生命科学跨学科教学方法探索范文

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课程设计

药物化学需重点设计以确立前期所涉及的概念，使学生对相关应用产生兴趣，知道科学的跨学科性，完成对药物如何工作的基本理解。生物模型被用来体现一般的化学概念，且分为三个教学单元加以进行：1)了解药物作用分子基础的普通化学核心知识为基本主题。2)用于强调普通化学基本原理如何控制药物作用机理的炎症医疗方法。3)以神经科学连接化学、生物学和心理学，包括各种药物如何扰乱激素受体相互作用等神经递质作用的分子基础。上述主题的相互依存性需要以一种简化的螺旋式方法在整个学期反复重新审视相同的原理，以便学生将掌握的有限材料了解得更为详细。相应地，这种主题模块使学生明白想了解生化药物的作用需要掌握那些基本概念，而后续教学单元便强化这些概念。这一创新型课程设计还为学生有效学习后续课程(物理、有机化学等)带来批判性思维技能和有效的学习习惯。通过将化学基础知识应用到医学相关模型中，强调解决问题的学习。学生需完成两或三次课堂测验和期末考试，通过简短的回答问题，强调解决问题、批判性思维和综合应用。

基本原理

本课程的前三分之一致力于学生需要知道如何理解药物作用的基本理论，包括化学键、分子间的作用力、平衡和溶解度等。虽然普通化学基础内容在原则上与背景材料相关，但整合原理及强调应用的案例材料却大受限制。为此，学生们需要补充药物化学教材，而教师需要为课程撰写相应的问题集，以应用型方式综合各种概念，加强这些化学知识基本原理的运用。整个教学过程，以缩合反应为同学们介绍化学反应时极性的应用(例如肽的合成、信号转导途径的磷酸化等)。这一阶段的课程也可用来介绍下面课程中主要大分子的结构元素。重点放在磷脂，这是分子进入细胞必须穿透的主要障碍。学生在了解维持细胞结构完整性的分子间力和脂化学的同时，再次回到缩合反应。有关氨基酸化学和物理性质的教学可以有效地用于演示酸碱平衡最基本和最复杂的方面。结果让学生对各种氨基酸的结构有一程度的了解，知道侧链化学性质如何影响相关分子间力，使蛋白维持在一起。此外，核酸的结构也在这一阶段的课程中引入相似的介绍。

炎症药物法

炎症的医疗方法是体现基本化学问题如熵、自由能、化学动力学和溶解度的一种理想模式。炎症中环氧合酶(COX)的结构和功能关系可为学生提供一个有趣的酶动力学图解，以便学生体会到分子间力对熵、自由能、平衡和酶活性的影响。对COX同工酶COX-1和COX-2活性部位结构差异的仔细评估以及有选择性地抑制COX-2的药物设计方法进行讨论，阐明结构上的差异最终影响平衡和动力学常数。与采用的螺旋式教学方法一致，通过评估螺旋藻在环氧合酶的活性位点的聚积，以及与西乐葆、乙酰氨基酚和布洛芬对COX抑制作用的比较，让学生对可逆和不可逆的酶抑制作用加以区别和理解。在解释蛋白质作为细胞受体的重要性时，对参与炎症的各种细胞受体进行讨论，尤其是定性和定量地重点讨论药物与受体的作用。期间，学生们能够感受到描述药物与受体和底物与酶相互作用结合常数之间的相似性。重点放在如何对药效学作用定量和配体结合对蛋白结构的影响。通过分析配体与诸如莫昔芬和己烯雌酚等雌激素配体的相对亲和性，讲解关于配体和底物结构特性对受体作用解离常数的影响，包括剂量-反应曲线解离常数、EC50值和最大生物效应。尽管这些重要的概念在传统的普通化学课程没有涉及。

神经科学连接化学、生物学和心理学

本课程的神经科学知识相作为有效的顶点，特别强调先前涉及的化学概念并引入现代相关问题(神经递质、麻醉等)。绝大多数学生认为这是普通化学学习过程中感受最迷人和吸引人的部分。神经科学模块以胆碱能和肾上腺素能神经系统以及这些系统中的主要受体和激活或抑制特定反应的相关配体为起点。接着介绍针对这些系统来治疗呼吸系统和心血管病的治疗方法。其中，分析离子通道的热力学和能斯特方程以使学生了解和预测离子跨越浓度和电势梯度的运动。参与神经信号传递的蛋白分子协同作用可为理解蛇毒、肉毒杆菌毒素、神经气体和其他神经毒素等的毒性作用机制提供了丰富的背景知识。剩下的神经科学知识模块主要集中在精神活性物质。这一教学栏目的目的是让学生接触到精神疾病及其相关治疗的分子基础。探索突触化学可让给学生理解神经递质浓度如何由临床或其他外来物质调节。这部分课程内容跨越兴奋剂(可卡因、安非他明)、抑制剂(酒精、巴比妥、苯二氮卓类)(典型和非典型抗精神病药物)、抗抑郁药、迷幻剂、大麻、鸦片类药物、局部麻醉剂和全身麻醉药。鉴于历史上化学药物的滥用，本节所包含内容似乎特别能提高科学素养，尤其学生对精神活性分子的兴趣。

评价

整个学期，通过使用问题集、讲座测验、期中考试和期末考试对学生的学习进行评估。主要评估学生运用课堂上学到的概念来解决新的科学问题的能力。考试主要包括简短的回答问题，旨在体现课程的累积性，重点在基本概念的应用和数据的解释(如结合曲线、剂量-反应曲线等)，而非记忆。把每一个教学模块的分数按百分比汇总，并用平均考试成绩与在同一学期开设的普通化学传统教学效果进行比较。结果显示新的课程模式比传统的课程需要学生学习更多新的内容，其中涵盖了许多在高中化学学习中检测过的相同话题。在期末考试中特意设计了七个解释生物和化学基本原理的问题以考察学生知识。结果显示，70%以上的学生都能正确地回答包括酸碱平衡、化学动力学和神经元结构等相关的问题。如此修订的普通化学课程不仅提升了化学知识，同时更加强调了普通化学基本概念与原理作为分子生命科学的一种科学语言。本教学方法把医学和生物学相关模型用于普通化学基本概念和科学原理的教学，在美国的大学得以运用，并成功地提高了大学生的学习成绩。（本文作者：廖志勇单位：温州大学生命与环境科学学院）