形象化教学方法在药学专业化学类课程中的应用

doi:10.3866/PKU.DXHX202008064

摘要/Abstract

摘要：

针对药学化学类课程知识点繁杂、部分理论抽象的特点，应用形象化教学方法将重要知识点以形象生动的方式呈现，可以增强教学效果，激发学生的学习兴趣。结合笔者从事的教学科研工作，总结了比喻、比拟等形象化教学方法在无机化学、药物化学等化学类课程中的应用。

关键词: 无机化学, 药物化学, 教学方法, 形象化教学

Abstract:

In view of the complex knowledge points and some abstract theories of pharmaceutical chemistry courses, the application of visualized teaching methods to present important knowledge points in a vivid way can enhance the teaching effect and stimulate students' interest in learning. Based on the authors' teaching and research work, this article summarizes the application of figurative teaching methods such as metaphor and analogy in inorganic chemistry and medicinal chemistry courses.

Key words: Inorganic chemistry, Medicinal chemistry, Teaching method, Visualization teaching method

展鹏, 刘新泳. 形象化教学方法在药学专业化学类课程中的应用[J]. 大学化学, 2021, 36(1): 2008064.

Peng Zhan, Xinyong Liu. Application of Visualization Teaching Method in Chemistry Courses for Pharmacy Major[J]. University Chemistry, 2021, 36(1): 2008064.

链接本文: https://www.dxhx.pku.edu.cn/CN/10.3866/PKU.DXHX202008064

https://www.dxhx.pku.edu.cn/CN/Y2021/V36/I1/2008064

图/表 3

表1

无机化学知识点与形象化教学"

无机化学知识点	概念	形象化教学
能量量子化/量子化假设	黑体辐射的能量谱(ε = nhv)是不连续的，即量子化的	比喻成楼层，电子绕核轨道只能是有限的，就像是一栋楼的楼层也只能是有限的。两个定态之间的能量差，就是原子大厦的楼层差

不同电子层电子的稳定性(能量高低)	玻尔理论认为：原子轨道离核越远，能量越高；各电子尽可能处在离核最近的轨道上，此时原子的能量最低——基态当原子从外界获得能量时，电子可以跃迁到离核较远的轨道上——此时原子和电子处于激发态；电子从高能级跃迁到低能级时，原子会以光子的形式放出能量	靠近原子核的内部轨道的电子不愿意改变，因为待在原处很快乐，我们把这称为“稳定”。高轨道的电子能量(释放光的能力)很高，他们“高处不胜寒”，非常不稳定，“不开心”，因此想要改变
电子激发	电子需要先被激发，离开原来的轨道，才能进入新的轨道	类比：挂在挂衣钩的衣服，掉在地上更稳定，但是需要先把外套提起来几厘米
核外电子排布原则	Pauli不相容原理、能量最低原理、Hund规则	依次比喻成给居民(电子)安排住房、爬楼梯(从下到上、拾级而上)、乘车(有空座先做空座)
Pauli不相容原理	同一原子轨道中最多能容纳2个自旋方向相反的电子，因此一个电子层中最高容纳2n²个电子	在原子大厦里，如何给上百个居民(电子)安排住房呢？众所周知，电子的自然倾向是占据最低轨道，就是楼层最低的房间，根据最小作用量原理，上下楼最省力。但是，上百个客房都住在一楼会是什么情形呢？因此，每一层都需要有固定的客房数
能级交错	“能级交错”现象是随原子核电荷数的递增电子在原子轨道中填充次序上的交错，并不意味着先填能级的能量一定比后填能级的能量低	人类社会中的“先来后到”与按资排辈
元素的分区	原子的价层电子组态特征	人以类聚、物以群分。例如社区、团体的形成或国家行政区域的划分
分子轨道	分子中描述电子运动状态的波函数Ψ称为分子轨道。基于电子离域于整个分子的概念所提出的化学键理论	想象你是一个电子，被拴在原子核上。当另外一个原子靠近的时候，该原子的原子核也会吸引你。如果拉力足够强，你会被拉到两个原子核中间。这时你占据的不再是原子轨道，而是“分子轨道”。分子轨道有一个更常见的名称：化学键
离子极化	当带相反电荷的离子相互靠近时，都会使对方的电子云分布发生变形，偏离原来的球形分布，这种现象称作离子极化	离子极化能力取决于离子自身的电场强度，这类似于：在社会中，人自身的能力决定其影响力
相似相溶	极性相似的物质彼此容易溶解。具体是指，含极性基团或极性键的分子易溶于极性大的溶剂中，不含极性基团或极性键的分子易溶于极性小或非极性溶剂中。相似相溶现象的基础是溶质和溶剂分子之间的相互作用	“物以类聚、人以群分”
离子氛	离子周围的异性离子群称为离子氛。处理电解质溶液中离子相互作用的一种模型，认为在一个离子(中心离子)周围，异号离子应占优势。由此引申出活度与表观浓度的概念	电荷异性吸引可以比喻为在社会中，人往往“困于所溺”，虽人在江湖，看似自由自在，却已身不由己
沉淀的转化	在含有一种沉淀的溶液中，加入适当沉淀剂使第一种沉淀转变成新沉淀的过程，称为沉淀的转化沉淀转化的本质：不同正、负离子对之间的竞争性结合作用一般规律：通常沉淀易于向溶解度更小的物质形式转化；两种物质的溶度积常数(溶解度)相差越大，沉淀转化得越完全	各种组织的结盟与瓦解
质子酸碱理论	酸和碱是通过给出和接受质子的共轭关系相互依存和相互转化的。任意一个酸(碱)要表现出它的酸(碱)性必须有另一个碱(酸)同时存在。即，有酸才有碱，有碱才有酸；酸中有碱，碱中有酸。体现了矛盾双方的依存和转化	“有无相生，难易相成，长短相形，高下相倾，音声相和，前后相随。”“反者道之动”——《道德经》恰如人的付出，须有人悦纳，方能成为授受关系。这样的相互依存的例子不胜枚举
酸碱的相对强弱	酸碱的相对强弱不仅取决于酸碱本身给出或接收质子的能力，同时也与其他共轭酸碱对接受或给出质子能力有关。在同一溶剂中，不同酸碱的相对强弱决定于酸碱各自的本性。同一酸碱在不同溶剂中的相对强弱则由溶剂的性质决定	比喻为人与社会(环境、平台)的关系：在同一个平台中，人的成就有大有小，这一般取决于自身的能力；同一个人，换了个平台，取得了与之前截然不同的成就，这或许就与平台的条件有关了
拉平效应和区分效应	本质：质子性溶剂对物质酸碱强度的影响	公司老板为了考察员工的推销能力，设置了以下两种场景，请问哪种场景能最能考察出员工推销能力的高低？ A.去沙漠中卖水 B.去寺庙卖梳子 C.去沙漠中卖梳子 D.去寺庙中卖水
共轭酸碱对	质子理论阐述，能给出质子的分子或离子是酸，能接受质子的分子或离子是碱，酸给出质子转变为相应的碱，碱接受质子转变为相应的酸，这种因质子得失而相互转变的一对酸碱称为共轭酸碱对酸碱反应都是不同共轭酸碱对之间的质子传递反应，物质的酸性和碱性通过质子的给出或接收来体现	相互依存的关系，实例较多。例如，人与人之间往往是一种付出与索取的关系，人的伟大或者卑微通过对社会的奉献或者索取来评判
氧化还原电对	任何一个氧化还原反应都可以看成是两个半反应之和：一个是氧化剂(氧化型)在反应过程中氧化数降低，氧化型转化为还原型的半反应，另一个是还原剂(还原型)在反应过程中氧化数升高、还原型转化为氧化型的半反应。一对氧化型和还原型物质构成的共轭体系称为氧化还原电对，可用“氧化型/还原型”表示	相互依存的关系，实例较多。例如，人与人之间往往是一种付出与索取的关系，人的伟大或者卑微通过对社会的奉献或者索取来评判
标准电极电势	是可逆电极在标准状态及平衡态时的电势，也是标准态时的电极电势	海平面(海拔高度的零点)
参比电极	常使用甘汞电极(calomel electrode)代替标准氢电极作为参比电极	以济南的千佛山高度为标准，得出济南市区及周边众山的高度。
价键理论	要点：极性共价键+轨道杂化	中心离子与配体的关系可以比作人与人之间的关系：有得有失、各取所需；若要关系紧密，需要调整自己，适应他人
晶体场理论	要点：静电吸引、轨道分裂、电子排布	中心离子与配体的关系可以比作人与人之间的关系：首先互相吸引、进而深刻改变彼此、最终成为亲密朋友
过渡金属元素的配位性	配位性质是过渡元素最重要和最突出的化学性质之一。与s区和p区元素不同，过渡元素的明显特征是常作为配合物的中心原子，形成众多的配位化合物。具体原因包括： ①具有能量相近的(n − 1)d、ns、np、nd价层空轨道；(接纳力) ②一般具有较高的正电荷，离子半径较小，对配体的静电作用较强；(吸引力) ③未充满(n − 1)d电子屏蔽作用较小，有效核电荷较大，对配位体极化能力较强；(影响力) ④ d电子层不饱和，具有较强变形性。(适应力)	配位能力类似社会中人与他人的合作能力，如果要建立起卓有成效的紧密合作，则需要自己具有对他人的接纳力、吸引力、对周围的影响力、对环境和他人的适应力
软硬酸碱与软硬酸碱规则	接收电子对的原子，若其电子云的变形性小，称为硬酸。半径小、电荷数高的正离子一般属于硬酸。电子云变形性大的酸称为软酸给出电子对的原子电负性大、不易变形、不易失去电子的碱，称为硬碱。给出电子对的原子电负性小、易变形、易失去电子的碱，称为软碱软硬酸碱规则：“软亲软，硬亲硬，软硬结合不稳定”；“硬亲硬，软亲软，软硬交界就不管”	软硬就是变形性问题，例如棉花与坚果
碱金属(钠与钾的性质差异)	碱金属和碱土金属盐类易形成结晶水合物规律：离子半径越小，带电荷越多，水合越强。 Li⁺盐有75%是水合的，而K⁺盐只有25%是水合的；水合钠盐比水合钾盐数量多，因此无水硫酸钠是实验室常用干燥剂，而非无水硫酸钾	打油诗：钠钾兄弟俩钠钾本是同家族，驰骋天下兄弟俩；一日三餐氯化钠，火药炮弹硝酸钾；溶剂干燥硫酸钠，红外光谱溴化钾；细胞外液多为钠，细胞内液多是钾；本无优劣与高下，扬长避短作用大。人生观：“天生我才必有用” 事业观：长善救失、扬长避短

表1

表2

药物化学知识点的形象化教学"

药物化学知识点与学术前沿	基本概念	基于比喻或拟人的形象化教学
药物与靶标的结合	本质属于分子间作用力，需要药物与靶标结合位点在空间体积、电性分布等高度契合	锁钥结合模型
前药	是指药物经过化学结构修饰后得到的在体外无活性或活性较小、在体内经酶或非酶的转化释放出活性药物而发挥药效的化合物	伪装者
载药系统	“运载”药物的系统	导弹
基于化合物库筛选的药物发现	化合物库结构多样性、精准药物设计	猎人打猎，猎物要多、质量要好、枪法要准
选择性抑制剂设计策略	蛋白家族结构上的差异	“一母生九子，九子各不同”
药物耐药性与抗耐药药物设计	耐药性又称抗药性，指微生物及肿瘤细胞对于化疗药物作用的耐受性，耐药性一旦产生，药物的化疗作用就明显下降	“道高一尺，魔高一丈”
抗耐药性药物设计策略	靶向关键位点	一夫当关，万夫莫开；以不变应万变
分子柔性与刚性	柔性可以提高抗耐药性；刚性可以提高选择性	适应环境的变化，做人也应该刚柔并济。太灵活则不专一(选择性不好)；太死板则契合性不好(构象刚性)
共价结合药物	是一类可完全关闭和沉默引发疾病的蛋白活性的药物。它的效果强且持久，远高于常规药物	非共价结合部分与共价结合基团类似枪的枪柄和弹头；效果“一剑封喉”
“Escaping from Flatland”理念^[18-20]	除了苯环、芳香杂环外，尽可能选用螺环、桥环、sp³杂化碳较多基团、磷、硅、二茂铁等的依据	人要拒绝平庸，化合物要拒绝平坦
蛋白-蛋白相互作用(稳定化剂)	是指两个或两个以上的蛋白质分子通过非共价键形成蛋白质复合物的过程	人与人之间要保持合理的社交距离
药物蛋白靶标	结构蛋白与功能蛋白	病毒衣壳等结构蛋白比做“厂房”；催化性功能蛋白比作“加工机器”
药物的药效团特征	药效团是药物被生物靶标进行分子识别所必需的物理化学特征及其空间排布	第一代HIV非核苷类逆转录酶抑制剂的“蝴蝶”型药效团，分为躯干、左翼、右翼。分子结构一般分为躯干、头、尾。HIV核糖核酸水解酶抑制剂分为躯干与双翅膀等
Proximity效应^[21]	例如，磺酰氟的稳定性与反应性(图 1)	邻居与路人

表2

图1

参考文献 32

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