工程實際問題的能力，提供平臺[15]。

第三，推進產、教、研協同育人，邀請企業(yè)專家參與藥物化學課程建設。邀請東陽光集團、遠大醫(yī)藥等企業(yè)的專家作為課程的兼職指導老師，向學生們介紹生物技術領域的最新科研成果、先進技術及產業(yè)化經驗。通過真實的新藥研究開發(fā)案例的教學，不僅能夠讓學生更好地理解新藥研究開發(fā)的過程，而且加強了學生對醫(yī)藥行業(yè)的認識[16]。

第四，充分利用校外實踐教學基地，強化學生的工程實踐能力、職業(yè)素養(yǎng)和創(chuàng)新能力。目前，本專業(yè)與東陽光集團、湖北人民制藥、遠大醫(yī)藥集團等著名企業(yè)合作，建立了5個穩(wěn)定的實踐教學基地。學生們可以在實習實訓基地里實踐藥物化學課程中的理論知識，在工程技術人員的指導下，按照崗位進行菌種培養(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，掌握設備的型號、結構及工作原理等，在一線的生產崗位上鍛煉學生的職業(yè)素養(yǎng)和工程實踐能力，并通過直面實際藥品生產中的問題，促進學生思考解決問題的思路和方案，培養(yǎng)他們解決工程實際問題的能力以及實踐創(chuàng)新能力。

3 結 語

CDIO教育模式以培養(yǎng)學生的工程應用能力和綜合創(chuàng)新能力為宗旨，將CDIO理念應用于針對生物工程產業(yè)計劃生物制藥工程方向的藥物化學教學改革中。從CDIO能力培養(yǎng)的目標出發(fā)，通過實時更新教學內容，重視工程案例教學，實施多樣化的教學方法，豐富現代化的教學手段，圍繞制藥主線開展實踐教學，將理論、實踐和創(chuàng)新融為一體，促進學生的創(chuàng)新能力、綜合實踐能力和團隊協作能力的培養(yǎng)。