楊曉改*　劉會(huì)雪　黃 健(北京大學(xué)藥學(xué)院，北京 100191)

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在藥學(xué)院的無(wú)機(jī)化學(xué)教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力

楊曉改*劉會(huì)雪黃 健
(北京大學(xué)藥學(xué)院，北京 100191)

摘要：通過(guò)一些具體實(shí)例說(shuō)明如何在藥學(xué)院的無(wú)機(jī)化學(xué)課程教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力，喚醒學(xué)生的求知欲，增強(qiáng)學(xué)生獲取知識(shí)的獨(dú)立性與主動(dòng)性。

關(guān)鍵詞：藥學(xué)；無(wú)機(jī)化學(xué)；科學(xué)思維能力；通識(shí)教育

通識(shí)教育(liberal education)是高等教育中一個(gè)被倡導(dǎo)的重要理念, 曾任耶魯大學(xué)校長(zhǎng)的Richard Levin在《大學(xué)的理念》(《The Idea of a University》)一書(shū)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]，這句話(huà)的意思是說(shuō)，通識(shí)教育的本質(zhì)就是要培養(yǎng)出具有獨(dú)立思考、具有批判性思維的人，培養(yǎng)出具有終身學(xué)習(xí)能力且心智健全的人，這樣的人不會(huì)被偏見(jiàn)、迷信和教條所迷惑。通識(shí)教育的目標(biāo)要通過(guò)多方面的配合才能實(shí)現(xiàn)，這包括課程的設(shè)置，也包括某個(gè)具體課程內(nèi)容的講授。對(duì)于無(wú)機(jī)化學(xué)的教學(xué)來(lái)說(shuō)，要想實(shí)現(xiàn)通識(shí)教育的目標(biāo)，關(guān)鍵是要在教學(xué)過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力，使學(xué)生能夠科學(xué)地分析問(wèn)題、解決問(wèn)題，增強(qiáng)學(xué)生獲取知識(shí)的獨(dú)立性與主動(dòng)性。對(duì)于藥學(xué)院的無(wú)機(jī)化學(xué)教學(xué)而言，又有其特殊性。由于藥學(xué)是一門(mén)研究藥物、揭示藥物與人體或藥物與各種病原生物體相互作用與規(guī)律的科學(xué)，需要解決的核心問(wèn)題是在認(rèn)識(shí)疾病的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)和研究藥物，從而維護(hù)人類(lèi)的生命和健康，因此，在藥學(xué)院的無(wú)機(jī)化學(xué)教學(xué)中需要注重化學(xué)與生命科學(xué)各學(xué)科相結(jié)合。

一般來(lái)說(shuō)，大一無(wú)機(jī)化學(xué)的教學(xué)內(nèi)容主要包括4部分：物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論基礎(chǔ)、化學(xué)反應(yīng)的基本原理(化學(xué)反應(yīng)熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué))、四大化學(xué)平衡(酸堿平衡、沉淀溶解平衡、氧化還原平衡、配位化學(xué)平衡)以及元素化學(xué)。盡管以往關(guān)于其教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式以及考核方式等方面已有不少論述，但鮮有專(zhuān)門(mén)針對(duì)藥學(xué)專(zhuān)業(yè)的無(wú)機(jī)化學(xué)教學(xué)與通識(shí)教育的相關(guān)性研究。本文欲通過(guò)一些具體實(shí)例探討在藥學(xué)院的無(wú)機(jī)化學(xué)教學(xué)過(guò)程中如何培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力，增強(qiáng)學(xué)生獲取知識(shí)的獨(dú)立性與主動(dòng)性。

首先，注重在教學(xué)中貫穿科學(xué)史與科學(xué)方法論的教學(xué)。例如，物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論是構(gòu)成現(xiàn)代化學(xué)的基礎(chǔ)之一，也是了解物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)以及活性的基礎(chǔ)。人們對(duì)于原子結(jié)構(gòu)、分子結(jié)構(gòu)、配合物結(jié)構(gòu)理論的認(rèn)識(shí)都是在不同的歷史階段逐步深入的。由于分子是由原子構(gòu)成，而量子理論又可以幫助我們理解原子結(jié)構(gòu)，所以對(duì)于這部分的教學(xué)，一方面可以介紹量子力學(xué)的發(fā)展史以及創(chuàng)立者的困惑，同時(shí)也可介紹量子化學(xué)研究中所采用的近似處理方法，讓學(xué)生感受到科學(xué)家是怎樣通過(guò)建立和修正一系列模型而逐步加深對(duì)原子結(jié)構(gòu)以及分子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)的。另一方面，在教學(xué)中也可以通過(guò)對(duì)近代原子結(jié)構(gòu)模型建立過(guò)程的講授，讓學(xué)生體會(huì)到在模型的提出和建立過(guò)程中，除了科學(xué)家本人的洞察力、想象力以及抽象思維能力，最重要的是以可觀測(cè)到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象為依據(jù)。表1為3個(gè)具有里程碑意義的近代原子結(jié)構(gòu)模型的建立所依據(jù)的主要實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象以及學(xué)說(shuō)，從表1可看到，當(dāng)已有的假說(shuō)與新的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相矛盾時(shí)，就會(huì)促進(jìn)一個(gè)新的假說(shuō)的形成，從而推進(jìn)認(rèn)識(shí)的深化。通過(guò)對(duì)這段歷史的回顧，可以讓學(xué)生體會(huì)到如何解決一個(gè)公認(rèn)的科學(xué)理論所遇到的問(wèn)題以及假說(shuō)在科學(xué)研究中的引導(dǎo)作用。

表1　近代原子結(jié)構(gòu)模型的建立與修正

在教學(xué)過(guò)程中，還可推薦學(xué)生在課外有針對(duì)性地閱讀一些科學(xué)家傳記。如在講解分子結(jié)構(gòu)的章節(jié)時(shí)，可建議學(xué)生閱讀鮑林(Linus Pauling)的傳記[2]，鮑林在1954年因在化學(xué)鍵方面取得的成就而獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，學(xué)生通過(guò)閱讀他的傳記，不僅可加深對(duì)所學(xué)知識(shí)及概念的了解，也可了解到科學(xué)方法論的知識(shí)；同時(shí)還能系統(tǒng)地了解進(jìn)行科學(xué)活動(dòng)的過(guò)程以及科學(xué)家的心路歷程和豐富的個(gè)人經(jīng)歷，讓學(xué)生體會(huì)到，在抽象概念的背后，還有一些栩栩如生的人。這種科學(xué)精神的灌輸，不僅能喚醒學(xué)生的求知欲，同時(shí)其思維能力也會(huì)得到培養(yǎng)和提高。

其次，在教學(xué)內(nèi)容上，考慮到藥學(xué)院的培養(yǎng)目標(biāo)，在教學(xué)過(guò)程中需注重將無(wú)機(jī)化學(xué)的基本理論與生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、材料科學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域的實(shí)際問(wèn)題相結(jié)合，在相關(guān)的知識(shí)背景下進(jìn)行學(xué)習(xí)，這樣一方面能讓學(xué)生意識(shí)到所學(xué)的知識(shí)與生命科學(xué)以及后續(xù)學(xué)習(xí)內(nèi)容的相關(guān)性，另一方面也有助于提高學(xué)生學(xué)習(xí)的趣味性和培養(yǎng)學(xué)生獲取知識(shí)的獨(dú)立性與主動(dòng)性。

以元素化學(xué)的教學(xué)為例，可嘗試與基于問(wèn)題的學(xué)習(xí)法(problem-based-learning)相結(jié)合。舉例來(lái)說(shuō)，在講授鐵的化學(xué)性質(zhì)時(shí)，讓學(xué)生了解鐵是人體的必需元素，在生物體中有許多含鐵的蛋白和酶，有的在體內(nèi)起著傳遞電子及參與各種酶的催化體系的作用；有的可與氧分子發(fā)生配位，作為氧載體結(jié)合和釋放氧分子；有的與鐵自身的吸收、貯存和轉(zhuǎn)運(yùn)有關(guān)?？梢詮蔫F所參與的生物學(xué)過(guò)程出發(fā)，讓學(xué)生思考下面兩個(gè)問(wèn)題：

(1)若鐵缺乏會(huì)引起缺鐵性貧血，針對(duì)補(bǔ)鐵藥物的質(zhì)量控制需要考慮哪些因素？為何Fe(Ⅲ)制劑的穩(wěn)定性問(wèn)題主要是要解決其水解問(wèn)題，而Fe(Ⅱ)制劑主要是要解決其氧化問(wèn)題?

(2)為何血紅蛋白中鐵只有處于還原態(tài)Fe2+的形式才能與氧分子發(fā)生配位結(jié)合，且自身不被氧分子所氧化？但為何在作為電子載體起到電子傳遞作用的蛋白(如細(xì)胞色素c)中，F(xiàn)e(Ⅲ)與Fe(Ⅱ)之間卻可以發(fā)生相互轉(zhuǎn)化？鐵元素的這些生物效應(yīng)或功能與其原子結(jié)構(gòu)有什么關(guān)系？

從這些問(wèn)題可以引出鐵離子的生物效應(yīng)與其在溶液中的3個(gè)化學(xué)性質(zhì)(即水解、氧化還原和配位)的相關(guān)性(表2)，然后可進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生體會(huì)Fe3+和Fe2+化學(xué)性質(zhì)的不同與其離子結(jié)構(gòu)的關(guān)系，即不同價(jià)態(tài)鐵離子的化學(xué)性質(zhì)與其電荷/半徑比和軟硬酸堿度的相關(guān)性。顯然，結(jié)構(gòu)的不同造成了其水解能力及與不同配位原子配位傾向性的不同。這樣，以鐵離子的基本化學(xué)性質(zhì)為中心，可以讓學(xué)生理解結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、活性之間的關(guān)系，學(xué)會(huì)如何思考問(wèn)題。

表2　Fe2+或Fe3+的化學(xué)性質(zhì)與其生物效應(yīng)之間的相關(guān)性

第三，在教學(xué)方式上，可采取比較和歸納的方法，讓學(xué)生能夠有意識(shí)地總結(jié)物質(zhì)的內(nèi)在聯(lián)系及其規(guī)律性。例如，對(duì)于元素化學(xué)的講授，不僅要讓學(xué)生能夠利用元素周期律從一個(gè)元素認(rèn)識(shí)一族元素的性質(zhì)，還要能夠比較不同族元素之間的異同點(diǎn)，通過(guò)認(rèn)識(shí)元素之間的相似性，認(rèn)識(shí)和探究不同元素的性質(zhì)和生物學(xué)活性的異同。如Ca2+和Mg2+(表3)，盡管這兩種離子都屬于堿土金屬離子，也都是人體必需元素中的宏量礦物元素，但在正常生理狀態(tài)下，它們?cè)诩?xì)胞膜內(nèi)外的濃度梯度卻有很大差異，細(xì)胞膜內(nèi)外鈣離子濃度相差高達(dá)一萬(wàn)倍左右；而細(xì)胞膜內(nèi)外鎂離子濃度的差別不大。在教學(xué)中，可引導(dǎo)學(xué)生從化學(xué)角度思考在生物演化過(guò)程中為何存在這種選擇性。從演化規(guī)律來(lái)看，若一種元素被選擇，它就應(yīng)具有完成某種功能的能力。對(duì)于鈣離子來(lái)說(shuō)，它在體內(nèi)充當(dāng)?shù)诙攀?，故其在?xì)胞內(nèi)的濃度需要受第一信使的調(diào)節(jié)，可以瞬間升高且能快速降低。這個(gè)過(guò)程涉及到離子的水取代反應(yīng)速率，這類(lèi)反應(yīng)的速率控制步驟是水分子的離去。由于鈣離子的半徑較鎂離子大，而電荷相同，所以它保持水分子的能力就比鎂離子弱，因此表現(xiàn)出較快的反應(yīng)速率，從而可滿(mǎn)足它作為第二信使的基本要求。這也是在細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度較小的原因，可有利于它在細(xì)胞處于激活狀態(tài)時(shí)瞬時(shí)升高。另外，由于鈣離子較鎂離子更易形成磷酸鹽或碳酸鹽沉淀，故在細(xì)胞內(nèi)保持較低濃度的鈣離子可避免沉淀的形成。這樣就可以從進(jìn)化的選擇性入手提出問(wèn)題，利用已知的金屬離子的結(jié)構(gòu)參數(shù)以及熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)，引導(dǎo)學(xué)生從化學(xué)的角度分析和比較兩種相似金屬離子的差異性與其生物效應(yīng)的關(guān)系。

又如, 盡管鋰和鎂不屬于同一族元素，但根據(jù)對(duì)角線規(guī)則，它們的化學(xué)性質(zhì)類(lèi)似，基于Li+和Mg2+的相似性，盡管鋰元素并不是人體的必需元素，但根據(jù)類(lèi)比推理，這種化學(xué)性質(zhì)的相似可能導(dǎo)致它干預(yù)與其類(lèi)似的離子Mg2+所參與的生物學(xué)過(guò)程，這也被認(rèn)為是作為治療雙向性精神病的藥物碳酸鋰的主要作用機(jī)制[3]。

表3　鎂離子和鈣離子的比較

因此，盡管所講解的內(nèi)容是具體的、零碎的，但可以在教學(xué)過(guò)程中總結(jié)歸納其共同點(diǎn)及問(wèn)題的本質(zhì)，讓學(xué)生領(lǐng)悟到這些元素化學(xué)性質(zhì)中個(gè)性中的共性以及相似性中的相異性。這樣在將來(lái)遇到類(lèi)似的問(wèn)題時(shí)，就可以通過(guò)類(lèi)比或演繹推理，解決或探索未知的問(wèn)題。

第四，注重學(xué)生在課外的自我訓(xùn)練和自學(xué)能力的培養(yǎng)?；ヂ?lián)網(wǎng)的發(fā)展與普及使得教師與學(xué)生在資源與信息的占有方面并無(wú)顯著不同；不同的是教師與學(xué)生在信息的提取與整合能力方面的區(qū)別。這意味著在教學(xué)內(nèi)容上不能僅局限于教材內(nèi)容，要對(duì)學(xué)生的知識(shí)內(nèi)容進(jìn)行有指導(dǎo)性的拓展。在課外可以布置學(xué)生看一些相關(guān)的公開(kāi)課教學(xué)視頻，如可汗學(xué)院(Khan Academy)的化學(xué)(chemistry)[4]、麻省理工學(xué)院(Massachusetts Institute of Technology)的化學(xué)原理(principles of chemical science)[5]以及杜克大學(xué)(Duke University)的化學(xué)核心概念(core concepts in chemistry)[6]等。一些實(shí)驗(yàn)演示也可通過(guò)一些網(wǎng)上的電子資源進(jìn)行補(bǔ)充學(xué)習(xí)。

前哈佛文理學(xué)院院長(zhǎng)Rosovsky當(dāng)年在哈佛推行的“核心課程計(jì)劃”(core curriculum project)曾被視為高等教學(xué)領(lǐng)域的一場(chǎng)革命，他本人在1990年出版的被稱(chēng)為大學(xué)手冊(cè)(《The University: An Owner's Manual》)的書(shū)中[7]，也詳細(xì)闡述了自己的教育理念。其中，他談到通識(shí)教育的五個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，在最后一條中，提到一個(gè)有學(xué)養(yǎng)的人應(yīng)對(duì)于主修科目(major subjects)擁有較深入的理解，他說(shuō)，“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”，也就是說(shuō)，學(xué)生在對(duì)每個(gè)主修科目的學(xué)習(xí)中，都需掌握充分的數(shù)據(jù)、理論和方法，從而明確某一特定問(wèn)題的關(guān)鍵點(diǎn)，并對(duì)每個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的不同側(cè)面進(jìn)一步形成合理的依據(jù)和論點(diǎn)，最后基于對(duì)證據(jù)進(jìn)行令人信服的評(píng)估，得出結(jié)論。這種體現(xiàn)在每個(gè)具體專(zhuān)業(yè)科目中的訓(xùn)練旨在培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行切題和具有說(shuō)服力交流的能力，也是培養(yǎng)學(xué)生批判性思考能力的過(guò)程。因此，在無(wú)機(jī)化學(xué)的教學(xué)過(guò)程中，除了對(duì)于學(xué)生基本知識(shí)點(diǎn)的要求外，還需要注重學(xué)生應(yīng)用基本知識(shí)解決問(wèn)題能力的評(píng)價(jià)，這種評(píng)價(jià)可以體現(xiàn)在學(xué)生對(duì)相關(guān)領(lǐng)域最新進(jìn)展的了解以及相關(guān)科學(xué)論文的閱讀上，體現(xiàn)在對(duì)某些知識(shí)點(diǎn)的進(jìn)一步理解和應(yīng)用上。例如，對(duì)于化學(xué)鍵的認(rèn)識(shí)，在所有教材中都是源于理論計(jì)算。但最近幾年，隨著技術(shù)的發(fā)展，人們已經(jīng)能通過(guò)原子力顯微鏡看到共價(jià)鍵的結(jié)構(gòu)[8]，可利用直線加速器相干光源的X射線脈沖觀察到化學(xué)反應(yīng)中形成化學(xué)鍵的過(guò)渡狀態(tài)[9]。通過(guò)介紹這些內(nèi)容，讓學(xué)生結(jié)合教材做一些延伸閱讀，一方面可擴(kuò)大學(xué)生的知識(shí)面，另一方面也可培養(yǎng)學(xué)生獲取、處理信息以及思考問(wèn)題、分析問(wèn)題的能力。

總之，在藥學(xué)院的無(wú)機(jī)化學(xué)教學(xué)過(guò)程中，要結(jié)合學(xué)科特點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生的思維能力，一方面要注重基本理論知識(shí)的系統(tǒng)講授，一方面也要注重在教學(xué)中體現(xiàn)所學(xué)的這些知識(shí)與生命科學(xué)等其他學(xué)科以及后續(xù)學(xué)習(xí)內(nèi)容的相關(guān)性，讓學(xué)生在與實(shí)際問(wèn)題相關(guān)的背景中應(yīng)用這些理論知識(shí)或概念，在應(yīng)用的實(shí)例中體會(huì)到所學(xué)知識(shí)的重要性和實(shí)用價(jià)值，加強(qiáng)與促進(jìn)學(xué)生獲取知識(shí)的獨(dú)立性與主動(dòng)性。但無(wú)論如何，思維能力的培養(yǎng)是需要通過(guò)學(xué)生來(lái)實(shí)現(xiàn)的，作為受教學(xué)習(xí)的一方，學(xué)生本身在培養(yǎng)過(guò)程中起著決定性作用；學(xué)生自己要讀書(shū)，要思考，要有意識(shí)地將這些思維方法貫穿在所有的學(xué)習(xí)過(guò)程中。

參 考 文 獻(xiàn)

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

[2]托馬斯·哈格. 20世紀(jì)的科學(xué)怪杰鮑林. 周仲良, 郭宇峰, 郭鏡明, 譯. 上海: 復(fù)旦大學(xué)出版社, 1999.

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

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

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

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

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

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

[9]?str?m, H.; ?berg, 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.; F?hlisch, A.; Wolf, M.; Wurth, W.; Persson, M.; N?rskov, J. K.; Abild-Pedersen, F.; Ogasawara, H.; Pettersson, L. G. M.; Nilsson, A. Science 2015, 347 (6225), 978.

? 教學(xué)研究與改革?

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

YANG Xiao-Gai*LIU Hui-XueHUANG Jian
(School of Pharmaceutical Sciences, Peking University, Beijing 100191, P. R. China)

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.

Key Words:Pharmaceutical sciences; Inorganic chemistry; Scientific thinking ability; Liberal education

*通訊作者，Email: yxg@bjmu.edu.cn

doi:10.3866/pku.DXHX20160118www.dxhx.pku.edu.cn

中圖分類(lèi)號(hào)：O61；G64