在藥學院的無機化學教學中培養學生的科學思維能力

楊曉改*　劉會雪　黃 健(北京大學藥學院，北京 100191)

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在藥學院的無機化學教學中培養學生的科學思維能力

楊曉改*劉會雪黃 健
(北京大學藥學院，北京 100191)

摘要：通過一些具體實例說明如何在藥學院的無機化學課程教學中培養學生的科學思維能力，喚醒學生的求知欲，增強學生獲取知識的獨立性與主動性。

關鍵詞：藥學；無機化學；科學思維能力；通識教育

通識教育(liberal education)是高等教育中一個被倡導的重要理念, 曾任耶魯大學校長的Richard Levin在《大學的理念》(《The Idea of a University》)一書中指出，“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]，這句話的意思是說，通識教育的本質就是要培養出具有獨立思考、具有批判性思維的人，培養出具有終身學習能力且心智健全的人，這樣的人不會被偏見、迷信和教條所迷惑。通識教育的目標要通過多方面的配合才能實現，這包括課程的設置，也包括某個具體課程內容的講授。對于無機化學的教學來說，要想實現通識教育的目標，關鍵是要在教學過程中培養學生的科學思維能力，使學生能夠科學地分析問題、解決問題，增強學生獲取知識的獨立性與主動性。對于藥學院的無機化學教學而言，又有其特殊性。由于藥學是一門研究藥物、揭示藥物與人體或藥物與各種病原生物體相互作用與規律的科學，需要解決的核心問題是在認識疾病的基礎上發現和研究藥物，從而維護人類的生命和健康，因此，在藥學院的無機化學教學中需要注重化學與生命科學各學科相結合。

一般來說，大一無機化學的教學內容主要包括4部分：物質結構理論基礎、化學反應的基本原理(化學反應熱力學和動力學)、四大化學平衡(酸堿平衡、沉淀溶解平衡、氧化還原平衡、配位化學平衡)以及元素化學。盡管以往關于其教學內容、教學方式以及考核方式等方面已有不少論述，但鮮有專門針對藥學專業的無機化學教學與通識教育的相關性研究。本文欲通過一些具體實例探討在藥學院的無機化學教學過程中如何培養學生的科學思維能力，增強學生獲取知識的獨立性與主動性。

首先，注重在教學中貫穿科學史與科學方法論的教學。例如，物質結構理論是構成現代化學的基礎之一，也是了解物質化學性質以及活性的基礎。人們對于原子結構、分子結構、配合物結構理論的認識都是在不同的歷史階段逐步深入的。由于分子是由原子構成，而量子理論又可以幫助我們理解原子結構，所以對于這部分的教學，一方面可以介紹量子力學的發展史以及創立者的困惑，同時也可介紹量子化學研究中所采用的近似處理方法，讓學生感受到科學家是怎樣通過建立和修正一系列模型而逐步加深對原子結構以及分子結構的認識的。另一方面，在教學中也可以通過對近代原子結構模型建立過程的講授，讓學生體會到在模型的提出和建立過程中，除了科學家本人的洞察力、想象力以及抽象思維能力，最重要的是以可觀測到的實驗現象為依據。表1為3個具有里程碑意義的近代原子結構模型的建立所依據的主要實驗現象以及學說，從表1可看到，當已有的假說與新的實驗結果相矛盾時，就會促進一個新的假說的形成，從而推進認識的深化。通過對這段歷史的回顧，可以讓學生體會到如何解決一個公認的科學理論所遇到的問題以及假說在科學研究中的引導作用。

表1　近代原子結構模型的建立與修正

在教學過程中，還可推薦學生在課外有針對性地閱讀一些科學家傳記。如在講解分子結構的章節時，可建議學生閱讀鮑林(Linus Pauling)的傳記[2]，鮑林在1954年因在化學鍵方面取得的成就而獲得諾貝爾化學獎，學生通過閱讀他的傳記，不僅可加深對所學知識及概念的了解，也可了解到科學方法論的知識；同時還能系統地了解進行科學活動的過程以及科學家的心路歷程和豐富的個人經歷，讓學生體會到，在抽象概念的背后，還有一些栩栩如生的人。這種科學精神的灌輸，不僅能喚醒學生的求知欲，同時其思維能力也會得到培養和提高。

其次，在教學內容上，考慮到藥學院的培養目標，在教學過程中需注重將無機化學的基本理論與生命科學、環境科學、材料科學等學科領域的實際問題相結合，在相關的知識背景下進行學習，這樣一方面能讓學生意識到所學的知識與生命科學以及后續學習內容的相關性，另一方面也有助于提高學生學習的趣味性和培養學生獲取知識的獨立性與主動性。

以元素化學的教學為例，可嘗試與基于問題的學習法(problem-based-learning)相結合。舉例來說，在講授鐵的化學性質時，讓學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；有的可與氧分子發生配位，作為氧載體結合和釋放氧分子；有的與鐵自身的吸收、貯存和轉運有關。可以從鐵所參與的生物學過程出發，讓學生思考下面兩個問題：

(1)若鐵缺乏會引起缺鐵性貧血，針對補鐵藥物的質量控制需要考慮哪些因素？為何Fe(Ⅲ)制劑的穩定性問題主要是要解決其水解問題，而Fe(Ⅱ)制劑主要是要解決其氧化問題?

(2)為何血紅蛋白中鐵只有處于還原態Fe2+的形式才能與氧分子發生配位結合，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(如細胞色素c)中，Fe(Ⅲ)與Fe(Ⅱ)之間卻可以發生相互轉化？鐵元素的這些生物效應或功能與其原子結構有什么關系？

從這些問題可以引出鐵離子的生物效應與其在溶液中的3個化學性質(即水解、氧化還原和配位)的相關性(表2)，然后可進一步引導學生體會Fe3+和Fe2+化學性質的不同與其離子結構的關系，即不同價態鐵離子的化學性質與其電荷/半徑比和軟硬酸堿度的相關性。顯然，結構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性質為中心，可以讓學生理解結構、性質、活性之間的關系，學會如何思考問題。

表2　Fe2+或Fe3+的化學性質與其生物效應之間的相關性

第三，在教學方式上，可采取比較和歸納的方法，讓學生能夠有意識地總結物質的內在聯系及其規律性。例如，對于元素化學的講授，不僅要讓學生能夠利用元素周期律從一個元素認識一族元素的性質，還要能夠比較不同族元素之間的異同點，通過認識元素之間的相似性，認識和探究不同元素的性質和生物學活性的異同。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，但在正常生理狀態下，它們在細胞膜內外的濃度梯度卻有很大差異，細胞膜內外鈣離子濃度相差高達一萬倍左右；而細胞膜內外鎂離子濃度的差別不大。在教學中，可引導學生從化學角度思考在生物演化過程中為何存在這種選擇性。從演化規律來看，若一種元素被選擇，它就應具有完成某種功能的能力。對于鈣離子來說，它在體內充當第二信使，故其在細胞內的濃度需要受第一信使的調節，可以瞬間升高且能快速降低。這個過程涉及到離子的水取代反應速率，這類反應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，因此表現出較快的反應速率，從而可滿足它作為第二信使的基本要求。這也是在細胞內鈣離子濃度較小的原因，可有利于它在細胞處于激活狀態時瞬時升高。另外，由于鈣離子較鎂離子更易形成磷酸鹽或碳酸鹽沉淀，故在細胞內保持較低濃度的鈣離子可避免沉淀的形成。這樣就可以從進化的選擇性入手提出問題，利用已知的金屬離子的結構參數以及熱力學和動力學參數，引導學生從化學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的關系。

又如, 盡管鋰和鎂不屬于同一族元素，但根據對角線規則，它們的化學性質類似，基于Li+和Mg2+的相似性，盡管鋰元素并不是人體的必需元素，但根據類比推理，這種化學性質的相似可能導致它干預與其類似的離子Mg2+所參與的生物學過程，這也被認為是作為治療雙向性精神病的藥物碳酸鋰的主要作用機制[3]。

表3　鎂離子和鈣離子的比較

因此，盡管所講解的內容是具體的、零碎的，但可以在教學過程中總結歸納其共同點及問題的本質，讓學生領悟到這些元素化學性質中個性中的共性以及相似性中的相異性。這樣在將來遇到類似的問題時，就可以通過類比或演繹推理，解決或探索未知的問題。

第四，注重學生在課外的自我訓練和自學能力的培養。互聯網的發展與普及使得教師與學生在資源與信息的占有方面并無顯著不同；不同的是教師與學生在信息的提取與整合能力方面的區別。這意味著在教學內容上不能僅局限于教材內容，要對學生的知識內容進行有指導性的拓展。在課外可以布置學生看一些相關的公開課教學視頻，如可汗學院(Khan Academy)的化學(chemistry)[4]、麻省理工學院(Massachusetts Institute of Technology)的化學原理(principles of chemical science)[5]以及杜克大學(Duke University)的化學核心概念(core concepts in chemistry)[6]等。一些實驗演示也可通過一些網上的電子資源進行補充學習。

前哈佛文理學院院長Rosovsky當年在哈佛推行的“核心課程計劃”(core curriculum project)曾被視為高等教學領域的一場革命，他本人在1990年出版的被稱為大學手冊(《The University: An Owner's Manual》)的書中[7]，也詳細闡述了自己的教育理念。其中，他談到通識教育的五個標準，在最后一條中，提到一個有學養的人應對于主修科目(major subjects)擁有較深入的理解，他說，“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，學生在對每個主修科目的學習中，都需掌握充分的數據、理論和方法，從而明確某一特定問題的關鍵點，并對每個關鍵點的不同側面進一步形成合理的依據和論點，最后基于對證據進行令人信服的評估，得出結論。這種體現在每個具體專業科目中的訓練旨在培養學生進行切題和具有說服力交流的能力，也是培養學生批判性思考能力的過程。因此，在無機化學的教學過程中，除了對于學生基本知識點的要求外，還需要注重學生應用基本知識解決問題能力的評價，這種評價可以體現在學生對相關領域最新進展的了解以及相關科學論文的閱讀上，體現在對某些知識點的進一步理解和應用上。例如，對于化學鍵的認識，在所有教材中都是源于理論計算。但最近幾年，隨著技術的發展，人們已經能通過原子力顯微鏡看到共價鍵的結構[8]，可利用直線加速器相干光源的X射線脈沖觀察到化學反應中形成化學鍵的過渡狀態[9]。通過介紹這些內容，讓學生結合教材做一些延伸閱讀，一方面可擴大學生的知識面，另一方面也可培養學生獲取、處理信息以及思考問題、分析問題的能力。

總之，在藥學院的無機化學教學過程中，要結合學科特點，培養學生的思維能力，一方面要注重基本理論知識的系統講授，一方面也要注重在教學中體現所學的這些知識與生命科學等其他學科以及后續學習內容的相關性，讓學生在與實際問題相關的背景中應用這些理論知識或概念，在應用的實例中體會到所學知識的重要性和實用價值，加強與促進學生獲取知識的獨立性與主動性。但無論如何，思維能力的培養是需要通過學生來實現的，作為受教學習的一方，學生本身在培養過程中起著決定性作用；學生自己要讀書，要思考，要有意識地將這些思維方法貫穿在所有的學習過程中。

參 考 文 獻

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

[2]托馬斯·哈格. 20世紀的科學怪杰鮑林. 周仲良, 郭宇峰, 郭鏡明, 譯. 上海: 復旦大學出版社, 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

中圖分類號：O61；G64