有機(jī)合成化學(xué)課程教學(xué)研究與改革

陳 洋

(貴州大學(xué)精細(xì)化工研究開發(fā)中心，貴州 貴陽 550025)

有機(jī)合成是合成化學(xué)的一個分支，主要是經(jīng)由各種單元反應(yīng)來構(gòu)筑有機(jī)分子，有機(jī)合成化學(xué)的研究對人類社會的發(fā)展，工業(yè)進(jìn)步，人類文明進(jìn)步都具有巨大的推動作用[1]。對整個有機(jī)化學(xué)學(xué)科的發(fā)展具有重要的推動作用：促進(jìn)從分子水平揭示生命奧秘，助推農(nóng)藥、醫(yī)藥、材料等功能分子的研究開發(fā)。有機(jī)合成化學(xué)是高階合成有機(jī)化學(xué)研究的重要內(nèi)容和組成部分，科學(xué)學(xué)習(xí)過程中能夠較好地訓(xùn)練學(xué)生掌握有機(jī)分子結(jié)構(gòu)特征、官能團(tuán)轉(zhuǎn)化、環(huán)系構(gòu)建、立體手性中心構(gòu)筑，并在此基礎(chǔ)上逐漸掌握較為高階的逆合成策略分析、正向合成路線設(shè)計等基礎(chǔ)理論與技能，通過對骨架結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的天然產(chǎn)物全合成策略案例研究，從而全面訓(xùn)練和提升有機(jī)化學(xué)相關(guān)專業(yè)高年級本科生的有機(jī)合成思想和能力。為適應(yīng)以“化學(xué)中心學(xué)科”理念和學(xué)科素養(yǎng)人才要求以及快速發(fā)展的學(xué)科系統(tǒng)知識需求，培養(yǎng)具有理論基礎(chǔ)扎實和實戰(zhàn)經(jīng)驗豐富的化學(xué)生物學(xué)專業(yè)本科生，本文從有機(jī)合成化學(xué)課程的歷史地位、課程模式現(xiàn)狀分析，探索課程教學(xué)新方法，通過深刻的教學(xué)改革和實踐，得到了學(xué)生和相關(guān)老師的認(rèn)可。

1 有機(jī)合成化學(xué)課程的歷史地位

著名有機(jī)合成化學(xué)家R.B.Woodward教授指出自然界中物質(zhì)的合成，可能比有機(jī)化學(xué)的任何其他領(lǐng)域中的活動都要大，它提供了一種科學(xué)條件和力量的量度。因為合成目標(biāo)很少是偶然的，是最艱苦的，或是最受啟發(fā)的，純粹的觀察活動也不足夠[2]。

科學(xué)家普遍認(rèn)為，21世紀(jì)是生物的世紀(jì)，而化學(xué)則是中心學(xué)科，有機(jī)化學(xué)是化學(xué)的中心領(lǐng)域，有機(jī)化學(xué)領(lǐng)域的中心卻是“有機(jī)合成”[3]?；瘜W(xué)家們在有機(jī)合成領(lǐng)域中展現(xiàn)著前所未有的創(chuàng)造能力和非凡的智慧。20世紀(jì)是有機(jī)合成化學(xué)發(fā)展最為迅猛的一個時間，在這個極具創(chuàng)造力的時代，一批光芒閃耀智慧超群的天然有機(jī)合成化學(xué)家應(yīng)運而生，他們是R.Robinson(生物堿領(lǐng)域做出卓越貢獻(xiàn)，并于1947 年獲諾貝爾化學(xué)獎)、R.B.Woodward(復(fù)雜天然產(chǎn)物全合成領(lǐng)域做出卓越貢獻(xiàn)，被稱為有機(jī)合成之父和20世紀(jì)最偉大的天然有機(jī)化學(xué)家， 并于1965年獲獲諾貝爾化學(xué)獎)、E.J.Corey(因其在逆合成分析及復(fù)雜骨架天然產(chǎn)物全合成領(lǐng)域做出卓越貢獻(xiàn)而獲得1990年諾貝爾化學(xué)獎)等幾位最具代表性的大家[4-5]。

有機(jī)合成化學(xué)在醫(yī)藥工業(yè)、農(nóng)藥工業(yè)、高分子材料、光電材料等領(lǐng)域正發(fā)揮著巨大的作用和能量，高通量篩選、組合化學(xué)、有機(jī)催化等新興領(lǐng)域的發(fā)展，推動了合成有機(jī)化學(xué)的快速發(fā)展[6]。

2 有機(jī)合成化學(xué)課程教學(xué)現(xiàn)狀

“有機(jī)合成化學(xué)”是貴州大學(xué)化學(xué)生物學(xué)專業(yè)本科生專業(yè)選修課程，目前所采用的教材是王玉爐的《有機(jī)合成化學(xué)》(第二版)，課程設(shè)置將從官能團(tuán)化及官能團(tuán)、酸催化縮合與分子重排、有機(jī)合成試劑、逆合成分析與合成路線設(shè)計、基團(tuán)的保護(hù)與反應(yīng)性、不對稱合成反應(yīng)、氧化反應(yīng)、還原反應(yīng)、近代有機(jī)合成方法等基礎(chǔ)知識教學(xué)[7]。鞏固有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)知識和技能，提升化學(xué)生物學(xué)專業(yè)知識，能夠基本滿足目前的基礎(chǔ)教學(xué)需要。然而，作為高年級本科生的專業(yè)選修課程，所涉及的教學(xué)內(nèi)容和知識體系尚無法滿足較高層次的需求，尤其對于直接在本科學(xué)習(xí)以后走上社會有機(jī)合成相關(guān)工作崗位的學(xué)生，直接的感受是知識不系統(tǒng)，較為陳舊，缺乏實用性。同時，由于當(dāng)前存在課時少，教學(xué)內(nèi)容多，學(xué)生基礎(chǔ)參差不齊等因素，導(dǎo)致“有機(jī)合成化學(xué)”課程在教學(xué)過程存在一些弊端。

2.1 陳舊的教學(xué)內(nèi)容

近年來，有機(jī)化學(xué)大類學(xué)科取得了長足的進(jìn)步，就高端學(xué)術(shù)論文而言，其數(shù)量居世界前列。然而學(xué)科發(fā)展幾步均衡，缺乏引領(lǐng)學(xué)科發(fā)展的國際前沿視野和成果，且出現(xiàn)了各分支學(xué)科發(fā)展不均衡，在方法學(xué)和催化領(lǐng)域的研究積累了較多的人力物力財力，在研究周期長難度高匯報慢的天然產(chǎn)物全合成等分支領(lǐng)域存在人員萎縮等問題。

學(xué)科發(fā)展不平衡的突出問題導(dǎo)致了教學(xué)教材不均衡，在教學(xué)內(nèi)容上更多傾向于官能團(tuán)、轉(zhuǎn)化、反應(yīng)、基元反應(yīng)、試劑概念等知識的講解，這些主流教材一直占據(jù)高等學(xué)校有機(jī)合成化學(xué)課程教學(xué)的主要地位，缺乏更加全面與時俱進(jìn)的高質(zhì)量教材。當(dāng)年的教學(xué)模式是以知識的梳理和單元反應(yīng)經(jīng)典案例為主，甚至很多知識存在錯漏不全面，出現(xiàn)誤導(dǎo)學(xué)生的嚴(yán)重缺陷。因此，拯需一套高質(zhì)量的現(xiàn)代化有機(jī)合成化學(xué)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法[8]。

2.2 落后的教學(xué)觀念

傳統(tǒng)的教學(xué)觀念是本課程一直沿用的主體思想[9]。在教學(xué)科制定教學(xué)計劃以后，按照教學(xué)計劃沿用一套前年不變的教學(xué)大綱，圍繞教學(xué)大綱編撰教學(xué)日志，僅僅修改日期即可。圍繞教學(xué)大綱，按照教學(xué)日志嚴(yán)格遵循教材主要內(nèi)容，以一套標(biāo)準(zhǔn)化PPT課件配合著一本有著悠久歷史的《有機(jī)合成化學(xué)》(第二版，王玉爐)教材，采用講授為主的教學(xué)模式。在講解課程的同時，學(xué)生一定會在課本與課件之間準(zhǔn)確地找到對應(yīng)點或重復(fù)點。在這種教學(xué)觀念的指導(dǎo)下，老師們比較輕松地完成每一堂課程，或有幾位勤奮好學(xué)的學(xué)生對書本知識提出疑問，老師也能夠從經(jīng)典案例中準(zhǔn)確找到答案。其實，對于多年上這門課的老師來講，上課僅用一支U盤即可，而且可以做到激情澎湃抑揚頓挫而令人望而卻步。比較純粹的理論有機(jī)合成化學(xué)課程就這樣年復(fù)一年進(jìn)行著，教學(xué)觀念受到嚴(yán)重束縛，逐漸形成了重理論輕實驗的教學(xué)現(xiàn)象。

2.3 單一的授課模式

在授課模式方面，傳統(tǒng)教學(xué)模式是教師講授為主，多年來沿用的一套以教科書基元反應(yīng)為主要內(nèi)容的教學(xué)課件，教師對照教學(xué)課件念給學(xué)生，這種填鴨式教學(xué)模式已經(jīng)根植深入，積重難返。面對參差補(bǔ)齊的學(xué)生水平，導(dǎo)致學(xué)生聽課積極性大打折扣。此外，在陳舊的教學(xué)理念指導(dǎo)下開展的單一理論授課模式，導(dǎo)致開展了純理論課，而沒有實驗課程。學(xué)生就業(yè)的時候面臨高薪高端企業(yè)和知名高校的招生面試望而卻步，原因皆由當(dāng)前教學(xué)觀念與授課模式所決定。在外包研發(fā)實戰(zhàn)及復(fù)雜結(jié)構(gòu)骨架的天然產(chǎn)物全合成及藥物研發(fā)過程需要比較龐大系統(tǒng)的有機(jī)合成專業(yè)知識，并能夠有較為熟練的實戰(zhàn)經(jīng)驗，才能勝任相關(guān)工作。由于單一課件與教材配套開展有機(jī)合成這樣的以實驗為主的課程授課模式，必將導(dǎo)致學(xué)生被動聽課接受陳舊的知識，無法滿足求知欲強(qiáng)的學(xué)生需要深度學(xué)習(xí)的需求，很難激發(fā)高年級本科生的學(xué)習(xí)興趣，不利于培養(yǎng)具有創(chuàng)新思維的高質(zhì)量本科生。

3 有機(jī)合成化學(xué)的教學(xué)改革與實踐

科技進(jìn)步必將帶動社會進(jìn)步，極具創(chuàng)造力的有機(jī)合成化學(xué)家們?yōu)槿嗣袢罕娙找嬖鲩L的物質(zhì)文化需求提供了較為豐富的生活必需品，包括日用品、日化品、建筑材料、藥物等。然而，科學(xué)的發(fā)展總是難以滿足不斷發(fā)展的社會需求，學(xué)科的發(fā)展已經(jīng)很迅速。永動機(jī)的理想仍沒有過時，完全反應(yīng)及完全選擇性有機(jī)反應(yīng)仍是合成有機(jī)化學(xué)家們不斷探索和進(jìn)去的動力。應(yīng)用的需求帶動著研發(fā)的需要，高品質(zhì)的研發(fā)產(chǎn)品，需要優(yōu)秀的研發(fā)人員的努力，而有機(jī)合成化學(xué)的知識系統(tǒng)在不斷得到補(bǔ)充，比如化學(xué)選擇性、立體選擇性、區(qū)域選擇性、原子經(jīng)濟(jì)型、綠色生態(tài)觀念在逐漸變化，應(yīng)運而生一些新反應(yīng)、新催化劑、新方法、新策略和新思想。這些高速發(fā)展的科學(xué)知識增加了有機(jī)合成化學(xué)專業(yè)學(xué)生知識能力的需求，要求本專業(yè)學(xué)生具有更加系統(tǒng)完整前沿的知識體系，具有創(chuàng)造力，能夠在實際研發(fā)和生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)問題解決問題。因此，經(jīng)過精心設(shè)計和反復(fù)思考，針對有機(jī)合成化學(xué)課程的教學(xué)觀念、授課模式、教案設(shè)計、參考教材選擇、考核方式等進(jìn)行了較為系統(tǒng)深入的改革。

3.1 科學(xué)選擇教學(xué)內(nèi)容

本課程是在二年級完成了《有機(jī)化學(xué)》專業(yè)課程的基礎(chǔ)上開展，在此課程的上篇研究生對有機(jī)化學(xué)分子結(jié)構(gòu)及理論已建立了一整套比較全面而深入的認(rèn)識，該課程的下篇主要講解了官能團(tuán)及官能團(tuán)轉(zhuǎn)化的相關(guān)知識，對常見的一些縮合、消除、氧化、還原、催化、周環(huán)、重排等七大反應(yīng)進(jìn)行了較為系統(tǒng)的歸納總結(jié)。在此基礎(chǔ)上，第二學(xué)期開展《有機(jī)合成化學(xué)》課程，對于有機(jī)化學(xué)專業(yè)學(xué)生來講顯得順其自然、水到渠成。

基于此，有機(jī)合成化學(xué)課程選擇的教學(xué)內(nèi)容可以逐級拔高。首先，通過前言介紹有機(jī)合成化學(xué)課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式、考核方式，并分配給每組學(xué)生1個天然產(chǎn)物分子作為學(xué)期末進(jìn)行課程討論和考核的作業(yè)；其次，系統(tǒng)介紹復(fù)雜分子合成策略的分類，并比較每種策略的異同；再次，以經(jīng)典天然產(chǎn)物(Cephalotaxine、Strychnine、Quinine、Manzamine、Arteminsinine、Vindoline、Minfiensine)和藥物分子(Indolizomycin、Vancomycin)為研究對象，教師系統(tǒng)地對分子的分離提取、結(jié)構(gòu)確定、生源合成、逆合成策略設(shè)計、合成路線執(zhí)行、關(guān)鍵步驟的機(jī)理分析進(jìn)行講解；最后，每個學(xué)生講解他們獨立分析設(shè)計完成的合成策略和路線分析。

3.2 提高課程的重視程度

通過化學(xué)生物學(xué)專業(yè)本科課程設(shè)計和教學(xué)大綱修訂，本專業(yè)在入學(xué)的第三、四學(xué)期開設(shè)了《有機(jī)化學(xué)》課程，學(xué)生通過系統(tǒng)學(xué)習(xí)，建立了較為系統(tǒng)全面的有機(jī)結(jié)構(gòu)和有機(jī)反應(yīng)的認(rèn)知。于第五學(xué)期開設(shè)了《有機(jī)合成化學(xué)》課程，對于化學(xué)生物學(xué)專業(yè)學(xué)生來講顯得順其自然、水到渠成。

3.3 引入英文專業(yè)教材

化學(xué)生物學(xué)專業(yè)是貴州大學(xué)植物保護(hù)是國家“雙一流”重點學(xué)科開設(shè)的本科生專業(yè)。為培養(yǎng)國內(nèi)國際高端本科畢業(yè)生而合理設(shè)計了本課程，部分學(xué)生在大二時可能被選派國際交流學(xué)習(xí)。通過設(shè)計英漢雙語教學(xué)教案，引入英文原版有機(jī)合成專業(yè)教材作為主要參考書目，選擇近年來發(fā)展的經(jīng)典合成案例設(shè)計到教案中，可以讓本課程教學(xué)內(nèi)容與本領(lǐng)域科學(xué)前言同步。在設(shè)計課程教案時，制作高質(zhì)量全英文PPT課件的同時，制作一套英漢對照講義，并將PDF版本分章節(jié)發(fā)放給學(xué)生。每一堂課程內(nèi)容圍繞一個核心主題教授，課前發(fā)放教案及參考文獻(xiàn)。通過引入英文參考書，制作英文講義，帶動學(xué)生閱讀國際前沿專業(yè)文獻(xiàn)，提高了學(xué)生在國際水平的適應(yīng)能力。所選擇的教材有Wiley出版的系列教材，Michael B.Smith教授主編的Organic synthesis(3rd ed, 2011)。并推薦學(xué)生閱讀較為高級的有機(jī)合成專業(yè)書籍，如K.C.Nicolaou教授主編的Classics in Total Synthesis I, II, III三部曲，1973-1998年持續(xù)更新的系列叢書The Total Synthesis of Natural Products Volume 1-11卷，2013年Vasyl Andrushko和Natalia Andrushko主編的Stereoselective Synthesis of Drugs and Natural Products兩卷合集，Douglass Fleming Taber從2003年至今，持續(xù)更新的Organic Synthesis: State of the Art共有六卷。

通過專業(yè)英文教材的引入，強(qiáng)化了學(xué)生對專業(yè)知識的系統(tǒng)性和專業(yè)性，學(xué)生通過閱讀英文教材，與授課內(nèi)容更加容易銜接。當(dāng)前，我國研究教學(xué)國際化的趨勢日益普遍，英文教材的選用有助于提升本專業(yè)的國際化水平和能力。

3.4 調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)主動性

以往的被動接受，上課認(rèn)真聽講，下課拋之腦后，考前突擊輔導(dǎo)，導(dǎo)致大量學(xué)生為了學(xué)分而應(yīng)付課程的做法比較普遍。實施教學(xué)改革以后，學(xué)生學(xué)習(xí)主動性得到了極大增強(qiáng)。

首先，課前做好預(yù)習(xí)。針對下節(jié)課要講授的知識提前布置相關(guān)要點，請課程助理將相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)到每一位學(xué)生手中，讓學(xué)生提前熟悉相關(guān)預(yù)授課程內(nèi)容提要。其次，課堂講解過程中注意積極引導(dǎo)學(xué)生思考問題，避免出現(xiàn)成就知識和乏味的讀課件和讀課本的現(xiàn)象發(fā)生。最后，課后要布置小組討論的思考題目，并以學(xué)習(xí)小組討論方式形成相關(guān)知識的簡要匯報提綱，便于下節(jié)課當(dāng)中進(jìn)行討論學(xué)習(xí)。經(jīng)過以上方法實施，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，課程效果顯著增強(qiáng)，反響較好。

3.5 講授與討論互動的教學(xué)模式

由于有機(jī)合成化學(xué)課程知識龐雜，內(nèi)容較多且分散，革新教學(xué)模式有助于提高教學(xué)效果。在教學(xué)設(shè)置上要下足功夫，精心設(shè)計每一個課件，把握難度，引導(dǎo)學(xué)生組成學(xué)習(xí)小組，做好課前充分預(yù)習(xí)。課堂上老師講授的知識較為全面系統(tǒng)的覆蓋了發(fā)放給學(xué)生的課程講義，但與講義不雷同，兩者之間形成較好互補(bǔ)。這樣讓學(xué)生提前閱讀課程講義、參考文獻(xiàn)和參考書籍后帶著問題來主動聽課，在聽老師講授課程的過程中逐漸達(dá)到解惑。針對個別較難的問題，允許學(xué)生當(dāng)堂提問，并與學(xué)生形成較好的互動。每次課程留足夠的時間復(fù)習(xí)上節(jié)課程知識，以及總結(jié)本節(jié)課的知識要點。例如在講解Strychnine分子的課件準(zhǔn)備時，將題目定位“The Strychnine Synthetic Problem”，首先引入幾篇關(guān)鍵學(xué)術(shù)論文和綜述：R.B.Woodward et al.J.Am.Chem.Soc. 1954, 76, 4749; R.B.Woodward et al.Tetrahedron, 1963, 19, 247; L.E.Overman,J.Am.Chem.Soc. 1993, 115, 9203; K.C.Nicolaou, E.J.Sorensen, Classics in Total Synthesis, 1996, Chapters 2 and 33.然后講解分子的結(jié)構(gòu)特征以及合成策略分析。每次課程結(jié)束都會留有思考題目或文獻(xiàn)書籍，便于學(xué)生復(fù)習(xí)鞏固知識。

在教授理論課程的通知，設(shè)計了一點稍微有一點難度的分子，讓學(xué)生開展綜合有機(jī)合成大實驗，提高了學(xué)生實戰(zhàn)能力。

此外，在本課程開設(shè)的第一次課程就要布置一個中期考察作業(yè)，即將班級學(xué)生分成若干小組，每組2～3人，共同完成以下天然產(chǎn)物分子的合成路線設(shè)計。通過前期布置的課程分子合成任務(wù)，學(xué)生經(jīng)過課程學(xué)習(xí)以后，可以自主設(shè)計復(fù)雜結(jié)構(gòu)天然產(chǎn)物(如圖1所示)的全合成策略，在中期考察的時候請幾位經(jīng)驗豐富的老師作為評委，聽取學(xué)生小組匯報所選天然產(chǎn)物分子全合成路線策略，以及分析關(guān)鍵步驟的反應(yīng)機(jī)理。

圖1 學(xué)生研討課程參選天然產(chǎn)物分子Fig.1 Natural product molecules selected for student seminar

通過教師教授-學(xué)生學(xué)習(xí)-學(xué)生講解的模式，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)主觀能動性和創(chuàng)造性思考問題，部分學(xué)生所提供的合成策略具有很好的可行性和創(chuàng)新性。

3.6 合理化考核模式

知識的學(xué)習(xí)需要有一個合適的檢驗方式，傳統(tǒng)的考核可以在一定程度上檢驗學(xué)生學(xué)習(xí)的成效。然而，隨著知識的更新，教學(xué)模式的變革，沿用傳統(tǒng)的考核模式已經(jīng)不能夠適應(yīng)新的形勢。因此，本課程采用平時成績占比40%(主要包含出勤率，課堂參與程度等)，期終成績占比60%(主要包括課程課件的制作和講解，目標(biāo)天然產(chǎn)物合成策略的設(shè)計路線的可行性和創(chuàng)新性，關(guān)鍵步驟問題分析的知識透徹程度等)，學(xué)生期終講解目標(biāo)分子設(shè)計的路線過程中，請相關(guān)學(xué)科的老師2～3名參與作為評委，綜合評定后給出一個合理分?jǐn)?shù)。

4 結(jié) 語

經(jīng)過階段性教學(xué)改革與實踐，筆者所開設(shè)的化學(xué)生物學(xué)專業(yè)《有機(jī)合成化學(xué)》課程教學(xué)研究與改革已取得較好成效。課前精心制作英文課件、中英雙語講義、推薦參考文獻(xiàn)和書籍以加強(qiáng)學(xué)生接授知識的能力，極大地提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性。在授課中，采用多媒體講授融入前沿科研案例，輔助以學(xué)生研討講解復(fù)雜骨架分子合成路線策略，以激發(fā)學(xué)生應(yīng)用知識的能力和創(chuàng)造力，教學(xué)效果得到極大提升。有機(jī)合成綜合大實驗的開展，提高了學(xué)生實戰(zhàn)能力，使得原本枯燥無味的課程變得生動有趣。