生物技术专业无机化学教学改革探索

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生物技术专业是与生物、医学、化学等领域密切相关的一门学科，在这方面学习的学生不仅要掌握高深的生物化学知识，还要拥有基因工程、发酵工程、酶工程以及高通量筛选的相关基础。因此为了更好地为生物技术后续相关课程打好基础，学生们不仅要有丰富的生物医学方面的知识积累，还应该具有雄厚的化学基础。无机化学作为一门重要基础课，是生物技术专业大学新生入学后所接触的第一门化学课。学好这门课，对于打好学生们的化学基础，培养学生们对物理化学、有机化学、分析化学等化学课程的学习兴趣具有举足轻重的作用。本人从事生物技术专业无机化学课程教学多年，对无机化学授课时基本理论和基本公式多、基本概念单调枯燥深有体会。为了进一步激发学生们的学习兴趣，提高教学效果。我们进行了大胆地尝试，收到了较好的效果。以下我们就介绍本人近年来在无机化学教学改革中所进行的探索。

1开展互动式教学以激发学生的学习兴趣

无机化学是一门有着悠久历史的学科，其发展过程有数千年的历史。如果我们在教学中只注重传授知识，对学生只是灌输基本理论和概念，那么就很难激发学生们的学习热情，整个课堂气氛就会变得死气沉沉。为了测定改变“满堂灌”的教学方式，我们将作为教学主体的学生引入到课堂教学整个过程中，在授课的过程中强化教师和学生之间的教学互动。例如在介绍元素和健康这一部分内容时，我们还提前让学生们通过各种数据库去广泛地收集资料和文献，了解元素在生命健康中的重要作用，然后归纳总结形成一篇篇综述。在上课时，教员先开个头：元素在生命健康中起着不可替代的作用，这时一位同学就跃跃欲试了，教员让他站起来，这位同学就结合自己的综述介绍钠和钾的生理功能：Na+是细胞外液的主要阳离子，K+是细胞内液的主要阳离子，也是细胞外液的重要成分。人体内的Na+和K+离子能控制细胞、组织液和血液内的电平衡，以起到保持体液正常流通和体内酸碱平衡的作用。Na+能维持体液渗透压，并保持肌肉的正常兴奋性和细胞的通透性。K+是丙酮酸激酶的辅基。K+和Na+对神经信息传递起着重要的作用。这时教员就补充：人体血浆中K+浓度为5mmol•L-1、Na+浓度为143mmol•L-1，而细胞内液中K+浓度为105mmol•L-1、Na+浓度为10mmol•L-1，因此将K+从血浆中运输到细胞内需通过特殊的离子通道。然后教员给学生们展示由D.A.Doyle测定的K+通道结构图，并讲解通道的结构和运送K+的工作原理。而在介绍砷与健康和疾病的关系时，教员先引出砷是有毒的元素，但是如果能恰当地发挥它的毒害作用，以毒攻毒，可能对一些疾病具有意想不到的治疗效果。在教员的提示下，一名准备充分的同学自告奋勇地介绍砷与疾病的关系：砷及其化合物多具有毒性，两千年前就有砒霜中毒的记载。20世纪的早期阶段，人们开始致力于有机砷化合物的合成，并用于传染病的治疗，至1937年，已人工合成8000余种砷化合物用于医药。在不同年代，砷剂被用来治疗皮肤病、寄生虫病、气喘、疟疾、结核病、神经病、风湿病甚至糖尿病等。直到1943年青霉素的开始使用，砷化合物作为药物的研究热潮才逐渐平息。这时教员提示砷的研究并没有停止，并补充：在上世纪70年代初，哈尔滨医科大学的孙亭栋从治疗淋巴结核的民间验方中受到启发，发明了“癌灵一号”（主要成分是三氧化二砷），并在治疗急性早幼粒细胞白血病中起到显著的治疗效果。1996年国际学术界权威杂志《Science》以“古老的药物放射出新的光彩”为题介绍我国学者用三氧化二砷治疗急性早幼粒细胞白血病的研究成果，为国际医疗界瞩目。如今，亚砷酸注射液已作为国家一类新药上市，美国FDA已批准该药进入临床研究阶段。通过教员引出问题并提示学员从搜集的资料中归纳总结，然后在课堂积极地开展教学互动，学生学习的知识更加扎实了，学习的积极性有了显著的提升，学生对这种授课方式普遍反映很好。

2介绍与本学科有关的最新研究进展

无机化学是一门理论性很强的课程，如果我们在课堂上只强调抽象的理论，就不能很好地调动学生对这门课的学习兴趣。在一些教学过程中适当地引入与本学科有关的最新进展，就能明显地改善课堂的气氛，显著地提高教学效果。例如在讲授化学反应的方向时，要给出大量的理论推导和公式，学生对这些高深的理论有哪些用途感到很困惑。我们在将理论讲透和摆明之后，并没有草草结束了事，而是将化学热力学理论在药物设计中的最新应用———药物设计中的自由能计算模型呈现在学生面前。自由能计算模型为药物设计提供了重要的结构信息，目前已应用于药物分子的设计中。药物分子设计开始于20世纪60年代，80年代中期，应用于创新药物先导结构的发现和优化取得了突破性进展。到90年代，药物分子设计已作为一种实用化的工具渗透到药物研究的各个环节中。直接药物设计就是从生物靶标大分子结构出发，寻找、设计能够与它发生相互作用并调节其功能的小分子，目前主要采用的是分子对接法。即通过将化合物的三维结构数据库中的分子逐一与靶标分子进行对接，通过不断优化小分子化合物的位置、方向和构象，寻找小分子与靶标生物分子作用的最佳构象，计算其与生物大分子的相互作用能。利用分子对接对化合物数据库中所有的分子排序，即可从中找出可能与靶标分子结合的分子，通过受体和配体之间结合Gibbs自由能的评价，优先选择Gibbs自由能小，与靶标分子结合强的小分子作为拟合成的分子，从而大大提高了药物设计的效率。向学生讲授完这些内容以后，我们在电脑中结合分子对接程序模拟与癌症靶标大分子、真菌靶标大分子对接的小分子的筛选过程，通过Gibbs自由能的计算在小分子库中筛选出几种代表性的抗肿瘤、抗真菌化合物的结构。如果我们只向学生直接灌输枯燥的热力学理论，学生们的学习兴趣就得不到激发。如果我们能结合这些难懂的理论讲授它们在药物筛选中的重要应用，学生们的学习积极性就得到了显著的激发，教学效果就有了显著的提升。

3引入案例式教学

无机化学是一门理论和实践结合的课程，我们在向学生们传授化学理论的同时，还要教学生如何将学到的理论知识应用到实践中，并指导生产实践。为了达到理论和实践相结合的目的，我们在授课过程中适当地引入了案例式教学，提高教学效果。例如在讲授配位化合物这一章内容时，除了重点阐明配合物定义、组成、价键理论和晶体场理论外，我们还要讲配合物在医学上的应用。例如在讲铅中毒时，注射枸橼酸钠针剂使铅转变成无毒的枸橼酸铅以排出体外。在讲U、Th、Pu、Sr等放射性元素中毒时，则需要EDTA的钙盐与这些放射性元素结合来将它们排出体外。在讲Hg中毒时，让学生知道Hg常与酶的活性中心-SH结合，从而破坏酶的结构，使之失去正常的生理功能，而注射二巯基丙醇则可与汞形成配合物排出体外，从而使酶的活性得到恢复。为了加深理解，我们引入了一个教学案例：1960年正月，山西平陆县发生了61个农民兄弟的集体食物汞中毒事件，而当时能解毒的药物就是二巯基丙醇，这些药物在平陆县城没有，只在北京特种药品商店有。当时县里正在谋划这一年的生产计划，老书记果断地停止了会议，通过紧急讨论，决定向北京求援，在正月里将电话打到北京王府井特种药品商店。药店的员工接到电话就立刻准备药品，全速运往机场。凭着对阶级兄弟的深厚感情，卫生部、民航局和人民空军都紧急行动起来，争分夺秒地为了挽救生命。在人民空军的协助下，空军飞机抵达了空投地点，在地形复杂的山区惊心动魄地降低高度，在有火堆信号标志的位置准确地空投了一箱二巯基丙醇药品。注射了这些药物，61个农民兄弟的生命很快得到了挽救。在讲授完这些内容之后，教员还将一个相应视频短片播放给大家看。通过这个教学案例，学生们被其中的情节和二巯基丙醇神奇效果所打动，对配合物在医学上的应用有了更加深刻的认识。当在讲授配合物的内容中穿插配合剂解毒的教学案例，原来抽象枯燥的内容变得生动有趣了，大大地激发了学生们的学习热情，收到事半功倍的教学效果。总之，通过对于无机化学以上三个方面的教学改革探索，大大激发了学生们的学习积极性和教员参与教学改革的热情，收到了良好的教学效果。

作者：罗俊 刘宝姝 张欣荣 邱丽娟 李武宏 杨峰 单位：第二军医大学药学院