有机合成化学课程教学研究与改革

陈 洋

(贵州大学精细化工研究开发中心，贵州 贵阳 550025)

有机合成是合成化学的一个分支，主要是经由各种单元反应来构筑有机分子，有机合成化学的研究对人类社会的发展，工业进步，人类文明进步都具有巨大的推动作用[1]。对整个有机化学学科的发展具有重要的推动作用：促进从分子水平揭示生命奥秘，助推农药、医药、材料等功能分子的研究开发。有机合成化学是高阶合成有机化学研究的重要内容和组成部分，科学学习过程中能够较好地训练学生掌握有机分子结构特征、官能团转化、环系构建、立体手性中心构筑，并在此基础上逐渐掌握较为高阶的逆合成策略分析、正向合成路线设计等基础理论与技能，通过对骨架结构较为复杂的天然产物全合成策略案例研究，从而全面训练和提升有机化学相关专业高年级本科生的有机合成思想和能力。为适应以“化学中心学科”理念和学科素养人才要求以及快速发展的学科系统知识需求，培养具有理论基础扎实和实战经验丰富的化学生物学专业本科生，本文从有机合成化学课程的历史地位、课程模式现状分析，探索课程教学新方法，通过深刻的教学改革和实践，得到了学生和相关老师的认可。

1 有机合成化学课程的历史地位

著名有机合成化学家R.B.Woodward教授指出自然界中物质的合成，可能比有机化学的任何其他领域中的活动都要大，它提供了一种科学条件和力量的量度。因为合成目标很少是偶然的，是最艰苦的，或是最受启发的，纯粹的观察活动也不足够[2]。

科学家普遍认为，21世纪是生物的世纪，而化学则是中心学科，有机化学是化学的中心领域，有机化学领域的中心却是“有机合成”[3]。化学家们在有机合成领域中展现着前所未有的创造能力和非凡的智慧。20世纪是有机合成化学发展最为迅猛的一个时间，在这个极具创造力的时代，一批光芒闪耀智慧超群的天然有机合成化学家应运而生，他们是R.Robinson(生物碱领域做出卓越贡献，并于1947 年获诺贝尔化学奖)、R.B.Woodward(复杂天然产物全合成领域做出卓越贡献，被称为有机合成之父和20世纪最伟大的天然有机化学家， 并于1965年获获诺贝尔化学奖)、E.J.Corey(因其在逆合成分析及复杂骨架天然产物全合成领域做出卓越贡献而获得1990年诺贝尔化学奖)等几位最具代表性的大家[4-5]。

有机合成化学在医药工业、农药工业、高分子材料、光电材料等领域正发挥着巨大的作用和能量，高通量筛选、组合化学、有机催化等新兴领域的发展，推动了合成有机化学的快速发展[6]。

2 有机合成化学课程教学现状

“有机合成化学”是贵州大学化学生物学专业本科生专业选修课程，目前所采用的教材是王玉炉的《有机合成化学》(第二版)，课程设置将从官能团化及官能团、酸催化缩合与分子重排、有机合成试剂、逆合成分析与合成路线设计、基团的保护与反应性、不对称合成反应、氧化反应、还原反应、近代有机合成方法等基础知识教学[7]。巩固有机化学基础知识和技能，提升化学生物学专业知识，能够基本满足目前的基础教学需要。然而，作为高年级本科生的专业选修课程，所涉及的教学内容和知识体系尚无法满足较高层次的需求，尤其对于直接在本科学习以后走上社会有机合成相关工作岗位的学生，直接的感受是知识不系统，较为陈旧，缺乏实用性。同时，由于当前存在课时少，教学内容多，学生基础参差不齐等因素，导致“有机合成化学”课程在教学过程存在一些弊端。

2.1 陈旧的教学内容

近年来，有机化学大类学科取得了长足的进步，就高端学术论文而言，其数量居世界前列。然而学科发展几步均衡，缺乏引领学科发展的国际前沿视野和成果，且出现了各分支学科发展不均衡，在方法学和催化领域的研究积累了较多的人力物力财力，在研究周期长难度高汇报慢的天然产物全合成等分支领域存在人员萎缩等问题。

学科发展不平衡的突出问题导致了教学教材不均衡，在教学内容上更多倾向于官能团、转化、反应、基元反应、试剂概念等知识的讲解，这些主流教材一直占据高等学校有机合成化学课程教学的主要地位，缺乏更加全面与时俱进的高质量教材。当年的教学模式是以知识的梳理和单元反应经典案例为主，甚至很多知识存在错漏不全面，出现误导学生的严重缺陷。因此，拯需一套高质量的现代化有机合成化学教学内容和教学方法[8]。

2.2 落后的教学观念

传统的教学观念是本课程一直沿用的主体思想[9]。在教学科制定教学计划以后，按照教学计划沿用一套前年不变的教学大纲，围绕教学大纲编撰教学日志，仅仅修改日期即可。围绕教学大纲，按照教学日志严格遵循教材主要内容，以一套标准化PPT课件配合着一本有着悠久历史的《有机合成化学》(第二版，王玉炉)教材，采用讲授为主的教学模式。在讲解课程的同时，学生一定会在课本与课件之间准确地找到对应点或重复点。在这种教学观念的指导下，老师们比较轻松地完成每一堂课程，或有几位勤奋好学的学生对书本知识提出疑问，老师也能够从经典案例中准确找到答案。其实，对于多年上这门课的老师来讲，上课仅用一支U盘即可，而且可以做到激情澎湃抑扬顿挫而令人望而却步。比较纯粹的理论有机合成化学课程就这样年复一年进行着，教学观念受到严重束缚，逐渐形成了重理论轻实验的教学现象。

2.3 单一的授课模式

在授课模式方面，传统教学模式是教师讲授为主，多年来沿用的一套以教科书基元反应为主要内容的教学课件，教师对照教学课件念给学生，这种填鸭式教学模式已经根植深入，积重难返。面对参差补齐的学生水平，导致学生听课积极性大打折扣。此外，在陈旧的教学理念指导下开展的单一理论授课模式，导致开展了纯理论课，而没有实验课程。学生就业的时候面临高薪高端企业和知名高校的招生面试望而却步，原因皆由当前教学观念与授课模式所决定。在外包研发实战及复杂结构骨架的天然产物全合成及药物研发过程需要比较庞大系统的有机合成专业知识，并能够有较为熟练的实战经验，才能胜任相关工作。由于单一课件与教材配套开展有机合成这样的以实验为主的课程授课模式，必将导致学生被动听课接受陈旧的知识，无法满足求知欲强的学生需要深度学习的需求，很难激发高年级本科生的学习兴趣，不利于培养具有创新思维的高质量本科生。

3 有机合成化学的教学改革与实践

科技进步必将带动社会进步，极具创造力的有机合成化学家们为人民群众日益增长的物质文化需求提供了较为丰富的生活必需品，包括日用品、日化品、建筑材料、药物等。然而，科学的发展总是难以满足不断发展的社会需求，学科的发展已经很迅速。永动机的理想仍没有过时，完全反应及完全选择性有机反应仍是合成有机化学家们不断探索和进去的动力。应用的需求带动着研发的需要，高品质的研发产品，需要优秀的研发人员的努力，而有机合成化学的知识系统在不断得到补充，比如化学选择性、立体选择性、区域选择性、原子经济型、绿色生态观念在逐渐变化，应运而生一些新反应、新催化剂、新方法、新策略和新思想。这些高速发展的科学知识增加了有机合成化学专业学生知识能力的需求，要求本专业学生具有更加系统完整前沿的知识体系，具有创造力，能够在实际研发和生产中发现问题解决问题。因此，经过精心设计和反复思考，针对有机合成化学课程的教学观念、授课模式、教案设计、参考教材选择、考核方式等进行了较为系统深入的改革。

3.1 科学选择教学内容

本课程是在二年级完成了《有机化学》专业课程的基础上开展，在此课程的上篇研究生对有机化学分子结构及理论已建立了一整套比较全面而深入的认识，该课程的下篇主要讲解了官能团及官能团转化的相关知识，对常见的一些缩合、消除、氧化、还原、催化、周环、重排等七大反应进行了较为系统的归纳总结。在此基础上，第二学期开展《有机合成化学》课程，对于有机化学专业学生来讲显得顺其自然、水到渠成。

基于此，有机合成化学课程选择的教学内容可以逐级拔高。首先，通过前言介绍有机合成化学课程的教学内容、教学模式、考核方式，并分配给每组学生1个天然产物分子作为学期末进行课程讨论和考核的作业；其次，系统介绍复杂分子合成策略的分类，并比较每种策略的异同；再次，以经典天然产物(Cephalotaxine、Strychnine、Quinine、Manzamine、Arteminsinine、Vindoline、Minfiensine)和药物分子(Indolizomycin、Vancomycin)为研究对象，教师系统地对分子的分离提取、结构确定、生源合成、逆合成策略设计、合成路线执行、关键步骤的机理分析进行讲解；最后，每个学生讲解他们独立分析设计完成的合成策略和路线分析。

3.2 提高课程的重视程度

通过化学生物学专业本科课程设计和教学大纲修订，本专业在入学的第三、四学期开设了《有机化学》课程，学生通过系统学习，建立了较为系统全面的有机结构和有机反应的认知。于第五学期开设了《有机合成化学》课程，对于化学生物学专业学生来讲显得顺其自然、水到渠成。

3.3 引入英文专业教材

化学生物学专业是贵州大学植物保护是国家“双一流”重点学科开设的本科生专业。为培养国内国际高端本科毕业生而合理设计了本课程，部分学生在大二时可能被选派国际交流学习。通过设计英汉双语教学教案，引入英文原版有机合成专业教材作为主要参考书目，选择近年来发展的经典合成案例设计到教案中，可以让本课程教学内容与本领域科学前言同步。在设计课程教案时，制作高质量全英文PPT课件的同时，制作一套英汉对照讲义，并将PDF版本分章节发放给学生。每一堂课程内容围绕一个核心主题教授，课前发放教案及参考文献。通过引入英文参考书，制作英文讲义，带动学生阅读国际前沿专业文献，提高了学生在国际水平的适应能力。所选择的教材有Wiley出版的系列教材，Michael B.Smith教授主编的Organic synthesis(3rd ed, 2011)。并推荐学生阅读较为高级的有机合成专业书籍，如K.C.Nicolaou教授主编的Classics in Total Synthesis I, II, III三部曲，1973-1998年持续更新的系列丛书The Total Synthesis of Natural Products Volume 1-11卷，2013年Vasyl Andrushko和Natalia Andrushko主编的Stereoselective Synthesis of Drugs and Natural Products两卷合集，Douglass Fleming Taber从2003年至今，持续更新的Organic Synthesis: State of the Art共有六卷。

通过专业英文教材的引入，强化了学生对专业知识的系统性和专业性，学生通过阅读英文教材，与授课内容更加容易衔接。当前，我国研究教学国际化的趋势日益普遍，英文教材的选用有助于提升本专业的国际化水平和能力。

3.4 调动学生学习主动性

以往的被动接受，上课认真听讲，下课抛之脑后，考前突击辅导，导致大量学生为了学分而应付课程的做法比较普遍。实施教学改革以后，学生学习主动性得到了极大增强。

首先，课前做好预习。针对下节课要讲授的知识提前布置相关要点，请课程助理将相关文献发到每一位学生手中，让学生提前熟悉相关预授课程内容提要。其次，课堂讲解过程中注意积极引导学生思考问题，避免出现成就知识和乏味的读课件和读课本的现象发生。最后，课后要布置小组讨论的思考题目，并以学习小组讨论方式形成相关知识的简要汇报提纲，便于下节课当中进行讨论学习。经过以上方法实施，提高了学生的学习主动性，课程效果显著增强，反响较好。

3.5 讲授与讨论互动的教学模式

由于有机合成化学课程知识庞杂，内容较多且分散，革新教学模式有助于提高教学效果。在教学设置上要下足功夫，精心设计每一个课件，把握难度，引导学生组成学习小组，做好课前充分预习。课堂上老师讲授的知识较为全面系统的覆盖了发放给学生的课程讲义，但与讲义不雷同，两者之间形成较好互补。这样让学生提前阅读课程讲义、参考文献和参考书籍后带着问题来主动听课，在听老师讲授课程的过程中逐渐达到解惑。针对个别较难的问题，允许学生当堂提问，并与学生形成较好的互动。每次课程留足够的时间复习上节课程知识，以及总结本节课的知识要点。例如在讲解Strychnine分子的课件准备时，将题目定位“The Strychnine Synthetic Problem”，首先引入几篇关键学术论文和综述：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.然后讲解分子的结构特征以及合成策略分析。每次课程结束都会留有思考题目或文献书籍，便于学生复习巩固知识。

在教授理论课程的通知，设计了一点稍微有一点难度的分子，让学生开展综合有机合成大实验，提高了学生实战能力。

此外，在本课程开设的第一次课程就要布置一个中期考察作业，即将班级学生分成若干小组，每组2～3人，共同完成以下天然产物分子的合成路线设计。通过前期布置的课程分子合成任务，学生经过课程学习以后，可以自主设计复杂结构天然产物(如图1所示)的全合成策略，在中期考察的时候请几位经验丰富的老师作为评委，听取学生小组汇报所选天然产物分子全合成路线策略，以及分析关键步骤的反应机理。

图1 学生研讨课程参选天然产物分子Fig.1 Natural product molecules selected for student seminar

通过教师教授-学生学习-学生讲解的模式，激发了学生的学习主观能动性和创造性思考问题，部分学生所提供的合成策略具有很好的可行性和创新性。

3.6 合理化考核模式

知识的学习需要有一个合适的检验方式，传统的考核可以在一定程度上检验学生学习的成效。然而，随着知识的更新，教学模式的变革，沿用传统的考核模式已经不能够适应新的形势。因此，本课程采用平时成绩占比40%(主要包含出勤率，课堂参与程度等)，期终成绩占比60%(主要包括课程课件的制作和讲解，目标天然产物合成策略的设计路线的可行性和创新性，关键步骤问题分析的知识透彻程度等)，学生期终讲解目标分子设计的路线过程中，请相关学科的老师2～3名参与作为评委，综合评定后给出一个合理分数。

4 结 语

经过阶段性教学改革与实践，笔者所开设的化学生物学专业《有机合成化学》课程教学研究与改革已取得较好成效。课前精心制作英文课件、中英双语讲义、推荐参考文献和书籍以加强学生接授知识的能力，极大地提高了学生学习的主动性。在授课中，采用多媒体讲授融入前沿科研案例，辅助以学生研讨讲解复杂骨架分子合成路线策略，以激发学生应用知识的能力和创造力，教学效果得到极大提升。有机合成综合大实验的开展，提高了学生实战能力，使得原本枯燥无味的课程变得生动有趣。