反應(yīng)樹(Reaction Tree)
——?dú)w納總結(jié)法在“藥物合成反應(yīng)”教學(xué)中的應(yīng)用

葉文靜，丁依婷，潘潔，姜軍，趙一玫，王凱

湖北大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，武漢 430062

“藥物合成反應(yīng)”是制藥工程專業(yè)一門重要的專業(yè)課，這門課程是有機(jī)化學(xué)的加深與拓展，內(nèi)容幾乎全是林林總總的有機(jī)反應(yīng)及機(jī)理，相比于有機(jī)化學(xué)，藥物合成反應(yīng)涉及到的化合物結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，反應(yīng)類型更多，大多數(shù)反應(yīng)還有催化劑加入，因此更難學(xué)。想學(xué)好這門課程不能如有機(jī)化學(xué)一般單單只記一個(gè)反應(yīng)，知道反應(yīng)物和產(chǎn)物就足夠，而是需要掌握規(guī)律、尋找共性，記住一類反應(yīng)，因此要求學(xué)生能對(duì)眾多的有機(jī)反應(yīng)進(jìn)行梳理，按照一定的規(guī)律進(jìn)行“歸納總結(jié)”，使零亂、分散的有機(jī)反應(yīng)形成體系。

1 歸納法的介紹

正所謂“工欲善其事，必先利其器”，科學(xué)的學(xué)習(xí)方法就像學(xué)習(xí)過(guò)程中的“利器”一樣，不但可以提高學(xué)習(xí)效率又能在有限時(shí)間里學(xué)習(xí)更多的知識(shí)。“歸納法”[1]是英國(guó)文藝復(fù)興時(shí)期哲學(xué)家弗蘭西斯·培根提出的科學(xué)方法，是指從現(xiàn)象到本質(zhì)的分析、具體到抽象的概括、從個(gè)別到一般的歸納。利用歸納法對(duì)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行總結(jié)可以化繁為簡(jiǎn)，快速了解所學(xué)課程的整體框架和精華，是一種非常高效的學(xué)習(xí)方法，被廣泛用在各個(gè)領(lǐng)域、學(xué)科和課程的學(xué)習(xí)，例如語(yǔ)言學(xué)、藥學(xué)、工程、化學(xué)等[2-5]。

然而，雖然很多課程尤其是復(fù)雜課程的學(xué)習(xí)中，很多教師都有提到要對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行歸納總結(jié)，而且歸納總結(jié)確實(shí)有效，但其實(shí)大多數(shù)學(xué)生并不知道如何歸納和總結(jié)，或者說(shuō)缺少有效的歸納總結(jié)“形式”。這相當(dāng)于是給學(xué)生布置了一個(gè)任務(wù)——對(duì)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行歸納總結(jié)，但是卻并沒(méi)有告訴學(xué)生如何完成這個(gè)任務(wù)，所以學(xué)生接到任務(wù)時(shí)無(wú)從下手，或者只是對(duì)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行羅列，例如抄寫書里的有機(jī)反應(yīng)式，這種情況只是完成了“總結(jié)”的過(guò)程，而沒(méi)有把那些反應(yīng)總結(jié)出規(guī)律，即未進(jìn)行“歸納”，故無(wú)法從全局去看所有知識(shí)點(diǎn)，知識(shí)仍然是散亂不成系統(tǒng)的。因此，對(duì)于復(fù)雜課程，進(jìn)行歸納總結(jié)學(xué)習(xí)很有必要，但更重要的是要有一種具體的、有效的歸納總結(jié)的形式，這樣才能讓學(xué)生明白教師下達(dá)的任務(wù)，才能發(fā)揮出“歸納總結(jié)”的作用。

2 “反應(yīng)樹(Reaction Tree)”的介紹及其優(yōu)點(diǎn)

歸納總結(jié)的形式多種多樣，有進(jìn)行簡(jiǎn)單的羅列，有分析對(duì)比，有圖表例如思維導(dǎo)圖[6]等，不同的課程適合不同的形式。對(duì)課本中的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)單羅列是最快速、最簡(jiǎn)單的歸納總結(jié)方式，但這個(gè)過(guò)程只是完成了“歸納”，卻未進(jìn)行總結(jié)，即缺少“分析對(duì)比”的過(guò)程，這種方法適用于相對(duì)容易學(xué)或章節(jié)間邏輯聯(lián)系不是很緊密的課程。相比較而言，思維導(dǎo)圖是一種更好的歸納總結(jié)方法，將龐大的信息用圖畫的方式進(jìn)行表達(dá)，直觀、簡(jiǎn)潔且生動(dòng)，它適用于信息量更大、更難學(xué)的課程。而與前述不同，筆者設(shè)想用“樹”來(lái)表達(dá)歸納總結(jié)的過(guò)程，因?yàn)闃涞慕Y(jié)構(gòu)分為樹根、樹干、樹枝和樹葉，是一種很明顯的總-分關(guān)系，樹根和樹干可以看成是“總”，而樹枝是“分”，樹葉相當(dāng)于更精確一級(jí)的“分”，一棵樹相當(dāng)于有一個(gè)“樹干-樹枝-樹葉”這樣一個(gè)層次分明、層層遞進(jìn)的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)從個(gè)別到一般的概括，即“歸納”的過(guò)程。例如，英語(yǔ)學(xué)習(xí)中眾所周知的“Family Tree”，把家庭成員間的關(guān)系歸納得非常清晰，很有利于理解記憶。如果將藥物合成反應(yīng)里的有機(jī)反應(yīng)也歸納總結(jié)為一棵樹，我們就可以稱之為“反應(yīng)樹(Reaction Tree)”。

將有機(jī)反應(yīng)用“反應(yīng)樹”來(lái)歸納總結(jié)源于筆者一堂課上的靈感。筆者在備課時(shí)就意識(shí)到這么多的有機(jī)反應(yīng)想要記下來(lái)而不混淆，對(duì)學(xué)生而言是件很困難的事情，因此一直在思考用怎樣的方法幫助學(xué)生記憶。一次在講緒論時(shí)，為了給學(xué)生解釋歸納總結(jié)的好處，筆者在黑板上隨手畫了一棵樹，用樹的“樹葉-樹枝-樹干”來(lái)比喻歸納總結(jié)的過(guò)程，“我們把每一片樹葉看成一個(gè)有機(jī)反應(yīng)的話，那么樹干和樹枝就是這些反應(yīng)的共同之處，把共同之處與各反應(yīng)的區(qū)別相結(jié)合，就能記住一類反應(yīng)，而不是一個(gè)或幾個(gè)反應(yīng)，從樹葉到樹枝、再到樹干的不斷精煉過(guò)程就是歸納總結(jié)的過(guò)程。”那一瞬間，筆者突然意識(shí)到，用一棵樹來(lái)總結(jié)每個(gè)章節(jié)的有機(jī)反應(yīng)可能真的是一種很好的歸納總結(jié)形式，于是課后試著畫了一下，發(fā)現(xiàn)“反應(yīng)樹”可以很好地將章節(jié)里看起來(lái)散亂的有機(jī)反應(yīng)有條理地進(jìn)行“梳理”，循著樹的“脈絡(luò)”，那些反應(yīng)之間的區(qū)別與聯(lián)系一目了然，是一種很有效、也非常適用于藥物合成反應(yīng)這門課的學(xué)習(xí)方法。因此在這門課程每個(gè)章節(jié)學(xué)習(xí)時(shí)，筆者都會(huì)要求學(xué)生用一張A4紙畫出這一章的“反應(yīng)樹”，大多數(shù)學(xué)生完成得出乎意料的好，部分學(xué)生反映這種方法確實(shí)可以記住更多的反應(yīng)，而且不容易混淆，甚至有些愛(ài)思考的同學(xué)畫出來(lái)的樹比我的都清晰、內(nèi)容更全面，有的同學(xué)還很有創(chuàng)意，總結(jié)出來(lái)的“反應(yīng)樹”并不是一個(gè)框架，而是外形像一棵真的樹。

3 “反應(yīng)樹”的畫法舉例

目前，我院制藥工程專業(yè)選用的教材是聞韌主編的《藥物合成反應(yīng)》第四版[7]，這本教材有個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)就是章節(jié)是按照反應(yīng)類型進(jìn)行劃分的，分為鹵化反應(yīng)、烴化反應(yīng)、酰化反應(yīng)、縮合反應(yīng)、重排反應(yīng)、氧化反應(yīng)、還原反應(yīng)和合成設(shè)計(jì)原理，經(jīng)過(guò)這樣劃分以后，每個(gè)章節(jié)的內(nèi)容之間有著外在清晰的區(qū)別與內(nèi)在緊密的邏輯聯(lián)系。首先，外在區(qū)別是試劑結(jié)構(gòu)的區(qū)別。藥物合成反應(yīng)的本質(zhì)是有機(jī)化學(xué)反應(yīng)，而有機(jī)反應(yīng)主要由“底物+試劑+催化劑+產(chǎn)物”組成，利用“試劑”的不同就可以很清晰地區(qū)分不同章節(jié)的反應(yīng)，例如鹵化反應(yīng)中的鹵化劑、烴化反應(yīng)中的烴化劑和酰化反應(yīng)中的酰化劑，它們?cè)诮Y(jié)構(gòu)上有很大區(qū)別，這樣可以避免學(xué)生在記憶的時(shí)候混淆，又有利于進(jìn)行歸納總結(jié)。其次，內(nèi)在邏輯聯(lián)系是它們反應(yīng)機(jī)理上的共通之處。不論是鹵化、烴化還是酰化，涉及的反應(yīng)機(jī)理仍然主要是親核和親電取代或加成，這又是這幾個(gè)章節(jié)之間的共同點(diǎn)，所以學(xué)生學(xué)習(xí)了第一章鹵化反應(yīng)，再學(xué)習(xí)烴化、酰化，就會(huì)覺(jué)得它們?cè)诒举|(zhì)上是相似的，從而有助于學(xué)生理解。例如第一章芳環(huán)鹵化、第二章芳環(huán)傅-克烴化和第三章芳環(huán)傅-克酰化均是芳烴親電取代反應(yīng)機(jī)理；第一章羰基α-位鹵化、第二章羰基α-位烴化、第三章羰基α-位酰化以及第四章的許多反應(yīng)涉及到的都是酸或堿存在下的烯醇式中間體或碳負(fù)離子中間體等等。基于教材的這個(gè)特點(diǎn)，我們?cè)谑褂谩胺磻?yīng)樹”對(duì)本書每章內(nèi)容進(jìn)行歸納總結(jié)時(shí)，完全是按照書中的章節(jié)進(jìn)行梳理的，沒(méi)有也不必重新去分類和歸納共同點(diǎn)。

下面筆者以第二章烴化反應(yīng)為例，介紹反應(yīng)樹的畫法。如圖1所示，首先，烴化反應(yīng)共分為3大節(jié)，從反應(yīng)樹很容易看出，這3大節(jié)的區(qū)別是發(fā)生烴化的反應(yīng)原子不同，分別為O-烴化、N-烴化、C-烴化；其次，每一節(jié)又分為若干小節(jié)，這是以發(fā)生烴化時(shí)底物的結(jié)構(gòu)類型決定的，例如O-烴化，含O的底物大家很容易想到醇和酚；然后，一類底物的烴化又根據(jù)使用不同的烴化劑進(jìn)行分枝，比如醇的烴化有四類烴化劑可以使用，經(jīng)過(guò)這樣一層層梳理下來(lái)，從烴化原子到底物類型再到烴化劑，相當(dāng)于對(duì)一類底物的烴化反應(yīng)完成了總結(jié)。此外，反應(yīng)里需要特別注意的地方還可以用其他顏色字體標(biāo)記，例如對(duì)試劑結(jié)構(gòu)有特殊要求的可以用藍(lán)色字體標(biāo)記，書中經(jīng)典的藥物合成實(shí)例可以用紅色字體列出藥物名字，以方便復(fù)習(xí)。依此類推，依據(jù)教材的分節(jié)很容易就可以畫出烴化反應(yīng)這一章的反應(yīng)樹。最終，整個(gè)反應(yīng)樹包含反應(yīng)類型、底物、烴化劑、催化劑和產(chǎn)物，把課本上幾十頁(yè)的內(nèi)容濃縮成一頁(yè)，完整地展示了全章內(nèi)容的框架，層次分明，條理清晰，一目了然。而且，通過(guò)在已有“樹枝”旁邊延伸出新的“樹枝”，我們可以在這棵反應(yīng)樹里引入更多的細(xì)節(jié)，使內(nèi)容不斷豐富，樹枝不斷豐滿。

圖1 烴化反應(yīng)章節(jié)的“反應(yīng)樹”

雖然用普通的羅列方法也可對(duì)本章內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)，但并不能很清晰地看出各個(gè)有機(jī)反應(yīng)間的區(qū)別與聯(lián)系，也更無(wú)從去發(fā)現(xiàn)規(guī)律，而“反應(yīng)樹”不同，它使這些知識(shí)有了層次感，各反應(yīng)間的相同與不同一目了然，這就像一條“混亂的隊(duì)伍”與一條“整齊有序的隊(duì)伍”的差別，“反應(yīng)樹”相當(dāng)于對(duì)“隊(duì)伍”進(jìn)行了整理，規(guī)律性更強(qiáng)，更易于被理解、記憶。它與思維導(dǎo)圖類似，也是一種基于圖形的歸納總結(jié)方式，使知識(shí)點(diǎn)之間的聯(lián)系很直觀、生動(dòng)，但同時(shí)它又區(qū)別于思維導(dǎo)圖，“樹干-樹枝-樹葉”這種總分關(guān)系更加層次分明，比思維導(dǎo)圖更能體現(xiàn)“總”與“分”之間的邏輯聯(lián)系。

4 結(jié)語(yǔ)

藥物合成反應(yīng)這門課程涉及的內(nèi)容均是有機(jī)反應(yīng)及機(jī)理，反應(yīng)類型很多，進(jìn)行歸納總結(jié)學(xué)習(xí)非常有必要，考慮到課程的特點(diǎn)和教材的編排方式，筆者認(rèn)為“反應(yīng)樹”式歸納總結(jié)具有更突出的優(yōu)勢(shì)，一方面反應(yīng)樹的繪制可以起到歸納總結(jié)法具有的快速熟悉全書內(nèi)容的作用，另一方面，樹的“樹干”“樹枝”就像全書的脈絡(luò)一樣，對(duì)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行了梳理，使內(nèi)容層次分明、條理清晰，這有利于幫助學(xué)生發(fā)現(xiàn)各個(gè)反應(yīng)之間的區(qū)別與聯(lián)系以及尋找規(guī)律，從而有助于學(xué)生理解、記憶，這是“反應(yīng)樹”式歸納總結(jié)法獨(dú)有的優(yōu)點(diǎn)。此外，在描畫反應(yīng)樹的時(shí)候，因?yàn)樾枰P(guān)注各個(gè)化合物的結(jié)構(gòu)、反應(yīng)位點(diǎn)，所以描繪的過(guò)程相當(dāng)于是一次復(fù)習(xí)，可以加深學(xué)生對(duì)化合物的了解，學(xué)生在此基礎(chǔ)上再去學(xué)習(xí)反應(yīng)機(jī)理，會(huì)感覺(jué)更輕松，而且總結(jié)出來(lái)的反應(yīng)樹還可以用于日后復(fù)習(xí)。總體上說(shuō)，“反應(yīng)樹”這個(gè)“利器”能發(fā)揮事半功倍的效果。