新工科背景下基于CDIO模式的“制药工艺学”教学改革

龚盼盼，冯学花，白 娟

（安徽新华学院，安徽 合肥 230000）

2017年2月20 日，教育部发布的《关于开展新工科研究与实践的通知》提出了“新工科”的概念[1]。对于高校来说，“新工科”既是指人工智能、智能制造、机器人、云计算等新兴专业的开拓创新，也是指对传统专业（电子信息、建筑工程、机械自动化、制药等）的升级改造。对于传统专业的升级改造，“新工科”理念注重于新技术与传统技术的有机结合，注重学科教育的交叉性和实用性[2]。

近年来国际工程教育积极探索新模式，如快速发展的CDIO（构思、设计、实施和运行）模式、较为成熟的Co-op（合作教育）模式等。其中，CDIO工程教育模式是近年来国际工程教育改革的新成果，被广泛肯定和普遍接受。CDIO工程教育理念创立于二十世纪90年代末，麻省理工学院、瑞典皇家工学院等多所国际知名大学联合成立跨国研究合作组织，确立了现代工程教育模式[3]。CDIO分别代表构思（conceive）、设计（design）、实施（implement）和运行（operate），CDIO教育理念提出了培养工程能力的具体实施标准和操作方法，其愿景是为学生提供一种以强调工程基础的、建立在真实世界的产品、系统的构思-设计-实现-运营过程的背景环境下的工程教育，让学生以主动的、实践的方式展开学习。

1 “制药工艺学”教学现状

制药工程是一个化学、生物学、药学（中药学）和工程学交叉的传统工科类专业，以培养从事药品研发制造，新工艺、新设备、新品种的开发、放大和设计人才为目标[4]。“制药工艺学”是制药工程专业本科生必修的专业核心课程，旨在培养学生设计药物、生产药物，并将药物设计和生产与工艺设备相匹配的能力，重在锻炼学生主动、积极和务实的实践能力。

“制药工艺学”以不同类型药物的研发和生产规律为基础，包含活性成分及其制剂的工艺路线开发、工艺参数优化、工艺放大以及工业化生产研究，以培养学生全面掌握制药工艺的研究方法和内容。“制药工艺学”教学的核心内容和培养思路类似工程学科，是将制药工艺与制药设备相结合，从实验室研究延伸至商业化大生产，最终培养能够解决实际生产问题的具有较强综合实践能力的专业人才。

药物工艺开发涉及内容多，知识面广，知识结构复杂，同时我国制药工程高等教育起步较晚，专业教育始于1997年[5]，经典教材不多。总体来说，国内“制药工艺学”在教学过程中存在着相同问题：内容繁杂，课时有限，学生学习较为吃力；教材较为老旧，同时教师对现代制药行业不够熟悉，导致学生所学知识与现代制药要求尚有较大差距。

在“新工科”背景下，将CDIO教育理念引入“制药工艺学”的教学过程中，将CDIO教育理念与“制药工艺学”教学体系相结合，能够卓有成效地提高教学质量，提升学生的专业素质水平和综合实践能力。

2 “制药工艺学”教学改革研究内容

2.1 明确“新工科”背景下的课程培养目标

药物的整个生命周期包括药物的设计开发、药物的生产和检验、药物贮存和销售、药物的临床使用。在药物的整个生命周期内，从药物的开发到药物的临床使用，药物的制备工艺即制药工艺都是该药物的核心部分。药物的设计和开发过程决定了药物的工艺，药物的工艺又影响着药物生产和检验的方法等等，比如生产时使用的仪器设备、检验时所用的分析测试方法等。同时，药物的贮存和临床使用也与该药物的制备工艺息息相关，同一种药物制备成注射液可以直接使用，制备成冻干粉针则需要临用前溶解稀释。

“制药工艺学”以药物生产的普遍规律展开：药物的制备工艺要结合药物的结构，含有易水解结构的化合物不适于采用水进行提取，亦不适于制备成口服液或注射液等溶液类剂型；药物的制备工艺也需要结合临床使用需要，哮喘类急性用药适宜开发成吸入剂，肿瘤类药物的研究趋势是靶向药物。与此同时，制药工艺更加侧重于不同类型药物的特性技术要求，口服固体制剂需要关注其崩解、溶出等有效性的研究，注射剂则偏向无菌、热源等安全性的研究。制药工艺还需要依托于现代制药工艺设备和药品生产质量管理规范，才能生产出质量合格、稳定的药物及其制剂。

故此，依据当前“新工科”背景下对传统工科升级改造的要求，结合CDIO工程教育理念，我们将“制药工艺学”的培养目标定位为能够综合运用所学知识进行制药工艺的设计、选择、操作，以及在操作中发现问题、解决问题、总结问题，再次进行产品生产工艺优化实施的能力。

结合此培养目标，需要重新整合教学内容，将药物制备工艺各个阶段（包括但不限于小试研究、中试放大、工艺验证、商业化生产等）的研究内容与学生工程能力的培养、企业实际需求的实现相结合，并在此基础上，适当引入较为先进、可行的教学方法，提升学生学习的积极性和主动性。为达到预定的培养目标，还要注意优化对学生的考核方式，引导学生工程思维的培养和实践能力的提升。

2.2 构建企业化教学内容

“新工科”建设的根本是培养满足企业实际需求的工程技术人才。为此，“制药工艺学”的教学必须以真实的药物开发思路为导向，并按照企业切实可行的药物开发流程和规范来开展学习，重新整合教学内容。例如，在学习过药物合成路线的设计、选择、优化后，可以组织学生分组，先进行充分调研（构思conceive），自行设计某药物的合成路线（设计design），再进行评价并选择最优的一条工艺路线（实施implement），同时给学生展示制药企业主流选择的合成路线，最后结合实验教学进行该药物的合成（运行operate）。阿司匹林为水杨酸的衍生物，有着近百年的临床应用，对缓解轻度或中度疼痛，如牙痛、头痛、神经痛、肌肉酸痛及痛经效果较好，亦用于感冒、流感等发热疾病的退热，治疗风湿痛等；近年来，发现阿司匹林对血小板聚集有抑制作用，能阻止血栓形成，临床上用于预防短暂脑缺血发作、心肌梗死、人工心脏瓣膜和静脉瘘或其他手术后血栓的形成。在药物合成工艺设计的相关章节，我们以阿司匹林为例，结合企业药物的实际开发程序，讲解了原料药合成工艺开发的程序、关键点及注意事项；此后，又在药物制剂制备工艺设计和优化的相关章节，依据企业中片剂开发思路，以阿司匹林片为例讲解了化学制剂中口服固体制剂工艺开发的关键内容和主要技术。

同时，在实际教学过程中，“制药工艺学”的理论知识繁杂、枯燥且与企业实际操作模式有一定的差距，学生尚未有在企业工作的经验，其知识基础、学习兴趣及能力也有一定差异。在教学过程中，需要教师收集大量的企业实际案例，将企业案例融入课堂，通过组织学生讨论、交流，激发学生的学习兴趣和主动性。我校“制药工艺学”课堂教学选择的部分案例见表1。

表1 “制药工艺学”教学中拟采用的案例

2.3 导入切实可行的教学方法

因“制药工艺学”涉及化学、生物、制剂等多个专业领域的知识，且包含了从药品开发到生产的全过程，整体来说，该课程涉及内容多，知识面广，知识结构复杂，综合性较强。与此同时，学生初步掌握各模块专业知识，尚不能做到融会贯通；学生尚未进入企业实习，对药品生产的概念非常模糊。在这种情况下，如果只是采用传统的满堂灌进行授课，学生往往觉得内容枯燥，知识点零散，最终导致学生在课堂上兴趣缺乏，注意力不集中。因此，课堂授课时必须结合CDIO教学理念，引入切实可行、生动活泼的教学方法，如翻转课堂、对分课堂等，才能更好地将知识点融会贯通，并调动学生积极性。

例如，在“药物设计、评价和优化”章节，我们提出乙二胺四乙酸的合成路线设计要求，让学生自由组建2～3人团队，从图书馆的数据库中查找文献、阅读文献、分析文献（构思conceive），自行进行合成路线的设计；然后统一讨论各合成路线的优缺点，从中选择最为理想的合成路线（设计design）；最后结合实验教学，进入实验室以该流程开展实验（实施implement），并结合实验室内中试放大设备讨论该流程中试放大时可能遇到的问题及解决方案（运行operate）。

图1 以CDIO模式结合对分课堂教学法开展药物设计、评价和优化的教学

让学生从被动接受的学习模式转化为主动探索、自我展示的学习模式，可以更好地调动学生学习的积极性，培养学生动手和实践能力。对准备充分、讲授清晰的学生加以鼓励，促进学生提高自身的信息检索、阅读、分析和提取能力，形成创新的思维方式，最终提高学生的综合能力和素养。

2.4 构建更加客观全面的成绩评价体系

根据本课程特点，结合CDIO的教学模式，仅凭期末理论考试成绩来判断教学效果以及学生的接受程度是不合适的。因此，我们考虑将考核内容细分，采用多种方式进行考核，考核成绩按权重转化，最后得到学生的总成绩。

首先，根据学生分组讨论、案例分析的情况，结合过程中学生的思维发散能力、创新意识、参与积极性以及团队协作意识，给出相应的平时成绩。在结合CDIO的教学模式进行教学改革前，学生平时成绩由考勤、提问、作业、实验组成，各占比20%、20%、30%、30%；教学改革后，学生平时成绩的评定变更为小组讨论表现、案例分析情况、课堂展示情况、实验操作和出勤，占比分别为20%、20%、25%、30%、5%。小组讨论主要考查学生的思维能力、创新意识、团队合作意识；案例分析侧重考查学生的文献调研、分析、总结能力；课堂展示重点考查学生的演讲能力、统筹能力、参与积极性；实验则考查学生理论联系实际的思维模式、操作能力和实验报告书写的规范性。

其次，期末理论考试，出题内容针对课程重要的知识点，题目形式灵活多样，贴近企业实际案例。依据CDIO教学模式思想，教学考核要能更加确切地反应学生的多种能力，而非单一的记忆、背诵能力。因此，结合CDIO教学模式进行教学考核改革后，考核内容和题目形式都更加灵活，不再是单一的、死记硬背式的“我问你答”，而是更加侧重引导学生进行综合思考，利用学习过的知识点去解决未来他们在工作中可能遇到的一些实际问题。

表2 “制药工艺学”教学改革前后知识点考核题目的差异

以上是依据CDIO教学大纲中要求培养学生的各方面能力进行总结得到的，避免了传统的理论考试不能深入考查学生掌握课程知识状况的缺点。

3 结束语

我们选取了某个章节的两个核心知识点，一个知识点采用传统教育模式教学，一个知识点采用CDIO模式教学。对两个知识点设计相同的考核题型，统计学生对两个知识点的掌握程度。结果显示，采用传统教育模式教学的知识点的正确率为64%，采用CDIO模式教学的知识点的正确率为89%，表明采用CDIO模式教学，学生对知识点的理解更加深刻和牢固。与此同时，在实施了新的教学模式后，课堂气氛和学生学习积极性明显提升，并且学生的思维发散能力、创新意识、参与积极性以及团队协作意识得到了有效锻炼。

在高等工科教育中，精准的培养目标、完善的知识体系是教学的基础。在此基础上，我校结合CDIO工程教育模式，将翻转课堂、对分课堂等教学模式引入“制药工艺学”课堂，显著提高了教学质量和效果，大幅度提升了学生的综合实践能力、创新能力和团队合作能力。