制药设备及工艺设计课程教学模式探索

严菊芬,叶明富,颜庭轩,毕 磊,谢 峻,刘 祥

(安徽工业大学 化学与化工学院,安徽 马鞍山 243002)

制药设备及工艺设计是制药工程专业的专业必修课,是一门以药剂学、药品生产质量管理规范(GMP)知识、工程学及相关理论和工程技术为基础来综合研究制剂生产实践的应用型工程学科[1]。根据制药工程专业认证要求,结合我校实际情况,本课程教学以讨论制药工艺的基础知识及制药设备的结构原理为主,讲述制药工艺的流程设计、物料衡算、热量衡算、设备设计与选型等基本理论及基本的制药工程设备,如粉碎设备、筛分设备、混合设备、制粒设备、搅拌设备、发酵设备、膜分离设备、冷冻设备、结晶设备等设备的原理、分类、结构、适用场合等知识。通过教学使学生熟练掌握制药工艺与设备相关知识,如工艺流程、物料衡算、热量衡算、工艺设备设计、计算和选型、车间和工艺管路布置设计、非工艺条件设计的基本方法和步骤,及制药车间工艺设计的基本理论和方法,并运用这些基本理论与制药工业生产实践相结合,解决制药工程技术实际问题,培养具有创新意识及实践能力的人才。

一、制药设备及工艺设计课程教学现状

传统教学方法都是教师按照教材内容顺序,讲述制药设备的组成结构、原理、选型要求等内容,涉及流体力学、化工原理、制药工艺学、工程制图等方面的工程知识,及药剂学、微生物发酵等基础知识,对学生的知识背景要求非常高。传统的授课方式,加之学时有限,难以讲清楚知识点,而且这些知识点都与实际生产有关,实践性非常强,学生若没有这方面的基础,则会影响教学效果。随着国家药品GMP认证制度的不断改进,新的制剂技术和设备发展加快,车间设计的水平和要求不断提高,制药设备一直不断发展更新,种类多、更新快,而教材内容更新慢,教学内容滞后,往往落后于现代制药行业的发展与要求,跟不上时代的发展,理论教学与实际制药生产需要存在较大差距。针对上述问题,我们从认识生产实习、课堂教学及毕业设计三个环节对制药设备及工艺设计课程教学模式进行探索,见图1。

图1 制药设备及工艺设计课程教学模式流程图

二、认识和生产实习

制药设备及工艺设计是一门实践性很强的工科课程,需要通过实践活动培养学生的实践能力和动手能力,认识和生产实习环节对于制药工程专业的学生来说是必不可少的,同时也有助于学生更好地学习制药设备及相关专业课。工程教育认证通用标准规定工程实践和毕业设计(论文)总学分之和至少占总学分的20%,要求设置完善的实践教学体系,并与企业合作共建实习和实训基地,开展实习、实训,培养学生的实践能力和创新能力。化工与制药类专业补充标准明确要求校外实习基地应包含通过GMP认证的制药企业,实习基地的生产工艺过程覆盖面要够大,应包含3个以上类型的单元操作过程[2]。基于上述要求,我们与制药企业进行校企合作方式建立稳定的教学实验基地。进行认识生产实习前,确定实习目标、制定实习计划,有目的地让学生进人企业了解企业文化、生产管理制度、药品生产质量管理规范、企业生产安全、职业道德与规范等,带领学生参观制药厂区和生产车间、制药设备及各种工艺流程,了解药品生产工艺、设备及操作规程,掌握生产工艺流程图和车间布置图的绘制,对典型药品进行生产实习,最终撰写实习报告。期间学生遇到的实际生产和理论方面的问题还可现场咨询企业工程师或任课教师,或后续反馈至课堂。在此阶段,学生将对制药设备及工艺产生感性认识,从而提高他们对这门课的兴趣,为后面课堂理论学习及课程设计和毕业设计奠定基础。

三、课堂教学

仿真软件通过动态模型实时模拟真实的实验现象和过程,通过互动的3D模型模拟实验现场的真实装置操作,并产生与真实实验一样的操作结果,从而让学习者在计算机上模拟真实的现场操作,达到每个学员都能够亲自动手做实验,观察实验现象,验证公式、原理、定理的目的[3]。仿真软件的优势在于其真实地模拟了现场操作过程,具有较高的仿真度。为了直观、高效、便捷地了解设备,还可对内部结构进行拆分与组装,以此认识各部件的内部结构。任课教师利用上述软件进行课堂教学,讲解制药设备的结构、原理、操作注意事项、仪器选型等内容,使学生加深了对原理、理论和设备的理解,激发学生的兴趣,增加了课堂的吸引力,提高了学生学习积极性。

制药设备及工艺设计课程内容多而杂,涉及多种设备,章节间连贯性不强,缺乏系统性。为此,在课堂教学过程中,制药设备章节学习结束之后,基于制药工艺学的知识,将所学设备知识以某一制药工艺流程图连贯起来,以“制药工艺学中超声波提取工艺流程”为例[4],在此工艺中涉及粉碎、分级、提取、流体输送、浓缩、机械分离、干燥等多种设备(见图2)。这样学生对所学设备及其应用有了更深的理解,也对工艺流程有了清晰的认识,从而有助于学生在毕业设计环节中的自如应用,效果良好。

四、毕业设计

制药工程专业认证标准中要求,至少要进行2周以上的课程设计和15周以上的车间工艺设计或毕业论文,其中毕业设计比例应占30%以上。从学科特点而言,制药工程专业毕业设计主要是对一个典型制药车间的工艺设计,主要包括工艺流程没计、物料和能量衡算、工艺计算、设备选型、车间布置、管道设计等,通过设计使学生将生产实践和课堂上的理论知识转化为实际应用能力,具备一定的设计、“三算”能力及计算机应用能力。以上内容正是制药设备及工艺设计课程所要达到的目标。在选题时我们遵循以下三条原则:选题结合学校专业培养计划,以达到对学生综合能力培养和训练的目的;选题结合工程教育认证标准,体现毕业设计的工程性和实用性的特点;选题结合学生的实际情况,使得教学要求和学生需求有机统一[5]。此外,我们还以历届制药工程设计竞赛内容作为选题来源,全国大学生制药工程设计竞赛是教育部药学类专业教学指导委员会主办的与制药工程教学实践紧密结合的学科竞赛。历届竞赛内容均来源于实际制药工程项目,具有鲜明的工程实践特色。

图2 超声波提取工艺流程示意图

在制药设备及工艺设计课程、课程设计和毕业设计环节中,CAD(Computer Aided Design)绘图技能是必不可少的。CAD是制药工程专业学生走向工作岗位所必须掌握的基本能力,对学生进行CAD软件的应用训练是提升毕业生实践能力的重要环节[6]。为了使学生毕业设计能够顺利完成,我们安排专门人员对学生进行为期1个星期的训练,在毕业设计具体实施过程中让学生应用AutoCAD软件替代手工制图绘制工艺流程图、车间设备分布图、带控制点的管道仪表流程图等,鼓励绘制三维工程图。经过毕业设计环节,学生基本掌握CAD软件制图,部分学生掌握利用相关软件制作药品车间三维图。