药物化学相关概念融入高中化学教学的教学价值

摘要

2020年修订的普通高中新课标中新增的“发展中的化学科学”这一全新设计中，设置了“作为交叉学科的化学”这一主题，药物化学作为一门即联系前沿又贴近生活的化学交叉学科，在高中化学教学中有一定的开发利用价值。本文以药物化学中的部分理念与高中化学教学融合为主题，阐述了药物化学在高中化学教学中应用的知识性价值和思政价值。在知识的融合上可以从前药、构效关系、药物提取和合成入手，与高中化学教学相融合；在思政价值上可以开发药物化学中的素材运用到高中化学教学中，培养学生安全用药意识、科学态度与思维；最后，针对实际应用中可能出现的问题给出了建议。

关键词：高中化学；化学前沿知识；药物化学

普通高中化学课程标准（2017版2020年修订）将“发展中的化学科学”作为一个独立的系列以更好地体现化学发展的新成果和尚待解决的问题，发展学生核心素养，鼓励学生关注并投身化学事业[1]。相比于“实验化学”和“化学与社会”两个系列，已有的课程建设和教学经验相对丰富，而“发展中的化学科学”系列是一个全新的设计，需要付出更多的努力。该系列课程设置了三个主题，分别是“主题1：化学学科研究进展”“主题2：作为交叉学科的化学”“主题3：化学工程研究进展”，其中的主题2体现化学与相关学科融合、分化而发展出出许多交叉领域这一典型特征，其中就包括了化学与医药领域的交叉[2]。药物化学既是医药领域中的一环，又是化学学科的一个重要分支，其中的一些研究理念和方法建立于高中阶段的化学知识之上又与其紧密联系，在化学教学上有一定的研究价值。二者的融合有着多方面的优势，一是药物化学处在化学学科的实际应用层面，能够通过药物化学提供素材和思路创设真实的情景来带动高中阶段化学核心素养的培养；二是药物化学既沟通化学前沿又与实际生活息息相关，通过药物化学与化学教学的融合加强前沿与基础的联系，增进学生对化学学科的整体感知，帮助学生体验化学研究的真实过程，增加对化学学科的兴趣；三是从教材和高考来看，化学与药物设计、合成相关的知识也多次出现，所以药物化学相关知识与高中化学的融合具有一定的实际意义。

1药物化学对高中化学的知识价值。

1.1 前药

前药又称前体药物是药物化学中的基本概念，一般是指一类本身没有活性或者活性很弱的物质在生物体内转化以后，生成具有药理活性或药理活性显著增强的代谢物或原药的化合物[3]。前药中含有无毒的载体基团或前体基团，其载体基团通过共价键与原药分子连接。原药分子中一些常见的官能团包括羟基、氨基、羧基、和醛基等，与载体基团连接以后形成酯键、碳酸盐、酰胺等官能团结构，而这些结构的作用通过适当的引导，学生是可以利用高中阶段的化学知识解释的。其中成酯是载体前药设计中最广泛的一类应用，通过酯化反应从而增加药物的稳定性、减少药物的刺激、改变给药的途径等，其本质是利用了酯的物理和化学性质[3]。例如常见的抗生素头孢呋辛的口服剂型为头孢呋辛酯，而注射剂型为头孢呋辛钠。头孢呋辛酯就是将活性成分头孢呋辛的羧基进行成酯而得到的，头孢呋辛因其羧基的极性强口服不易被人体吸收，成酯后该药物的脂溶性增强从而可以口服吸收，在体内又被酶水解为原药发挥药效，这个过程中就涉及到酯的物理性质、酯化反应、酯的水解、相似相溶等知识。该案例有多处可以开发的点，例如教师在进行选择性必修三“羧酸及其衍生物”这一节的内容教学时可以把两种剂型作为素材进行情景引入帮助学生理解酯类的物理性质和水解反应，或者进行探究性学习设计让学生体验药物研究的真实过程，帮助学生建立合理用药的观念，进一步感受“结构决定性质，性质决定用途”的实际运用。其他如贝诺酯这一利用阿司匹林含有的羧基与对乙酰氨基酚中的羟基成酯设计的前药，口服后在体内水解产生治疗作用，对胃肠道的刺激比阿司匹林小[3]。该案例是酯化反应在药物设计中的实际应用，在教学中可用作真实的情景素材进行作业设计，考察学生“证据推理与模型认知”这一核心素养的发展水平。除酯外，酰胺、醛酮等都是前药设计中常用的基团，其部分化学知识水平处在高中学生的最近发展区内，对高中阶段的化学教学或有一定的帮助。

1.2 药物的提取与合成

大多数天然药物属于有机化合物，天然药物有效成分的分离提取，需要用到化学知识，例如一些水溶性大的物质可以用水作溶剂将其浸出，而水溶液较小的物质可以利用其酸性或者碱性将其与酸或碱成盐而增强其水溶性，或利用有机溶剂溶解，再用见碱沉淀，进一步萃取，蒸馏除去有机溶剂，从而提取到活性药物[4]。这些步骤中所利用到的知识与选择性必修三中“研究有机化合物的一般方法”一节的内容是一致的，选取合适药物提取过程作为真实情景素材，将化学知识运用到实际当中。例如以青蒿素的提取为例，可以先给出青蒿素及其提取过程的资料，提出“ 青蒿素的为什么只能在低温、乙醚冷浸的条件下成功提取？”“为什么双氢青蒿素的水溶性更强，疗效更好？”等探究性问题利用学生已有知识来解决问题[2]。

药物合成是药物化学最重要的内容，它涉及通过化学合成、生物合成和半合成等方法制备药物[3]。在中学化学中也会学习过各种化学反应的原理和方法，其主要原理集中在有机化学部分，特别是在选择性必修三“有机合成”一节的内容。新高考背景

下有机推断试题通常以真实的合成药物路线为素材，在考查学生基本知识和能力的同时，更注重新信息的摄取应用及推理判断等逻辑思维能力的考查，具有知识容量大、综合性强的特点[5]。然而学生普遍存在运用片段、零碎、随机的有机知识和单向思维的方式进行推导的情况，对于题目中给出关键信息不会转换，究其原因是学生有机化学知识的结构化程度较低。新课标倡导从简单化合物来认识有机官能团，而药物合成中往往涉及到大分子多个官能团的转换、保护、去除，所以在教学过程中可以利用一些相关药物的合成将多个官能团进行整合，提升学生思维的整体性。

1.3 药物的构效关系

药物的构效关系也是药物化学中的一项重要内容，是指在同一基本结构中，药物结构的变化，引起药物活性的变化规律[3]。构效关系是“结构决定性质，性质决定用途”的化学学科大概念在药学领域的体现，适当的将构效关系与高中阶段化学知识结合，让学生更加具体生动的感受抽象的概念，将性质拓展到实际的用途，和生活相结合探究常见药物的结构和作用的关系。以镇痛药吗啡为例，吗啡中含有酚羟基，与氯化铁作用而显蓝色；酚羟基，烷氧基和苯环相连从从而使芳环活化，导致吗啡容易氧化变质；再如，反己烯雌酚和顺己烯雌酚由于烯烃的顺反异构导致羟基间的空间距离和作用力大小不同，从而导致只有反式结构可以药用[4]。这些都是基于高中阶段的化学知识可以理解的，熟悉这些常见的官能团就可以解释药物的理化性质，以及正确合理的使用药物，发展学生的核心素养。

2药物化学对高中化学的思政价值

2.1 安全用药

药物的安全性是药物化学研究的基本内容之一，也是2019人教版必修二教材“化学与可持续发展”这一章节中直接呈现的内容。针对该章节2020修订版的课程标准提出了 “精选教学素材和应用案例”“加强化学视角与真实情景素材之间的联系”“通过讨论有争议性的社会议题，促进学生辩证的看待问题”等教学核心策略。药物化学中的案例较好的满足了这些要求，针对社会性的争议话题，可以选用镇痛药“吗啡”与毒品“海洛因”为素材，二者在结构上差别很小，但对社会却产生了相反的作用，引导学生进行讨论，促进学习辩证的看待问题，培养学生参与社会决策的意识。安全用药还可以从药物的副作用和不良反应入手，如糖皮质激素有治疗免疫疾病、退烧等作用，但过多的使用会引发肥胖、糖尿病、青光眼等一系列疾病。同时，教学过程中可以开展实践活动选择一些成分简单的药物（如抗酸药），仔细查阅药品说明书中的信息，并设计实验方案验证这种药品的有效成分[6]。

2.2 科学态度

化学是一门科学课程，需要有严谨的科学态度和缜密的逻辑以及推理过程。药物事关人的生命健康更需要严谨的态度，在药物化学发展的过程中出现过许多因研究上的细小忽视导致的恶性事件，在高中化学的教学过程中这些例子能够引发学生的思考，培养学生“科学态度与社会责任”的核心素养，能对化学有关的社会问题做出正确的价值判断，能参与有关的化学问题的社会实践活动。在学习有机化学“同分异构体”“立体异构”等相关知识时可以引用“反应停事件”作为反面教材，一个异构体的误判就引发了数万人的残疾，这样的例子是震撼且引发学生思考的，能够培养学生正确的科学态度，也让学生感受到微观世界宏观世界的相互影响和联系[7]。

3反思与总结

本文对药物化学与高中化学的契合点和可以开发利用的教学素材做了部分阐述，但在实际的教学应用过程中由于药物化学联系学科发展前沿，超越了中学教学常规内容，为课程设计和实施带来很大挑战。教师在融合药物化学知识进行课程设计时会出现不管学生的知识和经验基础从新情景开始，又不在最近发展区内，会造成学生的茫然和教师教学的突兀和生涩。基于这些问题，有以下启示：第一，要基于学生已有经验，发挥学生主体作用。教师要基于学生已有知识经验和认知水平，认真挑选贴近学生生活实际的知识，营造有利于学生对相关知识进行积极建构的学习氛围，促使他们主动探究学习。第二，要利用前沿知识，构建真实化学情景。真实、具体的问题情景是学生化学学科素养形成和发展的重要平台，化学教师应该重视利用药物这一贴近生活的教学素材进行真实性设计，引发学生的认知冲突，使学生产生各种化学问题，在解决问题的过程中，实现能力的提升。

参考文献

[1] 教育部基础教育课程教材专家工作委员会组织编写；房喻，徐端钧主编. 普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）解读 [M]. 北京：高等教育出版社， 2020.

[2] 中华人民共和国教育部. 普通高中化学课程标准 2017年版2020年修订 [M]. 北京：人民教育出版社， 2020.

[3] 尤启冬主编；彭司勋主审. 药物化学 [M]. 北京：化学工业出版社， 2016.

[4] 陈任宏，王秀芳，卫月琴主编. 药用基础化学 [M]. 北京：化学工业出版社， 2019.

[5] 李艳. 思维模型在解决有机推断试题中的应用 [J]. 教学考试， 2024， （23）： 37-40.

[6] 课程教材研究所. 普通高中教科书 化学 选择性必修 3 有机化学基础 人教版 2021新版 [M]. 北京：人民教育出版社， 2021.

[7] NEIL V. Thalidomide-induced teratogenesis： history and mechanisms [J]. Birth defects research Part C， Embryo today ： reviews， 2015， 105（2）： 140-156.