生物技術(shù)專業(yè)無機(jī)化學(xué)教學(xué)改革探索

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生物技術(shù)專業(yè)是與生物、醫(yī)學(xué)、化學(xué)等領(lǐng)域密切相關(guān)的一門學(xué)科，在這方面學(xué)習(xí)的學(xué)生不僅要掌握高深的生物化學(xué)知識，還要擁有基因工程、發(fā)酵工程、酶工程以及高通量篩選的相關(guān)基礎(chǔ)。因此為了更好地為生物技術(shù)后續(xù)相關(guān)課程打好基礎(chǔ)，學(xué)生們不僅要有豐富的生物醫(yī)學(xué)方面的知識積累，還應(yīng)該具有雄厚的化學(xué)基礎(chǔ)。無機(jī)化學(xué)作為一門重要基礎(chǔ)課，是生物技術(shù)專業(yè)大學(xué)新生入學(xué)后所接觸的第一門化學(xué)課。學(xué)好這門課，對于打好學(xué)生們的化學(xué)基礎(chǔ)，培養(yǎng)學(xué)生們對物理化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)等化學(xué)課程的學(xué)習(xí)興趣具有舉足輕重的作用。本人從事生物技術(shù)專業(yè)無機(jī)化學(xué)課程教學(xué)多年，對無機(jī)化學(xué)授課時(shí)基本理論和基本公式多、基本概念單調(diào)枯燥深有體會(huì)。為了進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)效果。我們進(jìn)行了大膽地嘗試，收到了較好的效果。以下我們就介紹本人近年來在無機(jī)化學(xué)教學(xué)改革中所進(jìn)行的探索。

1開展互動(dòng)式教學(xué)以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

無機(jī)化學(xué)是一門有著悠久歷史的學(xué)科，其發(fā)展過程有數(shù)千年的歷史。如果我們在教學(xué)中只注重傳授知識，對學(xué)生只是灌輸基本理論和概念，那么就很難激發(fā)學(xué)生們的學(xué)習(xí)熱情，整個(gè)課堂氣氛就會(huì)變得死氣沉沉。為了測定改變“滿堂灌”的教學(xué)方式，我們將作為教學(xué)主體的學(xué)生引入到課堂教學(xué)整個(gè)過程中，在授課的過程中強(qiáng)化教師和學(xué)生之間的教學(xué)互動(dòng)。例如在介紹元素和健康這一部分內(nèi)容時(shí)，我們還提前讓學(xué)生們通過各種數(shù)據(jù)庫去廣泛地收集資料和文獻(xiàn)，了解元素在生命健康中的重要作用，然后歸納總結(jié)形成一篇篇綜述。在上課時(shí)，教員先開個(gè)頭：元素在生命健康中起著不可替代的作用，這時(shí)一位同學(xué)就躍躍欲試了，教員讓他站起來，這位同學(xué)就結(jié)合自己的綜述介紹鈉和鉀的生理功能：Na+是細(xì)胞外液的主要陽離子，K+是細(xì)胞內(nèi)液的主要陽離子，也是細(xì)胞外液的重要成分。人體內(nèi)的Na+和K+離子能控制細(xì)胞、組織液和血液內(nèi)的電平衡，以起到保持體液正常流通和體內(nèi)酸堿平衡的作用。Na+能維持體液滲透壓，并保持肌肉的正常興奮性和細(xì)胞的通透性。K+是丙酮酸激酶的輔基。K+和Na+對神經(jīng)信息傳遞起著重要的作用。這時(shí)教員就補(bǔ)充：人體血漿中K+濃度為5mmol•L-1、Na+濃度為143mmol•L-1，而細(xì)胞內(nèi)液中K+濃度為105mmol•L-1、Na+濃度為10mmol•L-1，因此將K+從血漿中運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞內(nèi)需通過特殊的離子通道。然后教員給學(xué)生們展示由D.A.Doyle測定的K+通道結(jié)構(gòu)圖，并講解通道的結(jié)構(gòu)和運(yùn)送K+的工作原理。而在介紹砷與健康和疾病的關(guān)系時(shí)，教員先引出砷是有毒的元素，但是如果能恰當(dāng)?shù)匕l(fā)揮它的毒害作用，以毒攻毒，可能對一些疾病具有意想不到的治療效果。在教員的提示下，一名準(zhǔn)備充分的同學(xué)自告奮勇地介紹砷與疾病的關(guān)系：砷及其化合物多具有毒性，兩千年前就有砒霜中毒的記載。20世紀(jì)的早期階段，人們開始致力于有機(jī)砷化合物的合成，并用于傳染病的治療，至1937年，已人工合成8000余種砷化合物用于醫(yī)藥。在不同年代，砷劑被用來治療皮膚病、寄生蟲病、氣喘、瘧疾、結(jié)核病、神經(jīng)病、風(fēng)濕病甚至糖尿病等。直到1943年青霉素的開始使用，砷化合物作為藥物的研究熱潮才逐漸平息。這時(shí)教員提示砷的研究并沒有停止，并補(bǔ)充：在上世紀(jì)70年代初，哈爾濱醫(yī)科大學(xué)的孫亭棟從治療淋巴結(jié)核的民間驗(yàn)方中受到啟發(fā)，發(fā)明了“癌靈一號”（主要成分是三氧化二砷），并在治療急性早幼粒細(xì)胞白血病中起到顯著的治療效果。1996年國際學(xué)術(shù)界權(quán)威雜志《Science》以“古老的藥物放射出新的光彩”為題介紹我國學(xué)者用三氧化二砷治療急性早幼粒細(xì)胞白血病的研究成果，為國際醫(yī)療界矚目。如今，亞砷酸注射液已作為國家一類新藥上市，美國FDA已批準(zhǔn)該藥進(jìn)入臨床研究階段。通過教員引出問題并提示學(xué)員從搜集的資料中歸納總結(jié)，然后在課堂積極地開展教學(xué)互動(dòng)，學(xué)生學(xué)習(xí)的知識更加扎實(shí)了，學(xué)習(xí)的積極性有了顯著的提升，學(xué)生對這種授課方式普遍反映很好。

2介紹與本學(xué)科有關(guān)的最新研究進(jìn)展

無機(jī)化學(xué)是一門理論性很強(qiáng)的課程，如果我們在課堂上只強(qiáng)調(diào)抽象的理論，就不能很好地調(diào)動(dòng)學(xué)生對這門課的學(xué)習(xí)興趣。在一些教學(xué)過程中適當(dāng)?shù)匾肱c本學(xué)科有關(guān)的最新進(jìn)展，就能明顯地改善課堂的氣氛，顯著地提高教學(xué)效果。例如在講授化學(xué)反應(yīng)的方向時(shí)，要給出大量的理論推導(dǎo)和公式，學(xué)生對這些高深的理論有哪些用途感到很困惑。我們在將理論講透和擺明之后，并沒有草草結(jié)束了事，而是將化學(xué)熱力學(xué)理論在藥物設(shè)計(jì)中的最新應(yīng)用———藥物設(shè)計(jì)中的自由能計(jì)算模型呈現(xiàn)在學(xué)生面前。自由能計(jì)算模型為藥物設(shè)計(jì)提供了重要的結(jié)構(gòu)信息，目前已應(yīng)用于藥物分子的設(shè)計(jì)中。藥物分子設(shè)計(jì)開始于20世紀(jì)60年代，80年代中期，應(yīng)用于創(chuàng)新藥物先導(dǎo)結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)和優(yōu)化取得了突破性進(jìn)展。到90年代，藥物分子設(shè)計(jì)已作為一種實(shí)用化的工具滲透到藥物研究的各個(gè)環(huán)節(jié)中。直接藥物設(shè)計(jì)就是從生物靶標(biāo)大分子結(jié)構(gòu)出發(fā)，尋找、設(shè)計(jì)能夠與它發(fā)生相互作用并調(diào)節(jié)其功能的小分子，目前主要采用的是分子對接法。即通過將化合物的三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫中的分子逐一與靶標(biāo)分子進(jìn)行對接，通過不斷優(yōu)化小分子化合物的位置、方向和構(gòu)象，尋找小分子與靶標(biāo)生物分子作用的最佳構(gòu)象，計(jì)算其與生物大分子的相互作用能。利用分子對接對化合物數(shù)據(jù)庫中所有的分子排序，即可從中找出可能與靶標(biāo)分子結(jié)合的分子，通過受體和配體之間結(jié)合Gibbs自由能的評價(jià)，優(yōu)先選擇Gibbs自由能小，與靶標(biāo)分子結(jié)合強(qiáng)的小分子作為擬合成的分子，從而大大提高了藥物設(shè)計(jì)的效率。向?qū)W生講授完這些內(nèi)容以后，我們在電腦中結(jié)合分子對接程序模擬與癌癥靶標(biāo)大分子、真菌靶標(biāo)大分子對接的小分子的篩選過程，通過Gibbs自由能的計(jì)算在小分子庫中篩選出幾種代表性的抗腫瘤、抗真菌化合物的結(jié)構(gòu)。如果我們只向?qū)W生直接灌輸枯燥的熱力學(xué)理論，學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣就得不到激發(fā)。如果我們能結(jié)合這些難懂的理論講授它們在藥物篩選中的重要應(yīng)用，學(xué)生們的學(xué)習(xí)積極性就得到了顯著的激發(fā)，教學(xué)效果就有了顯著的提升。

3引入案例式教學(xué)

無機(jī)化學(xué)是一門理論和實(shí)踐結(jié)合的課程，我們在向?qū)W生們傳授化學(xué)理論的同時(shí)，還要教學(xué)生如何將學(xué)到的理論知識應(yīng)用到實(shí)踐中，并指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐。為了達(dá)到理論和實(shí)踐相結(jié)合的目的，我們在授課過程中適當(dāng)?shù)匾肓税咐浇虒W(xué)，提高教學(xué)效果。例如在講授配位化合物這一章內(nèi)容時(shí)，除了重點(diǎn)闡明配合物定義、組成、價(jià)鍵理論和晶體場理論外，我們還要講配合物在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用。例如在講鉛中毒時(shí)，注射枸櫞酸鈉針劑使鉛轉(zhuǎn)變成無毒的枸櫞酸鉛以排出體外。在講U、Th、Pu、Sr等放射性元素中毒時(shí)，則需要EDTA的鈣鹽與這些放射性元素結(jié)合來將它們排出體外。在講Hg中毒時(shí)，讓學(xué)生知道Hg常與酶的活性中心-SH結(jié)合，從而破壞酶的結(jié)構(gòu)，使之失去正常的生理功能，而注射二巰基丙醇則可與汞形成配合物排出體外，從而使酶的活性得到恢復(fù)。為了加深理解，我們引入了一個(gè)教學(xué)案例：1960年正月，山西平陸縣發(fā)生了61個(gè)農(nóng)民兄弟的集體食物汞中毒事件，而當(dāng)時(shí)能解毒的藥物就是二巰基丙醇，這些藥物在平陸縣城沒有，只在北京特種藥品商店有。當(dāng)時(shí)縣里正在謀劃這一年的生產(chǎn)計(jì)劃，老書記果斷地停止了會(huì)議，通過緊急討論，決定向北京求援，在正月里將電話打到北京王府井特種藥品商店。藥店的員工接到電話就立刻準(zhǔn)備藥品，全速運(yùn)往機(jī)場。憑著對階級兄弟的深厚感情，衛(wèi)生部、民航局和人民空軍都緊急行動(dòng)起來，爭分奪秒地為了挽救生命。在人民空軍的協(xié)助下，空軍飛機(jī)抵達(dá)了空投地點(diǎn)，在地形復(fù)雜的山區(qū)驚心動(dòng)魄地降低高度，在有火堆信號標(biāo)志的位置準(zhǔn)確地空投了一箱二巰基丙醇藥品。注射了這些藥物，61個(gè)農(nóng)民兄弟的生命很快得到了挽救。在講授完這些內(nèi)容之后，教員還將一個(gè)相應(yīng)視頻短片播放給大家看。通過這個(gè)教學(xué)案例，學(xué)生們被其中的情節(jié)和二巰基丙醇神奇效果所打動(dòng)，對配合物在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用有了更加深刻的認(rèn)識。當(dāng)在講授配合物的內(nèi)容中穿插配合劑解毒的教學(xué)案例，原來抽象枯燥的內(nèi)容變得生動(dòng)有趣了，大大地激發(fā)了學(xué)生們的學(xué)習(xí)熱情，收到事半功倍的教學(xué)效果。總之，通過對于無機(jī)化學(xué)以上三個(gè)方面的教學(xué)改革探索，大大激發(fā)了學(xué)生們的學(xué)習(xí)積極性和教員參與教學(xué)改革的熱情，收到了良好的教學(xué)效果。

作者：羅俊 劉寶姝 張欣榮 邱麗娟 李武宏 楊峰 單位：第二軍醫(yī)大學(xué)藥學(xué)院