熱力學在生命科學中的應用范文

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關鍵詞：化學平衡 偏摩爾反應量變 反應方向

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：C DOI：10.3969/j.issn.1672-8181.2013.21.151

現行的物理化學教材[1-2]中，筆者感覺主要存在下面三個問題，使得同學們對化學反應體系的一些基本概念和相關問題的認識不夠深入和全面：第一，在內容安排上，大多數教材是在講解過第一定律之后引入熱化學部分，通過摩爾反應焓的討論來論述化學反應體系的熱效應；第二，在深度上，一般對熱化學部分主要講解了摩爾焓變，以及摩爾焓變與幾種熱效應，如摩爾生成焓、摩爾離子生成焓和摩爾燃燒焓等的關系，內容相對簡單；第三，教材中討論的化學反應體系一般僅僅存在一個反應，但現實生活中和工業應用上發生的反應通常有副反應的發生或者幾個反應共同存在的，這就會使同學們感覺熱力學在解決化學反應體系有點力不從心或有著很大的局限性。

實質上，化學反應體系是一個多相、多組分體系，并且不論是焓還是Gibbs自由能，它們都是體系的狀態函數，并且是體系的一個廣度量，這樣可以仿照引入偏摩爾量的概念研究多相多組分體系的方法，而引入偏摩爾熱力學反應量變的概念來系統處理化學反應體系。這樣可將化學反應體系的教學內容分為三大部分。

1 化學反應體系的狀態描述及化學反應的偏摩爾熱力學反應量變

本部分主要是在引入反應進度 代替物質的量作為化學反應體系的狀態變量后，定義化學反應體系所有廣度性質統一的偏摩爾反應熱力學量變。并揭示Hess定律的實質為總反應與各個分反應的偏摩爾熱力學反應量變之間的關系。

1.1 化學反應體系的能量轉化和守恒問題

也即化學反應體系的熱效應――偏摩爾內能變和偏摩爾焓變以及兩者與溫度和壓力的關系。

1.2 化學反應的方向和限度問題以及外界因素對平衡移動的影響

即在一定條件下，一個化學反應能否進行，如能進行，到什么程度為止；改變條件能否改變反應的方向和提高產率等等。

2 化學反應的偏摩爾熱力學反應量變的定義

一般而言，含有R個獨立化學反應的pVT系統，當始態各物質的量給定后，而且體系達熱平衡和力學平衡但不達到化學平衡，該體系的狀態可由T、p、 1、 2，…， R描述。

設pVT單相封閉系統（或各相溫度及壓力彼此相等的多相封閉系統）中發生R個化學反應，體系的狀態可用T、p、 1、 2，…， R描述。體系的廣度量L即為T、p、 1、 2，…， R的函數，即

L=L（T，P， 1， 2，…， R）

它的全微分為：

現在引入一個新概念，將稱為化學反應ρ在狀態T、p、 1、 2，…， R的偏摩爾（熱力學）反應量（變），用符號Lρ表示，即

這就是化學反應的偏摩爾（熱力學）反應量（變）Lρ與參與反應ρ的各物質的偏摩爾量LB，m之間的普遍關系式。

簡單的幾點說明：

第一，的物理意義是：在等溫、等壓及有R個獨立化學反應的封閉體系中，在保持反應ρ以外的其他反應的反應進度不變的有限系統中，反應ρ的反應進度改變d ρ所引起整個反應體系某廣度性質L的變化值dL與d ρ的比值。

第二，對于只有一個反應的反應體系來說，此反應的偏摩爾反應量變即是它的摩爾反應量變?？捎涀?/p>

。

如對Gibbs自由能有

3 在判斷化學反應方向中的簡單應用

如果同時有R個獨立的化學反應，體系中物質B的量的總改變為：

式中νB，ρ是第ρ個反應方程式中物質B的化學計量系數，而 ρ代表第ρ個反應的反應進度。

帶入得：

第（1）個等號是因為對B物質來說，各個反應中B的化學勢 B一樣，所以 B可以移到里面，因此的意思是，先對某單個物質B在每個反應ρ中的變化所引起的dG相加，再對各個物質加和；

如果再定義一個新的熱力學函數Ap，稱為化學反應ρ的親和勢，即

Ap是化學反應體系的狀態函數，是強度量，這樣含有R個化學反應的體系的Gibbs自由能熱力學基本方程可以寫為：

與只有一個反應不同的是，允許R個反應中有的AP（T，p， 1，…， R）>0，而Ap（T，p， 1，…， R）

耦合反應即是以此為理論依據。化學反應的耦合可使不能實現的反應得以實現。當系統中一個反應的產物又是另一個反應的反應物之一時，它們可相互影響著平衡，使得某個極易進行的反應帶動某個難以進行的反應，常稱此同時反應為反應的耦合或耦合反應，而兩個反應共同涉及的物質稱為耦合物質。這類反應不僅在工業生產中常用來開發新的合成方法，而且在生命科學中也尤為重要。

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黑龍江省省級精品課、生命科學重要的專業基礎課———生物化學課堂教學中從更新教育觀念實現培養目標入手，結合專業特點，嘗試使用多種教學方法，倡導以學生為主體、教師為主導的教學模式，通過多種教學方法的有機結合，探索出在生物化學課堂教學中體現素質教育和培養創新能力的對策和新途徑。

［關鍵詞］

生物化學；精品課；教學方法；創新能力

由于生物化學理論和技術的滲透，生命科學各領域正在發生深刻的變化。無論是理論生化，生物大分子的結構與功能———生物膜——酶———物質代謝———能量轉換———生化反應機制；還是應用領域，生物活性物的提取純化———測定化學結構———分析毒性藥效———動物試驗———臨床試驗等，無一不既是生物學的問題又是化學的問題。青蒿素是中國科學家歷經40余年從菊科植物黃花蒿葉中提取分離到的一種具有過氧橋的倍半萜內酯類化合物，通過大量反應，證明了過氧是青蒿素抗瘧的活性基團，青蒿素及其衍生物雙氫青蒿素具有對抗腫瘤的功能。這一偉大發現，是生物化學領域取得的重大成就。面對生命科學取得重大突破和迅猛發展的新機遇和新挑戰，如何結合社會需求培養更具核心競爭力的人才，是生物化學教學面臨的戰略性課題。生物化學以其信息量大、理論抽象、名詞繁多、各種代謝途徑繁雜并交織成網絡，而成為生物學科中最難教、最難懂的學科之一。齊齊哈爾大學作為黑龍江省十所創建高水平大學之一，以黑龍江省省級精品課“生物化學”為切入點，圍繞在生物化學教學中，如何以學生掌握固有知識為起點，引導學生緊跟學科發展動態和前沿，利用所學知識去發現和解決實際問題。作為省精品課負責人，以教育部出臺的《國家教育事業發展十二五規劃》中高等教育要加強學生創新意識和能力的培養，以激發興趣、獨立思考、自由探索、學思結合為總體目標，將近年來生物化學教學過程中的體會與同行交流。

一重塑教學理念明確培養目標

教學改革以更新教育理念，轉變教學觀念為指導思想，根據人才需求，在分析學科發展的現狀與趨勢的基礎上，重新修訂了教學大綱，更新了教學內容。不斷探討新的教學方法、引入新的教學手段，努力培養具有生化基礎理論、基本知識和基本技能，具有科學素養、國際化視野和科學思維能力，通過專業理論和專業技能訓練，能運用所掌握的理論知識和技能在生物學及相關領域從事科學研究、技術開發、教學及管理等方面工作，并具備繼續深造的理論知識及實踐技能貯備的創新型人才。

二優化課程體系是創新人才培養的必備前提

傳統的生物化學教學主要存在以下幾個方面的問題：重理論，輕實踐；重基礎，輕應用；重獨立性，輕相關性。在知識老化周期大為縮短的今天，我們在教學中緊抓關鍵、精講精髓、避免重復，如將有機化學涉及的糖、酯的結構與化學反應略去；植物生理中涉及的光合作用、物理化學涵蓋的熱力學定律及人體和動物生理學相關的激素部分簡要提及；突出重點、步步深入，如酶催化機制、酶作用動力學、酶活性調控分子機制；這樣既保持了生物化學課程的完整性、系統性，又解決了科際間的交叉重疊。同時圍繞兩大生命物質———蛋白質和核酸，時刻緊跟生命科學的前沿和研究熱點，增加DNA的生物合成與調節、DNA的損傷及修復、原核和真核基因轉錄后加工及其調節等內容。既講授經典理論又介紹最新進展，并注重結合科研、生產和生活實例。如學習核酸的性質時，結合實例介紹植物、動物、微生物材料中DNA的提取和制備方法，使學生既認識到基本理論的重要性，體會到生命科學是實驗科學，所學的知識在生產實踐中的廣闊應用；同時也培養了學生的興趣，增強了學習的主動性。在教材的選擇上隨學科的發展不斷更新。授課時，既展現生物化學的最新發展動態，了解學科的發展前沿，又注重學科間的交叉。如青蒿素、DNA重組及克隆技術對臨床醫學的貢獻等令人振奮的生命科學發展前景，無疑激發了學生強烈的時代感和濃厚的求知欲，進而轉化為持久而強有力的學習動力。通過對教學內容的改進，將《生物化學》更新為一門內容新、深度廣的專業基礎課，成為后續專業課的基礎和橋梁。

三改革教學方法是創新人才培養的重要手段

在科學合理地安排教學內容的基礎上，堅持重點性原則，突出重點、化解難點，做到有主有從。采用課堂講授與課外自學相結合，次要內容讓學生在自學中去消化，給學生留下余地和空間，留給學生一定量的問號，而不全部是句號。這樣既能培養學生的自主學習、勤于思考，敢于提出問題的良好習慣，又能使學生加深理解、拓寬視野，提出不同的思路和新的見解。在靜態生化中，建立以生物大分子結構為基礎，功能為重點，結構是發揮生物活性的保證，結構與功能之間密不可分作為貫穿始終的思維脈絡。對生物大分子如何在三度空間借助于特定的化學鍵和作用力折疊、盤轉、卷曲而形成特定和有限的空間結構，利用動畫和三維演示，培養學生的空間想象力，通過創造必要的直觀環境，給學生創造形象儲備的條件。酶是蛋白質，酶蛋白具有催化活性，非酶蛋白不具催化功能，原因何在？臨床的第四高———高尿酸血癥的成因是什么？提出問題，促使學生思考并進行創造性的思維活動，從而調動和提高學生的探知欲，加深對酶結構、功能和催化機理的掌握，引出糖、脂及嘌呤等代謝路徑及調節部位和調控機理，變結論式教學為過程式教學。在動態生化中，以糖類、脂類、蛋白質和核酸代謝為主線，來學習研究反應過程和代謝變化規律，通過糖尿病、苯丙酮尿癥、鐮刀型貧血病的發病機理和生化機制，理解正常代謝與機體健康和生命現象的聯系。

四以科研促教學是創新意識培養的有效措施

教師在授課時把自己的研究課題與生化課堂教學緊密結合，不僅使學生深刻理解并掌握了本專業的前沿理論和技術，也強化了他們的創新意識和創新能力，增強就業競爭力。在擴大理論教學信息量，及時和充分展示學科發展新動態、新成就的基礎上，為學生開設創新性和開放性實驗，開闊學生的視野。與制藥廠、食品廠、研究所等建立聯系，校企結合、產學研一條龍，引導學生參與科研和生產實踐，培養學生的科研能力，使生物化學專業成為生命科學各專業創新人才培養的科研基地。對于生活中的某些病理變化及引領學科發展的新理論、新技術、新手段，以案例教學的方法，結合教學目標進行學習分析和討論。腫瘤細胞和病毒的核酸合成十分旺盛，生化指標都發生了哪些改變，為什么核苷酸的抗代謝物可作為抗腫瘤、抗病毒的藥物應用于臨床？將學生引入特定情境中，激發和培養學生創新性思維能力、多維性解決問題能力。為將來從事科學研究培養良好的科學思維習慣和科研素養。同時結合課程內容和學生興趣，進行學科（專業）競賽訓練，為學生搭建促進專業能力拓展和綜合能力提高的平臺，這不僅可使教師改變教學方法，也使學生轉變學習方式，增強學習興趣，提高組織協調能力、溝通能力、資料信息綜合與分析判斷能力、表達與辯論能力、專業知識的靈活運用能力。

五新型師生關系是創新人才培養的良好氛圍

生化教師作為學生本學科知識的啟蒙者，學生對任課教師的認可度某種程度上決定了對本門課程的興趣。這就要求任課教師不僅專業知識的掌握要達到爐火純青，而且要不斷提升自己的講課藝術，把專業知識演繹得生動有趣。在師與生之間，教師不只作為知識的占有者和給予者，而是通過互動式教學，啟發引導學生創造性思維，使學生成為熱情的學習者和積極的創新者。通過創造積極的師生關系，知識的傳授方式采用逐步引導、強化理解、增強學生思維的條理性。如我們學習糖代謝時，以老師作為一個特定的碳原子，用標記的方法追蹤在第一輪代謝產物中的去向。隨著一步步酶促反應的進行，中間產物的生成和轉化，學生的思維完全處于“老師去哪了這一問題情景中”。在這種人文環境中，他們會調動所有相關知識，積極思考，經過探索最終得出正確結論。這種良好的氛圍，激發了學生的學習欲望和高效的心理活動，引發學生自主乃至自發的學習活動，進行多方面的思維，體現為其智力活動多樣化、豐富化，從而激發學生的創新意識和創新能力。對于學生不能及時掌握新的內容，教師不是一味批評，而是通過引導回憶，使學生放松心情，學生在學習中體驗到的信任、理解、關愛、激勵和鞭策，有助于學生在與教師相互尊重、信任、合作的良好育人環境中進行學習、發展自己。為適應人才培養的需求，教育教學改革是永不衰老的課題。通過改革既促進了教師知識、能力水平的提升，將生化信息多角度、更豐富的表現形式、多層次呈現給學生；也充分調動了學生的學習興趣和自主學習意識、勇于創新精神、善于開拓能力及責任感和使命感，為后續的學習和發展打下了堅實的基礎。

作者：吳旭紅 馮晶旻 單位：齊齊哈爾大學生命科學與農林學院 齊齊哈爾市衛生監督所

參考文獻

[1]王鏡巖,朱圣庚,徐長法.生物化學[M].北京：高等教育出版社,2002(8):470.

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關鍵詞：無機化學實驗；教學改革；教材建設；教學方法

化學是研究“應天地之萬變，集物質之精華”的科學，藥學是揭示藥物與人體或藥物與病原生物體間相互作用規律的科學。用于維護人類生命和健康的西藥和中藥都是化學物質，所以，藥物對抗疾病的過程本質上就是化學反應的過程。因此，化學不僅是蓬勃發展不斷變革的科學，更是我國高等藥學教育的重要基礎課程。無機化學和無機化學實驗分別是藥學院校新生升入大學之后的第一門化學理論和化學實驗課程。沈陽藥科大學的無機化學實驗是面向全校本科新生開設的課程，其授課對象覆蓋6個學院(藥學院、制藥工程學院、中藥學院、生命科學與生物制藥學院、工商管理學院以及醫療器械學院)，授課人數達1900人，授課時長48學時。作為首門化學實驗課程，無機化學實驗的教學質量對后續化學基礎、藥學專業以及相應實驗課程的學習效果將產生深遠的影響。因此，如何提升該課程的教學水平，以培養學生規范的實驗技能和良好實驗習慣、提高分析與解決問題的能力、激發主觀的求知熱情以及增強學生自主創新意識，是本課程在教學改革中亟待解決的問題[1,2]。近年來，筆者所在的無機化學教研室聯合化學實驗中心，從實驗教材建設、教學手段和教學方法等方面進行探索和實踐，已經取得一定成效。

1教材建設

教材作為知識承載的工具，是教師進行教學的依據，是學生進行學習的參考。教材對于保證教學質量是至關重要的，好的教材能使師生如虎添翼，差的教材會令師生思維受限，甚至誤導。所以，我校在無機化學實驗改革中首先從教材建設入手。為突出無機化學實驗的藥學專業特色，在新版教材內容的選擇上，我們注意與國內藥學發展現狀相結合，吸納可以展現無機化學在藥學領域中實際應用的素材作為實驗內容。為此，在保留原有“藥用氯化鈉的制備及雜質限度檢查”實驗的基礎上，新版教材中增加了經典的無機藥物合成實驗——藥用氫氧化鋁的制備、鑒別、制酸力檢查及含量測定，以及藥用堿式碳酸鉍的制備、鑒別、制酸力檢查及含量測定，這些無機藥物合成實驗不僅可以激發學生對藥學專業的濃厚興趣，還為后續藥物合成以及藥物分析課程學習奠定了良好基礎，從而巧妙地完成了借助于基礎化學實驗課程將新生領進藥學專業之門的目標。在全球一體化的大趨勢下，為逐步實現與發達國家的高校教材同步接軌，以適應21世紀我國教育、科技和社會發展的需要，我們在新版教材中采用了雙語編寫體系。雙語實驗教材不僅可以幫助外國留學生快速地掌握課程內容，還可以促進國內學生在本科階段積累化學實驗專業英語，為將來去國外深造以及進行國際學術交流打下重要基礎。近年來，無機納米材料發展十分活躍，推動許多領域取得突破性進展，特別是在生物、醫藥、催化、傳感、吸附和分離等領域，新技術材料展現出多種多樣的應用潛能。為能及時了解無機化學領域近年來的科研成果，在新版教材中，我們增加了無機納米材料的合成實驗——二氧化鈦納米粒子的制備及其催化活性測定、納米四氧化三鐵的化學沉淀法制備及表征，增設這種前沿性實驗旨在引導學生綜合運用已學過的知識分析和解決復雜問題，通過了解納米材料的特殊性質和實際應用拓寬學生的知識視野、培養學生的科研思維與創新意識、激發學生的學習動力和熱情。無機化學實驗不但可以強化學生基本化學實驗的技能和技巧、培養科學思維，還可以促進無機化學的理論教學，幫助學生加深理解并掌握基本原理和元素化學性質。為實現這一目的，在新版教材中，我們對原教材中的化學原理實驗和元素化學實驗兩部分內容進行了重新選擇和優化，使實驗內容覆蓋了無機化學理論教學的各主要方面，包括化學熱力學、化學動力學、四大化學平衡、原子結構和分子結構理論以及元素化學，實現理論教學和實驗教學有機結合，相得益彰。

2教學手段

以前我校無機化學實驗的授課一直采取主講教師黑板板書講解實驗原理聯合現場演示來強調基本操作技能、技巧以及注意事項的方式。這種授課方式，存在一些弊端，比如，不同班級由于主講教師不同，導致對學生基本實驗操作規范的要求不統一；對于化學實驗基礎參差不齊的新生來講，沒有特別措施的講課方式無法滿足所有學生的聽課需求；處于不利聽課位置的學生無法看清教師實驗演示細節；黑板板書的教學手段形式單一、信息有限、教學效率低下等。在信息技術迅猛發展的今天，現代化教學手段——多媒體課件成為可顛覆傳統課堂教學，使其內容更豐富、教學更高效、可重復學習、備受青睞的新形式。為此，在無機化學實驗改革中，經過教研室全體教師集體備課研究后，統一制作出所有備選實驗的ppt課件，并將課程中涉及的標準基本實驗操作制作成24個規范的基本操作視頻。課堂上，教師采用講解實驗ppt課件聯合播放基本操作視頻的方式為新的教學手段(如圖1所示)。為提升教學效果，主講教師課前半小時開始循環播放基本操作視頻，對于普通學生，這可作為課前操作預習，而對實驗基礎薄弱的學生來講，這是一個彌補基礎知識的有效方式，另外，它還可在學生實驗過程中提供研究操作細節之用。采用這種手段授課，解決了不同主講教師對學生操作要求無法一致、學生的實驗基礎不齊、無法保證全部學生掌握實驗操作的細節以及黑板板書的教學手段單調、信息受限等系列問題。我們總結制作的24個標準基本操作視頻包括：玻璃儀器洗滌、超聲波洗滌、加熱方法、加熱套使用、恒溫干燥箱使用、冷卻方法、試劑取用、托盤天平構造與使用、電子天平使用、純化水取用、滴定管使用、pH計使用、pH試紙使用、比色管使用、恒溫磁力攪拌器使用、點滴板使用、離心機使用、電動勢測定、常壓過濾、減壓抽濾、甘汞電極-鋅電極原電池組裝、硝酸鉀溶解度測定、藥用氯化鈉制備及硫酸亞鐵銨的制備。這種以標準基本操作視頻取代以往教師操作演示的教學模式，可以保證全班學生高效輕松地掌握全部操作要點，降低了學習難度，提高了教學效率。例如，基本操作“減壓抽濾”，在視頻中，我們按照實驗流程錄制了濾紙的剪裁、抽濾瓶的安裝、布氏漏斗斜口的方向、濾液的轉移、晶體的轉移、先拔橡皮管后關泵、以及濾餅的轉移等所有操作要領。再如，“藥用氯化鈉的制備”實驗，目的是練習和鞏固稱重、調節pH、減壓抽濾、常壓過濾、蒸發、濃縮等基本操作，而對于新生而言，這是第一次接觸到步驟繁瑣的綜合實驗，難免手忙腳亂或對部分步驟的注意要點記憶模糊；標準基本操作視頻播放的教學模式，不但能使學生更系統地了解實驗流程，還能使學生對實驗的每一步都有更具體明晰的掌握。

3教學方法

傳統的教學方法以教師為主體，以傳授知識為導向(Lecture-BasedLearning，LBL)，在該法中學生處于被動地位，所以導致學生學習興趣不高，參與性不強。當今國際上推崇的是以學生為主體，以問題為導向(Problem-BasedLearning，PBL)的教學方法[3,4]。PBL方法以注重學生能力培養的方式取代以教師知識傳授為主的方式，強調學生在解決教師提出問題的過程中獲取對事物的認識，以現實問題作為驅動力來培養學生自主獲取和應用新知識的能力，從而幫助學生發展自主學習能力、創新能力和與人合作的能力[5,6]。在無機化學實驗教學改革實踐中，我們將PBL方法引入本課程的綜合設計性實驗教學中。比如，硫酸亞鐵銨的制備實驗，幾乎涉及到全部的基本實驗操作，學生如果能夠自行設計并完成的話，既可以對本課程的主要實驗技能和技巧進行復習和運用，又可以充分提升學生自主分析和解決問題的能力。為此，提前兩周，教師將相關的實驗問題布置給學生(比如，反應物溶液的液性是怎樣的？反應溫度是多少？采用怎樣的固液分離方式？怎樣檢驗產品質量等級？如何進行產品檢驗操作？)，讓學生自行設計解決方案并完成實驗。為探尋“反應溫度是多少？”、“怎樣檢驗產品質量等級?”等問題，學生需要查閱大量文獻，無形中培養了主動查閱文獻、梳理文獻和思考問題的能力。為探尋“采用怎樣的固液分離方式？”、“如何進行產品檢驗操作？”等問題，學生需要對常壓過濾、減壓抽濾、比色管使用等基本操作進行復習，使學生積極主動地參與到學習活動中。為獲得精確的實驗結果，學生能夠充分運用所學理論知識和實驗技能，使知識得以綜合運用、融會貫通。

4結語

從無機化學實驗教學改革以來，無機教研室和化學實驗中心全體同仁圍繞著教材建設、教學手段及教學方法等方面，做出了大量工作和努力，并取得一定成效。今后，我們還將對該課程的教學改革在如下方面進行更深入的研究和實踐：及時將最新科研成果引入實驗教材中、不斷探索符合教學規律的教學新思路、多渠道爭取實驗室建設經費以改善本科實驗條件、加強教師自身素質的完善和提高，為國家培養出當今社會發展需要的、具有競爭實力和創新能力的高端藥學人才。

參考文獻

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