制藥工程專業實驗三維課程體系的構建與實踐

摘 要：針對目前制藥工程專業實驗的工學底蘊不足等問題，構建了新的基于“卓越計劃”的制藥工程專業實驗三維課程體系。該課題體系由基礎實驗、創新研究實驗和藥物生產車間工藝設計實驗組成，覆蓋藥物合成研究開發的全生命周期，對提高學生的工程設計能力、工程管理能力、工程經濟意識以及科研創新能力有很大的幫助。

關鍵詞：制藥工程專業實驗 三維 課程體系 工程能力

中圖分類號：G642.0文獻標識碼：A 文章編號：1673-9795（2013）06（b）-0000-00

制藥工程專業實驗課程與藥物合成反應、藥物化學、化學制藥工藝學等理論課程關系緊密，不僅能培養學生的實驗技能，加深對這些理論課程的理解，還可逐步培養學生仔細觀察、勤于思考以及解決實際問題的能力[1-3]。制藥工程專業實驗課程教學的最大誤區在于高度類似藥物化學專業實驗課程，這和制藥工程專業成立的背景有關。1998年教育部首次批準成立制藥工程專業，該專業由原化學制藥、生物制藥（部分）、中藥制藥（部分）及制劑工程等專業整合而成，主要是應用化學、藥學、工程學、管理學及相關學科的理論和技術解決藥品生產過程中的工程技術問題，實現藥品生產的規模化和質量管理的規范化[4-6]。要順利達成制藥工程專業的培養目標，必須深刻認識該專業和上述藥學專業的不同點，即制藥工程專業更注重解決藥物工業生產過程中的工程技術難題。那么在制藥工程專業實驗的教學中該如何體現這些不同點呢？我們在多年的工程化教學中累積了一些教學經驗，2007年我校張珩教授主講的課程“制藥工藝設計”獲批國家精品課程，2008年我校制藥工程專業獲批國家教育部首批特色專業，2010年我校制藥工程教學團隊獲批國家級教學團隊，2011年我校作為省屬本科院校率先躋身第二批“卓越工程師教育培養計劃”，這些為我們構建基于“卓越計劃”的制藥工程專業實驗三維課程體系指明了研究方向[7]。

1 制藥工程專業實驗三維課程體系的構成元素

制藥工程專業實驗三維課程體系由基礎實驗、創新研究實驗和藥物生產車間工藝設計實驗三部分組成。三維課程體系的輻射式教學模式方便學生了解藥物生產制造的全生命周期即“實驗室小試-中試放大-工業生產”。該課程體系的具體內容如下：

（1） 基礎實驗是由化工原料經多步反應合成藥物，要求學生掌握單元反應原理、實驗操作技巧，產品結構鑒定和質量分析方法等[8]。基礎實驗在教學實驗室進行，面向的是制藥工程專業所有學生，它的學分屬于必修課學分。

（2） 創新研究實驗是基于“各種大學生創新研究基金”的研究型實驗，它要求學生掌握文獻檢索和整理的方法、合成路線設計與評價、實驗操作規程的編寫，實驗室合成的全套原理和操作技巧、產品的分析鑒定、合成工藝的優化、生產成本的核算、實驗小論文的撰寫等。創新研究實驗在教師科研實驗室進行，面向的是對科學研究有興趣的制藥工程專業學生，它的學分屬于選修課學分。

（3） 藥物生產車間工藝設計實驗是基于AutoCAD的藥物工業化生產工藝流程設計，它要求學生掌握工程圖紙繪制的行業標準和技巧、單元設備的選擇及操作、工業流體輸送等。藥物生產車間工藝設計實驗在計算機房進行，面向的是對工程設計、工業生產有興趣的制藥工程專業學生，它的學分也屬于選修課學分。

新的三維課程體系既普及了教育面，也提煉了教育點。通過基礎實驗，學生掌握了藥物合成和生產的基本方法和操作技能，然后以興趣為教育點，可以將學生培養成卓越的制藥工程師或卓越的藥物研發人員。

2 基礎實驗的改革

我校基礎實驗一般為60 學時，主要是驗證和演示性實驗，教學內容還是要求學生掌握藥物制備、分離、分析的原理和操作技能[9]，但更注重聯系制藥企業的生產模式，這就反映了”卓越計劃”的兩個特點即行業企業深度參與培養過程以及學校按通用標準和行業標準培養工程人才[10-11]。具體措施包括：

（1） 引入工廠常用的簡捷式分析方法。例如引入薄層色譜法監測反應終點、反應的選擇性、產品的純度、鑒定反應產物；引入紫外-可見分光光度計進行產品含量分析。傳統教學中，合成實驗和分析實驗是兩門獨立的課程，但工業生產中，合成和分析是融為一體的，因此工業常用分析方法的引入有利于學生真正理解制藥工程是一個涉及多學科專業知識的系統工程。如在局麻藥鹽酸普魯卡因的合成中，以對硝基苯甲酸等為原料，經酯化、還原、成鹽、精制制備鹽酸普魯卡因，可以進行五大技術訓練：學習二甲苯共沸帶水打破酯化反應平衡的原理及操作，掌握工業常用還原劑鐵粉鹽酸的原理和操作，學習堿性藥物成鹽的原理和操作，掌握鹽酸普魯卡因的藥典鑒別方法，學習紫外分光光度法測定含量的方法。

（2） 引入“正交實驗設計法”開展基礎實驗的教學。傳統的實驗教學方法是所有學生使用教材規定的同一工藝條件如溫度等進行實驗，學生機械地重復實驗，不知道工藝條件是如何確定的，更不了解工藝參數的波動對產品收率和純度的的影響。有鑒于此，我們引入“正交設計”來克服傳統實驗教學模式的缺點。正交設計是研究多因子實驗的方法，它借助于規格化的“正交表”，科學地挑選實驗條件，并利用數理統計原理分析實驗結果，優點是實驗次數少、分析方法簡單、重復性好、可靠性高，能夠通過代表性很強的少數實驗，摸清各因子對實驗指標的影響情況，找出最佳的參數組合[12]。在實際教學中，我們按“正交設計”給每個學生小組安排不同的工藝條件，小組內的每個學生獨立按照本組的工藝條件進行實驗，然后對本組的實驗收率取平均值，最后通過“SPSS19.0（Statistical Program for Social Sciences 19.0）”軟件或“正交設計助手3.1”軟件對各個小組的平均收率進行計算分析，從而得出最適合工業化的工藝條件，例如最優的反應溫度、摩爾比、催化劑等，同時通過“正交設計”還可以得出工藝參數和收率的關系，還可以根據各個工藝參數對收率的影響力進行排序，從而得出實驗最關鍵的影響因素。利用“正交設計”確定最優的反應條件時，考察的指標既可以是反應收率、產品純度等技術指標，也可以是生產成本等經濟指標。由此可見，“正交設計”能大力引導學生主動思考，“正交設計”中不同工藝條件的結果比較更是為培養學生的工程實用意識和工程經濟意識奠定了基礎。

3 創新研究實驗的教學

創新研究實驗表明：理論可以指導實踐，但實踐更能夠創造新理論。創新研究實驗與“卓越計劃”的第三個特點即強化培養學生的工程能力和創新能力是相互呼應的[13]。我們從大學三年級開始就鼓勵學生選修創新研究實驗課程。他們先申報創新研究基金，例如大學生創新性實驗計劃項目、武漢工程大學大學生校長基金等，然后在指導老師的科研實驗室參與項目，時間持續一個學期。在教學計劃的編制上，由于這類實踐選修課難度大、耗時長，需要給出比重較大的學分。自我校2006年設立首屆大學生校長基金以來，制藥工程專業每年都有約10個同學受益。2011年我們選送的創新研究實驗項目“抗抑郁藥噻萘普汀鈉的合成新工藝”和“腺嘌呤的合成新路線”分別獲第四屆“全國大學生藥苑論壇及創新實驗項目成果展示會”一等獎和三等獎。

傳統的實驗教學都是在學校進行。武漢生物谷的崛起為我校開拓新的實驗教學模式創造了條件，例如世界十大制藥企業輝瑞制藥挺進生物谷；中國最大的醫藥研發外包企業無錫藥明康德新藥開發有限公司落戶生物谷。2012 年，我校和藥明康德武漢分公司正式簽訂合作協議，藥明康德批量接受制藥工程專業的暑期實習生和畢業論文。實驗場所由學校向企業延伸，彌補了學校實驗教學經費缺口，緩解了實驗用房緊張，更重要的是在企業開展的實驗教學更接近行業生產的真實面貌。

4 藥物生產車間工藝設計實驗的教學

為彰顯制藥工程專業實驗與藥學專業實驗的側重點的不同，我們引入了新的一環即藥物生產車間工藝設計實驗，旨在培養學生的工程能力，這一點也與“卓越計劃”的第三個特點高度吻合，也是跨課程實驗的一種體現[14]。藥物生產制造的全生命周期是“實驗室小試-中試放大-工業生產”。要體現制藥工程專業實驗的工科特色，必須把中試放大和工業化生產過程中工程技術知識和難題納入到教學內容中；而要體現制藥工程專業的行業特色，必須把藥物工業生產的法規“藥品生產質量管理規范（GMP）”引入到制藥工程專業實驗中。而藥物生產車間工藝設計正是藥物工業化生產的前奏，也是和GMP聯系最緊密的一項工程。

具體實踐中，我們要求學生根據實驗室工藝繪制管道儀表流程圖和車間設備平立面布置圖。學生以工藝和設備為主線，將實驗室的設備轉換為工業化生產設備，要考慮流體輸送，要合理安排管路、閥門和儀表，要設計好質量控制的方法，要全面安排原輔材料的回收套用，要合理處理“三廢”，要合理規劃廠房，要正確布置設備等。由于這種實踐選修課耗時比創新研究實驗短，學分可適當縮小。我們在藥物生產車間工藝設計實驗課程的開展上已經取得了一些成績，例如，在第四屆和第五屆大學生化工設計創業大賽中，我們的作品“年產316噸硫普羅寧車間工藝初步設計”和“年產500噸N-乙酰-L-半胱氨酸原料藥車間工藝設計”分別獲銅獎和金獎；在第一屆和第二屆全國大學生制藥工程設計競賽中，我們的作品“年產2000萬支靜脈滴注用奧美拉唑鈉無菌凍干制劑車間工程設計”和“多肽無菌凍干注射制劑車間工程設計”分別獲三等獎、二等獎。更值得一提的是在湖北省第五屆大學生化學（化工）學術創新成果報告會上，我們的作品“腺嘌呤的新工藝及中放流程設計”獲得一等獎，學生將實驗室工藝研究與流程設計有機結合，工程能力得到了專家的肯定。

2012年，我校與國藥集團武漢醫藥設計院簽訂了聯合培養協議，該院批量接受制藥工程專業的暑期實習生和畢業設計。近年來，我校制藥工程專業學生在武漢醫藥設計院、山東省中醫藥設計院、重慶醫藥設計院中實現了高端就業，這也體現了藥物生產車間工藝設計實驗的重要性。

5 結語

制藥工程專業實驗三維課程體系是基于藥物生產制造全生命周期的系統化訓練[15]，同時，必修實驗課和選修實驗課的有機結合可以將學生的興趣轉化為專長，培養行業精英。

藥物生產車間工藝設計實驗的引入使制藥工程專業實驗從藥學重心向工程方向轉變，能夠培養工科學生密切聯系生產實際的工作作風和強烈的工程意識及獨特的經濟視角。

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