热力学在生命科学中的应用范文

导语：如何才能写好一篇热力学在生命科学中的应用，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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关键词：化学平衡 偏摩尔反应量变 反应方向

中图分类号：G642.0 文献标识码：C DOI：10.3969/j.issn.1672-8181.2013.21.151

现行的物理化学教材[1-2]中，笔者感觉主要存在下面三个问题，使得同学们对化学反应体系的一些基本概念和相关问题的认识不够深入和全面：第一，在内容安排上，大多数教材是在讲解过第一定律之后引入热化学部分，通过摩尔反应焓的讨论来论述化学反应体系的热效应；第二，在深度上，一般对热化学部分主要讲解了摩尔焓变，以及摩尔焓变与几种热效应，如摩尔生成焓、摩尔离子生成焓和摩尔燃烧焓等的关系，内容相对简单；第三，教材中讨论的化学反应体系一般仅仅存在一个反应，但现实生活中和工业应用上发生的反应通常有副反应的发生或者几个反应共同存在的，这就会使同学们感觉热力学在解决化学反应体系有点力不从心或有着很大的局限性。

实质上，化学反应体系是一个多相、多组分体系，并且不论是焓还是Gibbs自由能，它们都是体系的状态函数，并且是体系的一个广度量，这样可以仿照引入偏摩尔量的概念研究多相多组分体系的方法，而引入偏摩尔热力学反应量变的概念来系统处理化学反应体系。这样可将化学反应体系的教学内容分为三大部分。

1 化学反应体系的状态描述及化学反应的偏摩尔热力学反应量变

本部分主要是在引入反应进度 代替物质的量作为化学反应体系的状态变量后，定义化学反应体系所有广度性质统一的偏摩尔反应热力学量变。并揭示Hess定律的实质为总反应与各个分反应的偏摩尔热力学反应量变之间的关系。

1.1 化学反应体系的能量转化和守恒问题

也即化学反应体系的热效应――偏摩尔内能变和偏摩尔焓变以及两者与温度和压力的关系。

1.2 化学反应的方向和限度问题以及外界因素对平衡移动的影响

即在一定条件下，一个化学反应能否进行，如能进行，到什么程度为止；改变条件能否改变反应的方向和提高产率等等。

2 化学反应的偏摩尔热力学反应量变的定义

一般而言，含有R个独立化学反应的pVT系统，当始态各物质的量给定后，而且体系达热平衡和力学平衡但不达到化学平衡，该体系的状态可由T、p、 1、 2，…， R描述。

设pVT单相封闭系统（或各相温度及压力彼此相等的多相封闭系统）中发生R个化学反应，体系的状态可用T、p、 1、 2，…， R描述。体系的广度量L即为T、p、 1、 2，…， R的函数，即

L=L（T，P， 1， 2，…， R）

它的全微分为：

现在引入一个新概念，将称为化学反应ρ在状态T、p、 1、 2，…， R的偏摩尔（热力学）反应量（变），用符号Lρ表示，即

这就是化学反应的偏摩尔（热力学）反应量（变）Lρ与参与反应ρ的各物质的偏摩尔量LB，m之间的普遍关系式。

简单的几点说明：

第一，的物理意义是：在等温、等压及有R个独立化学反应的封闭体系中，在保持反应ρ以外的其他反应的反应进度不变的有限系统中，反应ρ的反应进度改变d ρ所引起整个反应体系某广度性质L的变化值dL与d ρ的比值。

第二，对于只有一个反应的反应体系来说，此反应的偏摩尔反应量变即是它的摩尔反应量变。可记做

。

如对Gibbs自由能有

3 在判断化学反应方向中的简单应用

如果同时有R个独立的化学反应，体系中物质B的量的总改变为：

式中νB，ρ是第ρ个反应方程式中物质B的化学计量系数，而 ρ代表第ρ个反应的反应进度。

带入得：

第（1）个等号是因为对B物质来说，各个反应中B的化学势 B一样，所以 B可以移到里面，因此的意思是，先对某单个物质B在每个反应ρ中的变化所引起的dG相加，再对各个物质加和；

如果再定义一个新的热力学函数Ap，称为化学反应ρ的亲和势，即

Ap是化学反应体系的状态函数，是强度量，这样含有R个化学反应的体系的Gibbs自由能热力学基本方程可以写为：

与只有一个反应不同的是，允许R个反应中有的AP（T，p， 1，…， R）>0，而Ap（T，p， 1，…， R）

耦合反应即是以此为理论依据。化学反应的耦合可使不能实现的反应得以实现。当系统中一个反应的产物又是另一个反应的反应物之一时，它们可相互影响着平衡，使得某个极易进行的反应带动某个难以进行的反应，常称此同时反应为反应的耦合或耦合反应，而两个反应共同涉及的物质称为耦合物质。这类反应不仅在工业生产中常用来开发新的合成方法，而且在生命科学中也尤为重要。

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黑龙江省省级精品课、生命科学重要的专业基础课———生物化学课堂教学中从更新教育观念实现培养目标入手，结合专业特点，尝试使用多种教学方法，倡导以学生为主体、教师为主导的教学模式，通过多种教学方法的有机结合，探索出在生物化学课堂教学中体现素质教育和培养创新能力的对策和新途径。

［关键词］

生物化学；精品课；教学方法；创新能力

由于生物化学理论和技术的渗透，生命科学各领域正在发生深刻的变化。无论是理论生化，生物大分子的结构与功能———生物膜——酶———物质代谢———能量转换———生化反应机制；还是应用领域，生物活性物的提取纯化———测定化学结构———分析毒性药效———动物试验———临床试验等，无一不既是生物学的问题又是化学的问题。青蒿素是中国科学家历经40余年从菊科植物黄花蒿叶中提取分离到的一种具有过氧桥的倍半萜内酯类化合物，通过大量反应，证明了过氧是青蒿素抗疟的活性基团，青蒿素及其衍生物双氢青蒿素具有对抗肿瘤的功能。这一伟大发现，是生物化学领域取得的重大成就。面对生命科学取得重大突破和迅猛发展的新机遇和新挑战，如何结合社会需求培养更具核心竞争力的人才，是生物化学教学面临的战略性课题。生物化学以其信息量大、理论抽象、名词繁多、各种代谢途径繁杂并交织成网络，而成为生物学科中最难教、最难懂的学科之一。齐齐哈尔大学作为黑龙江省十所创建高水平大学之一，以黑龙江省省级精品课“生物化学”为切入点，围绕在生物化学教学中，如何以学生掌握固有知识为起点，引导学生紧跟学科发展动态和前沿，利用所学知识去发现和解决实际问题。作为省精品课负责人，以教育部出台的《国家教育事业发展十二五规划》中高等教育要加强学生创新意识和能力的培养，以激发兴趣、独立思考、自由探索、学思结合为总体目标，将近年来生物化学教学过程中的体会与同行交流。

一重塑教学理念明确培养目标

教学改革以更新教育理念，转变教学观念为指导思想，根据人才需求，在分析学科发展的现状与趋势的基础上，重新修订了教学大纲，更新了教学内容。不断探讨新的教学方法、引入新的教学手段，努力培养具有生化基础理论、基本知识和基本技能，具有科学素养、国际化视野和科学思维能力，通过专业理论和专业技能训练，能运用所掌握的理论知识和技能在生物学及相关领域从事科学研究、技术开发、教学及管理等方面工作，并具备继续深造的理论知识及实践技能贮备的创新型人才。

二优化课程体系是创新人才培养的必备前提

传统的生物化学教学主要存在以下几个方面的问题：重理论，轻实践；重基础，轻应用；重独立性，轻相关性。在知识老化周期大为缩短的今天，我们在教学中紧抓关键、精讲精髓、避免重复，如将有机化学涉及的糖、酯的结构与化学反应略去；植物生理中涉及的光合作用、物理化学涵盖的热力学定律及人体和动物生理学相关的激素部分简要提及；突出重点、步步深入，如酶催化机制、酶作用动力学、酶活性调控分子机制；这样既保持了生物化学课程的完整性、系统性，又解决了科际间的交叉重叠。同时围绕两大生命物质———蛋白质和核酸，时刻紧跟生命科学的前沿和研究热点，增加DNA的生物合成与调节、DNA的损伤及修复、原核和真核基因转录后加工及其调节等内容。既讲授经典理论又介绍最新进展，并注重结合科研、生产和生活实例。如学习核酸的性质时，结合实例介绍植物、动物、微生物材料中DNA的提取和制备方法，使学生既认识到基本理论的重要性，体会到生命科学是实验科学，所学的知识在生产实践中的广阔应用；同时也培养了学生的兴趣，增强了学习的主动性。在教材的选择上随学科的发展不断更新。授课时，既展现生物化学的最新发展动态，了解学科的发展前沿，又注重学科间的交叉。如青蒿素、DNA重组及克隆技术对临床医学的贡献等令人振奋的生命科学发展前景，无疑激发了学生强烈的时代感和浓厚的求知欲，进而转化为持久而强有力的学习动力。通过对教学内容的改进，将《生物化学》更新为一门内容新、深度广的专业基础课，成为后续专业课的基础和桥梁。

三改革教学方法是创新人才培养的重要手段

在科学合理地安排教学内容的基础上，坚持重点性原则，突出重点、化解难点，做到有主有从。采用课堂讲授与课外自学相结合，次要内容让学生在自学中去消化，给学生留下余地和空间，留给学生一定量的问号，而不全部是句号。这样既能培养学生的自主学习、勤于思考，敢于提出问题的良好习惯，又能使学生加深理解、拓宽视野，提出不同的思路和新的见解。在静态生化中，建立以生物大分子结构为基础，功能为重点，结构是发挥生物活性的保证，结构与功能之间密不可分作为贯穿始终的思维脉络。对生物大分子如何在三度空间借助于特定的化学键和作用力折叠、盘转、卷曲而形成特定和有限的空间结构，利用动画和三维演示，培养学生的空间想象力，通过创造必要的直观环境，给学生创造形象储备的条件。酶是蛋白质，酶蛋白具有催化活性，非酶蛋白不具催化功能，原因何在？临床的第四高———高尿酸血症的成因是什么？提出问题，促使学生思考并进行创造性的思维活动，从而调动和提高学生的探知欲，加深对酶结构、功能和催化机理的掌握，引出糖、脂及嘌呤等代谢路径及调节部位和调控机理，变结论式教学为过程式教学。在动态生化中，以糖类、脂类、蛋白质和核酸代谢为主线，来学习研究反应过程和代谢变化规律，通过糖尿病、苯丙酮尿症、镰刀型贫血病的发病机理和生化机制，理解正常代谢与机体健康和生命现象的联系。

四以科研促教学是创新意识培养的有效措施

教师在授课时把自己的研究课题与生化课堂教学紧密结合，不仅使学生深刻理解并掌握了本专业的前沿理论和技术，也强化了他们的创新意识和创新能力，增强就业竞争力。在扩大理论教学信息量，及时和充分展示学科发展新动态、新成就的基础上，为学生开设创新性和开放性实验，开阔学生的视野。与制药厂、食品厂、研究所等建立联系，校企结合、产学研一条龙，引导学生参与科研和生产实践，培养学生的科研能力，使生物化学专业成为生命科学各专业创新人才培养的科研基地。对于生活中的某些病理变化及引领学科发展的新理论、新技术、新手段，以案例教学的方法，结合教学目标进行学习分析和讨论。肿瘤细胞和病毒的核酸合成十分旺盛，生化指标都发生了哪些改变，为什么核苷酸的抗代谢物可作为抗肿瘤、抗病毒的药物应用于临床？将学生引入特定情境中，激发和培养学生创新性思维能力、多维性解决问题能力。为将来从事科学研究培养良好的科学思维习惯和科研素养。同时结合课程内容和学生兴趣，进行学科（专业）竞赛训练，为学生搭建促进专业能力拓展和综合能力提高的平台，这不仅可使教师改变教学方法，也使学生转变学习方式，增强学习兴趣，提高组织协调能力、沟通能力、资料信息综合与分析判断能力、表达与辩论能力、专业知识的灵活运用能力。

五新型师生关系是创新人才培养的良好氛围

生化教师作为学生本学科知识的启蒙者，学生对任课教师的认可度某种程度上决定了对本门课程的兴趣。这就要求任课教师不仅专业知识的掌握要达到炉火纯青，而且要不断提升自己的讲课艺术，把专业知识演绎得生动有趣。在师与生之间，教师不只作为知识的占有者和给予者，而是通过互动式教学，启发引导学生创造性思维，使学生成为热情的学习者和积极的创新者。通过创造积极的师生关系，知识的传授方式采用逐步引导、强化理解、增强学生思维的条理性。如我们学习糖代谢时，以老师作为一个特定的碳原子，用标记的方法追踪在第一轮代谢产物中的去向。随着一步步酶促反应的进行，中间产物的生成和转化，学生的思维完全处于“老师去哪了这一问题情景中”。在这种人文环境中，他们会调动所有相关知识，积极思考，经过探索最终得出正确结论。这种良好的氛围，激发了学生的学习欲望和高效的心理活动，引发学生自主乃至自发的学习活动，进行多方面的思维，体现为其智力活动多样化、丰富化，从而激发学生的创新意识和创新能力。对于学生不能及时掌握新的内容，教师不是一味批评，而是通过引导回忆，使学生放松心情，学生在学习中体验到的信任、理解、关爱、激励和鞭策，有助于学生在与教师相互尊重、信任、合作的良好育人环境中进行学习、发展自己。为适应人才培养的需求，教育教学改革是永不衰老的课题。通过改革既促进了教师知识、能力水平的提升，将生化信息多角度、更丰富的表现形式、多层次呈现给学生；也充分调动了学生的学习兴趣和自主学习意识、勇于创新精神、善于开拓能力及责任感和使命感，为后续的学习和发展打下了坚实的基础。

作者：吴旭红 冯晶旻 单位：齐齐哈尔大学生命科学与农林学院 齐齐哈尔市卫生监督所

参考文献

[1]王镜岩,朱圣庚,徐长法.生物化学[M].北京：高等教育出版社,2002(8):470.

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关键词：无机化学实验；教学改革；教材建设；教学方法

化学是研究“应天地之万变，集物质之精华”的科学，药学是揭示药物与人体或药物与病原生物体间相互作用规律的科学。用于维护人类生命和健康的西药和中药都是化学物质，所以，药物对抗疾病的过程本质上就是化学反应的过程。因此，化学不仅是蓬勃发展不断变革的科学，更是我国高等药学教育的重要基础课程。无机化学和无机化学实验分别是药学院校新生升入大学之后的第一门化学理论和化学实验课程。沈阳药科大学的无机化学实验是面向全校本科新生开设的课程，其授课对象覆盖6个学院(药学院、制药工程学院、中药学院、生命科学与生物制药学院、工商管理学院以及医疗器械学院)，授课人数达1900人，授课时长48学时。作为首门化学实验课程，无机化学实验的教学质量对后续化学基础、药学专业以及相应实验课程的学习效果将产生深远的影响。因此，如何提升该课程的教学水平，以培养学生规范的实验技能和良好实验习惯、提高分析与解决问题的能力、激发主观的求知热情以及增强学生自主创新意识，是本课程在教学改革中亟待解决的问题[1,2]。近年来，笔者所在的无机化学教研室联合化学实验中心，从实验教材建设、教学手段和教学方法等方面进行探索和实践，已经取得一定成效。

1教材建设

教材作为知识承载的工具，是教师进行教学的依据，是学生进行学习的参考。教材对于保证教学质量是至关重要的，好的教材能使师生如虎添翼，差的教材会令师生思维受限，甚至误导。所以，我校在无机化学实验改革中首先从教材建设入手。为突出无机化学实验的药学专业特色，在新版教材内容的选择上，我们注意与国内药学发展现状相结合，吸纳可以展现无机化学在药学领域中实际应用的素材作为实验内容。为此，在保留原有“药用氯化钠的制备及杂质限度检查”实验的基础上，新版教材中增加了经典的无机药物合成实验——药用氢氧化铝的制备、鉴别、制酸力检查及含量测定，以及药用碱式碳酸铋的制备、鉴别、制酸力检查及含量测定，这些无机药物合成实验不仅可以激发学生对药学专业的浓厚兴趣，还为后续药物合成以及药物分析课程学习奠定了良好基础，从而巧妙地完成了借助于基础化学实验课程将新生领进药学专业之门的目标。在全球一体化的大趋势下，为逐步实现与发达国家的高校教材同步接轨，以适应21世纪我国教育、科技和社会发展的需要，我们在新版教材中采用了双语编写体系。双语实验教材不仅可以帮助外国留学生快速地掌握课程内容，还可以促进国内学生在本科阶段积累化学实验专业英语，为将来去国外深造以及进行国际学术交流打下重要基础。近年来，无机纳米材料发展十分活跃，推动许多领域取得突破性进展，特别是在生物、医药、催化、传感、吸附和分离等领域，新技术材料展现出多种多样的应用潜能。为能及时了解无机化学领域近年来的科研成果，在新版教材中，我们增加了无机纳米材料的合成实验——二氧化钛纳米粒子的制备及其催化活性测定、纳米四氧化三铁的化学沉淀法制备及表征，增设这种前沿性实验旨在引导学生综合运用已学过的知识分析和解决复杂问题，通过了解纳米材料的特殊性质和实际应用拓宽学生的知识视野、培养学生的科研思维与创新意识、激发学生的学习动力和热情。无机化学实验不但可以强化学生基本化学实验的技能和技巧、培养科学思维，还可以促进无机化学的理论教学，帮助学生加深理解并掌握基本原理和元素化学性质。为实现这一目的，在新版教材中，我们对原教材中的化学原理实验和元素化学实验两部分内容进行了重新选择和优化，使实验内容覆盖了无机化学理论教学的各主要方面，包括化学热力学、化学动力学、四大化学平衡、原子结构和分子结构理论以及元素化学，实现理论教学和实验教学有机结合，相得益彰。

2教学手段

以前我校无机化学实验的授课一直采取主讲教师黑板板书讲解实验原理联合现场演示来强调基本操作技能、技巧以及注意事项的方式。这种授课方式，存在一些弊端，比如，不同班级由于主讲教师不同，导致对学生基本实验操作规范的要求不统一；对于化学实验基础参差不齐的新生来讲，没有特别措施的讲课方式无法满足所有学生的听课需求；处于不利听课位置的学生无法看清教师实验演示细节；黑板板书的教学手段形式单一、信息有限、教学效率低下等。在信息技术迅猛发展的今天，现代化教学手段——多媒体课件成为可颠覆传统课堂教学，使其内容更丰富、教学更高效、可重复学习、备受青睐的新形式。为此，在无机化学实验改革中，经过教研室全体教师集体备课研究后，统一制作出所有备选实验的ppt课件，并将课程中涉及的标准基本实验操作制作成24个规范的基本操作视频。课堂上，教师采用讲解实验ppt课件联合播放基本操作视频的方式为新的教学手段(如图1所示)。为提升教学效果，主讲教师课前半小时开始循环播放基本操作视频，对于普通学生，这可作为课前操作预习，而对实验基础薄弱的学生来讲，这是一个弥补基础知识的有效方式，另外，它还可在学生实验过程中提供研究操作细节之用。采用这种手段授课，解决了不同主讲教师对学生操作要求无法一致、学生的实验基础不齐、无法保证全部学生掌握实验操作的细节以及黑板板书的教学手段单调、信息受限等系列问题。我们总结制作的24个标准基本操作视频包括：玻璃仪器洗涤、超声波洗涤、加热方法、加热套使用、恒温干燥箱使用、冷却方法、试剂取用、托盘天平构造与使用、电子天平使用、纯化水取用、滴定管使用、pH计使用、pH试纸使用、比色管使用、恒温磁力搅拌器使用、点滴板使用、离心机使用、电动势测定、常压过滤、减压抽滤、甘汞电极-锌电极原电池组装、硝酸钾溶解度测定、药用氯化钠制备及硫酸亚铁铵的制备。这种以标准基本操作视频取代以往教师操作演示的教学模式，可以保证全班学生高效轻松地掌握全部操作要点，降低了学习难度，提高了教学效率。例如，基本操作“减压抽滤”，在视频中，我们按照实验流程录制了滤纸的剪裁、抽滤瓶的安装、布氏漏斗斜口的方向、滤液的转移、晶体的转移、先拔橡皮管后关泵、以及滤饼的转移等所有操作要领。再如，“药用氯化钠的制备”实验，目的是练习和巩固称重、调节pH、减压抽滤、常压过滤、蒸发、浓缩等基本操作，而对于新生而言，这是第一次接触到步骤繁琐的综合实验，难免手忙脚乱或对部分步骤的注意要点记忆模糊；标准基本操作视频播放的教学模式，不但能使学生更系统地了解实验流程，还能使学生对实验的每一步都有更具体明晰的掌握。

3教学方法

传统的教学方法以教师为主体，以传授知识为导向(Lecture-BasedLearning，LBL)，在该法中学生处于被动地位，所以导致学生学习兴趣不高，参与性不强。当今国际上推崇的是以学生为主体，以问题为导向(Problem-BasedLearning，PBL)的教学方法[3,4]。PBL方法以注重学生能力培养的方式取代以教师知识传授为主的方式，强调学生在解决教师提出问题的过程中获取对事物的认识，以现实问题作为驱动力来培养学生自主获取和应用新知识的能力，从而帮助学生发展自主学习能力、创新能力和与人合作的能力[5,6]。在无机化学实验教学改革实践中，我们将PBL方法引入本课程的综合设计性实验教学中。比如，硫酸亚铁铵的制备实验，几乎涉及到全部的基本实验操作，学生如果能够自行设计并完成的话，既可以对本课程的主要实验技能和技巧进行复习和运用，又可以充分提升学生自主分析和解决问题的能力。为此，提前两周，教师将相关的实验问题布置给学生(比如，反应物溶液的液性是怎样的？反应温度是多少？采用怎样的固液分离方式？怎样检验产品质量等级？如何进行产品检验操作？)，让学生自行设计解决方案并完成实验。为探寻“反应温度是多少？”、“怎样检验产品质量等级?”等问题，学生需要查阅大量文献，无形中培养了主动查阅文献、梳理文献和思考问题的能力。为探寻“采用怎样的固液分离方式？”、“如何进行产品检验操作？”等问题，学生需要对常压过滤、减压抽滤、比色管使用等基本操作进行复习，使学生积极主动地参与到学习活动中。为获得精确的实验结果，学生能够充分运用所学理论知识和实验技能，使知识得以综合运用、融会贯通。

4结语

从无机化学实验教学改革以来，无机教研室和化学实验中心全体同仁围绕着教材建设、教学手段及教学方法等方面，做出了大量工作和努力，并取得一定成效。今后，我们还将对该课程的教学改革在如下方面进行更深入的研究和实践：及时将最新科研成果引入实验教材中、不断探索符合教学规律的教学新思路、多渠道争取实验室建设经费以改善本科实验条件、加强教师自身素质的完善和提高，为国家培养出当今社会发展需要的、具有竞争实力和创新能力的高端药学人才。

参考文献

[1]李巧云.实验室研究与探索,2002,21(2),33.

[2]黎红梅,刘静,王险峰.大学化学,2011,26(5),39.

[3]吴明彩,毕富勇.中华医学教育探索杂志,2011,10(3),309.

[4]Neville,A.J.Med.Princ.Pract.2009,18(1),1.

[5]Hmelo-Silver,C.E.Educ.Psych.Rev.2004,16(3),235.