有機合成化學課程教學研究與改革

陳 洋

(貴州大學精細化工研究開發中心，貴州 貴陽 550025)

有機合成是合成化學的一個分支，主要是經由各種單元反應來構筑有機分子，有機合成化學的研究對人類社會的發展，工業進步，人類文明進步都具有巨大的推動作用[1]。對整個有機化學學科的發展具有重要的推動作用：促進從分子水平揭示生命奧秘，助推農藥、醫藥、材料等功能分子的研究開發。有機合成化學是高階合成有機化學研究的重要內容和組成部分，科學學習過程中能夠較好地訓練學生掌握有機分子結構特征、官能團轉化、環系構建、立體手性中心構筑，并在此基礎上逐漸掌握較為高階的逆合成策略分析、正向合成路線設計等基礎理論與技能，通過對骨架結構較為復雜的天然產物全合成策略案例研究，從而全面訓練和提升有機化學相關專業高年級本科生的有機合成思想和能力。為適應以“化學中心學科”理念和學科素養人才要求以及快速發展的學科系統知識需求，培養具有理論基礎扎實和實戰經驗豐富的化學生物學專業本科生，本文從有機合成化學課程的歷史地位、課程模式現狀分析，探索課程教學新方法，通過深刻的教學改革和實踐，得到了學生和相關老師的認可。

1 有機合成化學課程的歷史地位

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

科學家普遍認為，21世紀是生物的世紀，而化學則是中心學科，有機化學是化學的中心領域，有機化學領域的中心卻是“有機合成”[3]。化學家們在有機合成領域中展現著前所未有的創造能力和非凡的智慧。20世紀是有機合成化學發展最為迅猛的一個時間，在這個極具創造力的時代，一批光芒閃耀智慧超群的天然有機合成化學家應運而生，他們是R.Robinson(生物堿領域做出卓越貢獻，并于1947 年獲諾貝爾化學獎)、R.B.Woodward(復雜天然產物全合成領域做出卓越貢獻，被稱為有機合成之父和20世紀最偉大的天然有機化學家， 并于1965年獲獲諾貝爾化學獎)、E.J.Corey(因其在逆合成分析及復雜骨架天然產物全合成領域做出卓越貢獻而獲得1990年諾貝爾化學獎)等幾位最具代表性的大家[4-5]。

有機合成化學在醫藥工業、農藥工業、高分子材料、光電材料等領域正發揮著巨大的作用和能量，高通量篩選、組合化學、有機催化等新興領域的發展，推動了合成有機化學的快速發展[6]。

2 有機合成化學課程教學現狀

“有機合成化學”是貴州大學化學生物學專業本科生專業選修課程，目前所采用的教材是王玉爐的《有機合成化學》(第二版)，課程設置將從官能團化及官能團、酸催化縮合與分子重排、有機合成試劑、逆合成分析與合成路線設計、基團的保護與反應性、不對稱合成反應、氧化反應、還原反應、近代有機合成方法等基礎知識教學[7]。鞏固有機化學基礎知識和技能，提升化學生物學專業知識，能夠基本滿足目前的基礎教學需要。然而，作為高年級本科生的專業選修課程，所涉及的教學內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習以后走上社會有機合成相關工作崗位的學生，直接的感受是知識不系統，較為陳舊，缺乏實用性。同時，由于當前存在課時少，教學內容多，學生基礎參差不齊等因素，導致“有機合成化學”課程在教學過程存在一些弊端。

2.1 陳舊的教學內容

近年來，有機化學大類學科取得了長足的進步，就高端學術論文而言，其數量居世界前列。然而學科發展幾步均衡，缺乏引領學科發展的國際前沿視野和成果，且出現了各分支學科發展不均衡，在方法學和催化領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物全合成等分支領域存在人員萎縮等問題。

學科發展不平衡的突出問題導致了教學教材不均衡，在教學內容上更多傾向于官能團、轉化、反應、基元反應、試劑概念等知識的講解，這些主流教材一直占據高等學校有機合成化學課程教學的主要地位，缺乏更加全面與時俱進的高質量教材。當年的教學模式是以知識的梳理和單元反應經典案例為主，甚至很多知識存在錯漏不全面，出現誤導學生的嚴重缺陷。因此，拯需一套高質量的現代化有機合成化學教學內容和教學方法[8]。

2.2 落后的教學觀念

傳統的教學觀念是本課程一直沿用的主體思想[9]。在教學科制定教學計劃以后，按照教學計劃沿用一套前年不變的教學大綱，圍繞教學大綱編撰教學日志，僅僅修改日期即可。圍繞教學大綱，按照教學日志嚴格遵循教材主要內容，以一套標準化PPT課件配合著一本有著悠久歷史的《有機合成化學》(第二版，王玉爐)教材，采用講授為主的教學模式。在講解課程的同時，學生一定會在課本與課件之間準確地找到對應點或重復點。在這種教學觀念的指導下，老師們比較輕松地完成每一堂課程，或有幾位勤奮好學的學生對書本知識提出疑問，老師也能夠從經典案例中準確找到答案。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合成化學課程就這樣年復一年進行著，教學觀念受到嚴重束縛，逐漸形成了重理論輕實驗的教學現象。

2.3 單一的授課模式

在授課模式方面，傳統教學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為主要內容的教學課件，教師對照教學課件念給學生，這種填鴨式教學模式已經根植深入，積重難返。面對參差補齊的學生水平，導致學生聽課積極性大打折扣。此外，在陳舊的教學理念指導下開展的單一理論授課模式，導致開展了純理論課，而沒有實驗課程。學生就業的時候面臨高薪高端企業和知名高校的招生面試望而卻步，原因皆由當前教學觀念與授課模式所決定。在外包研發實戰及復雜結構骨架的天然產物全合成及藥物研發過程需要比較龐大系統的有機合成專業知識，并能夠有較為熟練的實戰經驗，才能勝任相關工作。由于單一課件與教材配套開展有機合成這樣的以實驗為主的課程授課模式，必將導致學生被動聽課接受陳舊的知識，無法滿足求知欲強的學生需要深度學習的需求，很難激發高年級本科生的學習興趣，不利于培養具有創新思維的高質量本科生。

3 有機合成化學的教學改革與實踐

科技進步必將帶動社會進步，極具創造力的有機合成化學家們為人民群眾日益增長的物質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，科學的發展總是難以滿足不斷發展的社會需求，學科的發展已經很迅速。永動機的理想仍沒有過時，完全反應及完全選擇性有機反應仍是合成有機化學家們不斷探索和進去的動力。應用的需求帶動著研發的需要，高品質的研發產品，需要優秀的研發人員的努力，而有機合成化學的知識系統在不斷得到補充，比如化學選擇性、立體選擇性、區域選擇性、原子經濟型、綠色生態觀念在逐漸變化，應運而生一些新反應、新催化劑、新方法、新策略和新思想。這些高速發展的科學知識增加了有機合成化學專業學生知識能力的需求，要求本專業學生具有更加系統完整前沿的知識體系，具有創造力，能夠在實際研發和生產中發現問題解決問題。因此，經過精心設計和反復思考，針對有機合成化學課程的教學觀念、授課模式、教案設計、參考教材選擇、考核方式等進行了較為系統深入的改革。

3.1 科學選擇教學內容

本課程是在二年級完成了《有機化學》專業課程的基礎上開展，在此課程的上篇研究生對有機化學分子結構及理論已建立了一整套比較全面而深入的認識，該課程的下篇主要講解了官能團及官能團轉化的相關知識，對常見的一些縮合、消除、氧化、還原、催化、周環、重排等七大反應進行了較為系統的歸納總結。在此基礎上，第二學期開展《有機合成化學》課程，對于有機化學專業學生來講顯得順其自然、水到渠成。

基于此，有機合成化學課程選擇的教學內容可以逐級拔高。首先，通過前言介紹有機合成化學課程的教學內容、教學模式、考核方式，并分配給每組學生1個天然產物分子作為學期末進行課程討論和考核的作業；其次，系統介紹復雜分子合成策略的分類，并比較每種策略的異同；再次，以經典天然產物(Cephalotaxine、Strychnine、Quinine、Manzamine、Arteminsinine、Vindoline、Minfiensine)和藥物分子(Indolizomycin、Vancomycin)為研究對象，教師系統地對分子的分離提取、結構確定、生源合成、逆合成策略設計、合成路線執行、關鍵步驟的機理分析進行講解；最后，每個學生講解他們獨立分析設計完成的合成策略和路線分析。

3.2 提高課程的重視程度

通過化學生物學專業本科課程設計和教學大綱修訂，本專業在入學的第三、四學期開設了《有機化學》課程，學生通過系統學習，建立了較為系統全面的有機結構和有機反應的認知。于第五學期開設了《有機合成化學》課程，對于化學生物學專業學生來講顯得順其自然、水到渠成。

3.3 引入英文專業教材

化學生物學專業是貴州大學植物保護是國家“雙一流”重點學科開設的本科生專業。為培養國內國際高端本科畢業生而合理設計了本課程，部分學生在大二時可能被選派國際交流學習。通過設計英漢雙語教學教案，引入英文原版有機合成專業教材作為主要參考書目，選擇近年來發展的經典合成案例設計到教案中，可以讓本課程教學內容與本領域科學前言同步。在設計課程教案時，制作高質量全英文PPT課件的同時，制作一套英漢對照講義，并將PDF版本分章節發放給學生。每一堂課程內容圍繞一個核心主題教授，課前發放教案及參考文獻。通過引入英文參考書，制作英文講義，帶動學生閱讀國際前沿專業文獻，提高了學生在國際水平的適應能力。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)。并推薦學生閱讀較為高級的有機合成專業書籍，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，持續更新的Organic Synthesis: State of the Art共有六卷。

通過專業英文教材的引入，強化了學生對專業知識的系統性和專業性，學生通過閱讀英文教材，與授課內容更加容易銜接。當前，我國研究教學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的國際化水平和能力。

3.4 調動學生學習主動性

以往的被動接受，上課認真聽講，下課拋之腦后，考前突擊輔導，導致大量學生為了學分而應付課程的做法比較普遍。實施教學改革以后，學生學習主動性得到了極大增強。

首先，課前做好預習。針對下節課要講授的知識提前布置相關要點，請課程助理將相關文獻發到每一位學生手中，讓學生提前熟悉相關預授課程內容提要。其次，課堂講解過程中注意積極引導學生思考問題，避免出現成就知識和乏味的讀課件和讀課本的現象發生。最后，課后要布置小組討論的思考題目，并以學習小組討論方式形成相關知識的簡要匯報提綱，便于下節課當中進行討論學習。經過以上方法實施，提高了學生的學習主動性，課程效果顯著增強，反響較好。

3.5 講授與討論互動的教學模式

由于有機合成化學課程知識龐雜，內容較多且分散，革新教學模式有助于提高教學效果。在教學設置上要下足功夫，精心設計每一個課件，把握難度，引導學生組成學習小組，做好課前充分預習。課堂上老師講授的知識較為全面系統的覆蓋了發放給學生的課程講義，但與講義不雷同，兩者之間形成較好互補。這樣讓學生提前閱讀課程講義、參考文獻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到解惑。針對個別較難的問題，允許學生當堂提問，并與學生形成較好的互動。每次課程留足夠的時間復習上節課程知識，以及總結本節課的知識要點。例如在講解Strychnine分子的課件準備時，將題目定位“The Strychnine Synthetic Problem”，首先引入幾篇關鍵學術論文和綜述：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.然后講解分子的結構特征以及合成策略分析。每次課程結束都會留有思考題目或文獻書籍，便于學生復習鞏固知識。

在教授理論課程的通知，設計了一點稍微有一點難度的分子，讓學生開展綜合有機合成大實驗，提高了學生實戰能力。

此外，在本課程開設的第一次課程就要布置一個中期考察作業，即將班級學生分成若干小組，每組2～3人，共同完成以下天然產物分子的合成路線設計。通過前期布置的課程分子合成任務，學生經過課程學習以后，可以自主設計復雜結構天然產物(如圖1所示)的全合成策略，在中期考察的時候請幾位經驗豐富的老師作為評委，聽取學生小組匯報所選天然產物分子全合成路線策略，以及分析關鍵步驟的反應機理。

圖1 學生研討課程參選天然產物分子Fig.1 Natural product molecules selected for student seminar

通過教師教授-學生學習-學生講解的模式，激發了學生的學習主觀能動性和創造性思考問題，部分學生所提供的合成策略具有很好的可行性和創新性。

3.6 合理化考核模式

知識的學習需要有一個合適的檢驗方式，傳統的考核可以在一定程度上檢驗學生學習的成效。然而，隨著知識的更新，教學模式的變革，沿用傳統的考核模式已經不能夠適應新的形勢。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，目標天然產物合成策略的設計路線的可行性和創新性，關鍵步驟問題分析的知識透徹程度等)，學生期終講解目標分子設計的路線過程中，請相關學科的老師2～3名參與作為評委，綜合評定后給出一個合理分數。

4 結 語

經過階段性教學改革與實踐，筆者所開設的化學生物學專業《有機合成化學》課程教學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、推薦參考文獻和書籍以加強學生接授知識的能力，極大地提高了學生學習的主動性。在授課中，采用多媒體講授融入前沿科研案例，輔助以學生研討講解復雜骨架分子合成路線策略，以激發學生應用知識的能力和創造力，教學效果得到極大提升。有機合成綜合大實驗的開展，提高了學生實戰能力，使得原本枯燥無味的課程變得生動有趣。