大学化学, 2016, 31(1): 18-22 doi: 10.3866/pku.DXHX20160118

教学研究与改革

在药学院的无机化学教学中培养学生的科学思维能力

杨晓改,, 刘会雪, 黄健

To Develop Scientific Thinking through Inorganic Chemistry Teaching at the School of Pharmaceutical Sciences

YANG Xiao-Gai,, LIU Hui-Xue, HUANG Jian

通讯作者: 杨晓改, Email: yxg@bjmu.edu.cn

摘要

通过一些具体实例说明如何在药学院的无机化学课程教学中培养学生的科学思维能力,唤醒学生的求知欲,增强学生获取知识的独立性与主动性。

关键词: 药学 ; 无机化学 ; 科学思维能力 ; 通识教育

Abstract

The present article gives examples to illustrate how to cultivate students' scientific thinking skills, awaken their interest in knowledge and strengthen their abilities to actively acquire the knowledge by themselves during inorganic chemistry teaching process at the school of pharmaceutical sciences.

Keywords: Pharmaceutical sciences ; Inorganic chemistry ; Scientific thinking ability ; Liberal education

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杨晓改, 刘会雪, 黄健. 在药学院的无机化学教学中培养学生的科学思维能力. 大学化学[J], 2016, 31(1): 18-22 doi:10.3866/pku.DXHX20160118

YANG Xiao-Gai, LIU Hui-Xue, HUANG Jian. To Develop Scientific Thinking through Inorganic Chemistry Teaching at the School of Pharmaceutical Sciences. University Chemistry[J], 2016, 31(1): 18-22 doi:10.3866/pku.DXHX20160118

通识教育(liberal education)是高等教育中一个被倡导的重要理念,曾任耶鲁大学校长的Richard Levin在《大学的理念》(《The Idea of a University》)一书中指出,“The essence of liberal education is to develop the freedom to think critically and independently, to cultivate one's mind to its fullest potential, to liberate oneself from prejudice, superstition, and dogma.”[1],这句话的意思是说,通识教育的本质就是要培养出具有独立思考、具有批判性思维的人,培养出具有终身学习能力且心智健全的人,这样的人不会被偏见、迷信和教条所迷惑。通识教育的目标要通过多方面的配合才能实现,这包括课程的设置,也包括某个具体课程内容的讲授。对于无机化学的教学来说,要想实现通识教育的目标,关键是要在教学过程中培养学生的科学思维能力,使学生能够科学地分析问题、解决问题,增强学生获取知识的独立性与主动性。对于药学院的无机化学教学而言,又有其特殊性。由于药学是一门研究药物、揭示药物与人体或药物与各种病原生物体相互作用与规律的科学,需要解决的核心问题是在认识疾病的基础上发现和研究药物,从而维护人类的生命和健康,因此,在药学院的无机化学教学中需要注重化学与生命科学各学科相结合。

一般来说,大一无机化学的教学内容主要包括4部分:物质结构理论基础、化学反应的基本原理(化学反应热力学和动力学)、四大化学平衡(酸碱平衡、沉淀溶解平衡、氧化还原平衡、配位化学平衡)以及元素化学。尽管以往关于其教学内容、教学方式以及考核方式等方面已有不少论述,但鲜有专门针对药学专业的无机化学教学与通识教育的相关性研究。本文欲通过一些具体实例探讨在药学院的无机化学教学过程中如何培养学生的科学思维能力,增强学生获取知识的独立性与主动性。

首先,注重在教学中贯穿科学史与科学方法论的教学。例如,物质结构理论是构成现代化学的基础之一,也是了解物质化学性质以及活性的基础。人们对于原子结构、分子结构、配合物结构理论的认识都是在不同的历史阶段逐步深入的。由于分子是由原子构成,而量子理论又可以帮助我们理解原子结构,所以对于这部分的教学,一方面可以介绍量子力学的发展史以及创立者的困惑,同时也可介绍量子化学研究中所采用的近似处理方法,让学生感受到科学家是怎样通过建立和修正一系列模型而逐步加深对原子结构以及分子结构的认识的。另一方面,在教学中也可以通过对近代原子结构模型建立过程的讲授,让学生体会到在模型的提出和建立过程中,除了科学家本人的洞察力、想象力以及抽象思维能力,最重要的是以可观测到的实验现象为依据。表1为3个具有里程碑意义的近代原子结构模型的建立所依据的主要实验现象以及学说,从表1可看到,当已有的假说与新的实验结果相矛盾时,就会促进一个新的假说的形成,从而推进认识的深化。通过对这段历史的回顾,可以让学生体会到如何解决一个公认的科学理论所遇到的问题以及假说在科学研究中的引导作用。

表1   近代原子结构模型的建立与修正

模型 基于的实验现象或学说 无法解释的实验现象
Rutherford带核原子模型 带有负电荷的阴极射线 原子光谱原子的稳定存在
放射性元素的3种射线
α粒子散射实验
Bohr模型 原子的线性光谱 多电子原子光谱
Rutherford原子模型 氢原子光谱的精细结构
Planck量子论  
Einstein光子学说  
量子力学模型 微观粒子的波粒二象性  
能量量子化  

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在教学过程中,还可推荐学生在课外有针对性地阅读一些科学家传记。如在讲解分子结构的章节时,可建议学生阅读鲍林(Linus Pauling)的传记[2],鲍林在1954年因在化学键方面取得的成就而获得诺贝尔化学奖,学生通过阅读他的传记,不仅可加深对所学知识及概念的了解,也可了解到科学方法论的知识;同时还能系统地了解进行科学活动的过程以及科学家的心路历程和丰富的个人经历,让学生体会到,在抽象概念的背后,还有一些栩栩如生的人。这种科学精神的灌输,不仅能唤醒学生的求知欲,同时其思维能力也会得到培养和提高。

其次,在教学内容上,考虑到药学院的培养目标,在教学过程中需注重将无机化学的基本理论与生命科学、环境科学、材料科学等学科领域的实际问题相结合,在相关的知识背景下进行学习,这样一方面能让学生意识到所学的知识与生命科学以及后续学习内容的相关性,另一方面也有助于提高学生学习的趣味性和培养学生获取知识的独立性与主动性。

以元素化学的教学为例,可尝试与基于问题的学习法(problem-based-learning)相结合。举例来说,在讲授铁的化学性质时,让学生了解铁是人体的必需元素,在生物体中有许多含铁的蛋白和酶,有的在体内起着传递电子及参与各种酶的催化体系的作用;有的可与氧分子发生配位,作为氧载体结合和释放氧分子;有的与铁自身的吸收、贮存和转运有关。可以从铁所参与的生物学过程出发,让学生思考下面两个问题:

(1)若铁缺乏会引起缺铁性贫血,针对补铁药物的质量控制需要考虑哪些因素?为何Fe(Ⅲ)制剂的稳定性问题主要是要解决其水解问题,而Fe(Ⅱ)制剂主要是要解决其氧化问题?

(2)为何血红蛋白中铁只有处于还原态Fe2+的形式才能与氧分子发生配位结合,且自身不被氧分子所氧化?但为何在作为电子载体起到电子传递作用的蛋白(如细胞色素c)中,Fe(Ⅲ)与Fe(Ⅱ)之间却可以发生相互转化?铁元素的这些生物效应或功能与其原子结构有什么关系?

从这些问题可以引出铁离子的生物效应与其在溶液中的3个化学性质(即水解、氧化还原和配位)的相关性(表2),然后可进一步引导学生体会Fe3+和Fe2+化学性质的不同与其离子结构的关系,即不同价态铁离子的化学性质与其电荷/半径比和软硬酸碱度的相关性。显然,结构的不同造成了其水解能力及与不同配位原子配位倾向性的不同。这样,以铁离子的基本化学性质为中心,可以让学生理解结构、性质、活性之间的关系,学会如何思考问题。

表2   Fe2+或Fe3+的化学性质与其生物效应之间的相关性

化学性质 应用或生物功能
水解、聚合、沉淀 补铁剂的种类(如山梨醇铁注射液)
氧化还原 电子载体传递(如细胞色素c)
配位化学(配体的选择性) 氧载体(如血红蛋白)

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第三,在教学方式上,可采取比较和归纳的方法,让学生能够有意识地总结物质的内在联系及其规律性。例如,对于元素化学的讲授,不仅要让学生能够利用元素周期律从一个元素认识一族元素的性质,还要能够比较不同族元素之间的异同点,通过认识元素之间的相似性,认识和探究不同元素的性质和生物学活性的异同。如Ca2+和Mg2+(表3),尽管这两种离子都属于碱土金属离子,也都是人体必需元素中的宏量矿物元素,但在正常生理状态下,它们在细胞膜内外的浓度梯度却有很大差异,细胞膜内外钙离子浓度相差高达一万倍左右;而细胞膜内外镁离子浓度的差别不大。在教学中,可引导学生从化学角度思考在生物演化过程中为何存在这种选择性。从演化规律来看,若一种元素被选择,它就应具有完成某种功能的能力。对于钙离子来说,它在体内充当第二信使,故其在细胞内的浓度需要受第一信使的调节,可以瞬间升高且能快速降低。这个过程涉及到离子的水取代反应速率,这类反应的速率控制步骤是水分子的离去。由于钙离子的半径较镁离子大,而电荷相同,所以它保持水分子的能力就比镁离子弱,因此表现出较快的反应速率,从而可满足它作为第二信使的基本要求。这也是在细胞内钙离子浓度较小的原因,可有利于它在细胞处于激活状态时瞬时升高。另外,由于钙离子较镁离子更易形成磷酸盐或碳酸盐沉淀,故在细胞内保持较低浓度的钙离子可避免沉淀的形成。这样就可以从进化的选择性入手提出问题,利用已知的金属离子的结构参数以及热力学和动力学参数,引导学生从化学的角度分析和比较两种相似金属离子的差异性与其生物效应的关系。

表3   镁离子和钙离子的比较

离子 离子半径/pm 水合数 Δ H水合Θ/(kJ·mol-1) 水交换速率/s-1 细胞外与细胞内的浓度比
Mg2+ 65 5.1 -1921 ~105 ~1
Ca2+ 99 4.3 -1557 ~108 ~104

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又如,尽管锂和镁不属于同一族元素,但根据对角线规则,它们的化学性质类似,基于Li+和Mg2+的相似性,尽管锂元素并不是人体的必需元素,但根据类比推理,这种化学性质的相似可能导致它干预与其类似的离子Mg2+所参与的生物学过程,这也被认为是作为治疗双向性精神病的药物碳酸锂的主要作用机制[3]

因此,尽管所讲解的内容是具体的、零碎的,但可以在教学过程中总结归纳其共同点及问题的本质,让学生领悟到这些元素化学性质中个性中的共性以及相似性中的相异性。这样在将来遇到类似的问题时,就可以通过类比或演绎推理,解决或探索未知的问题。

第四,注重学生在课外的自我训练和自学能力的培养。互联网的发展与普及使得教师与学生在资源与信息的占有方面并无显著不同;不同的是教师与学生在信息的提取与整合能力方面的区别。这意味着在教学内容上不能仅局限于教材内容,要对学生的知识内容进行有指导性的拓展。在课外可以布置学生看一些相关的公开课教学视频,如可汗学院(Khan Academy)的化学(chemistry)[4]、麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology)的化学原理(principles of chemical science)[5]以及杜克大学(Duke University)的化学核心概念(core concepts in chemistry)[6]等。一些实验演示也可通过一些网上的电子资源进行补充学习。

前哈佛文理学院院长Rosovsky当年在哈佛推行的“核心课程计划”(core curriculum project)曾被视为高等教学领域的一场革命,他本人在1990年出版的被称为大学手册(《The University: An Owner's Manual》)的书中[7],也详细阐述了自己的教育理念。其中,他谈到通识教育的五个标准,在最后一条中,提到一个有学养的人应对于主修科目(major subjects)拥有较深入的理解,他说,“It is expected that in every major, students will gain sufficient control of the data, theory, and methods to define the issues in a given problem, develop the evidence and arguments that may reasonably be advanced on the various sides of each issue, and reach conclusions based on a convincing evaluation of the evidence”,也就是说,学生在对每个主修科目的学习中,都需掌握充分的数据、理论和方法,从而明确某一特定问题的关键点,并对每个关键点的不同侧面进一步形成合理的依据和论点,最后基于对证据进行令人信服的评估,得出结论。这种体现在每个具体专业科目中的训练旨在培养学生进行切题和具有说服力交流的能力,也是培养学生批判性思考能力的过程。因此,在无机化学的教学过程中,除了对于学生基本知识点的要求外,还需要注重学生应用基本知识解决问题能力的评价,这种评价可以体现在学生对相关领域最新进展的了解以及相关科学论文的阅读上,体现在对某些知识点的进一步理解和应用上。例如,对于化学键的认识,在所有教材中都是源于理论计算。但最近几年,随着技术的发展,人们已经能通过原子力显微镜看到共价键的结构[8],可利用直线加速器相干光源的X射线脉冲观察到化学反应中形成化学键的过渡状态[9]。通过介绍这些内容,让学生结合教材做一些延伸阅读,一方面可扩大学生的知识面,另一方面也可培养学生获取、处理信息以及思考问题、分析问题的能力。

总之,在药学院的无机化学教学过程中,要结合学科特点,培养学生的思维能力,一方面要注重基本理论知识的系统讲授,一方面也要注重在教学中体现所学的这些知识与生命科学等其他学科以及后续学习内容的相关性,让学生在与实际问题相关的背景中应用这些理论知识或概念,在应用的实例中体会到所学知识的重要性和实用价值,加强与促进学生获取知识的独立性与主动性。但无论如何,思维能力的培养是需要通过学生来实现的,作为受教学习的一方,学生本身在培养过程中起着决定性作用;学生自己要读书,要思考,要有意识地将这些思维方法贯穿在所有的学习过程中。

参考文献

Levin R.C The Work of the University New Haven and London: Yale University Press, 2003,

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托马斯·哈格. 20世纪的科学怪杰鲍林.周仲良,郭宇峰,郭镜明,译.上海:复旦大学出版社, 1999.

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Jope R.S Trends in Pharm.Sci. 2003, 24, 441.

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http://www.khanacademy.org/ (accessed March 2015).

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http://sciencestage.com/principles-of-chemical-science (accessed March 2015).

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https://itunes.apple.com/cn/course/core-concepts-in-chemistry/ (accessed March 2015).

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Rosovsky H. The University: An Owner's Manual New York: W. W. Norton & Company Inc., 1991,

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de Oteyza D.G. ; Gorman P. ; Chen Y.C. ; Wickenburg S. ; Riss S.A. ; Mowbray S.D.J. ; Etkin S.G. ; Pedramrazi S.Z. ; Tsai H.Z. ; Rubio A. ; Crommie M.F. ; Fischer F.R. Science 2013, 340 (6139), 1434.

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Öström H. ; Öberg H. ; Xin H. ; LaRue J. ; Beye M. ; Dell'Angela M. ; Gladh J. ; Ng M.L. ; Sellberg J.A. ; Kaya S. ; Mercurio G. ; Nordlund D. ; Hantschmann M. ; Hieke F. ; Kühn D. ; Schlotter W.F. ; Dakovski G.L. ; Turner J.J. ; Minitti M.P. ; Mitra A. ; Moeller S.P. ; Föhlisch A. ; Wolf M. ; Wurth W. ; Persson M. ; Nørskov J.K. ; Abild-Pedersen F. ; Ogasawara H. ; Pettersson L.G.M. ; Nilsson A. Science 2015, 347 (6225), 978.

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