通过有机化学中的逆合成分析和点击器培养解决问题的能力外文翻译资料

通过有机化学中的逆合成分析和点击器培养解决问题的能力

Alison B. Flynn*

Department of Chemistry, University of Ottawa, 10 Marie Curie, Ottawa, Ontario, Canada K1N 6N5

摘要：本文介绍了一种在逆合成分析背景下解决问题和批判性思维技能的独特的教学方法。在这种方法中，通常只看到简单的有机结构的有机化学导论学生，对真实复杂的合成目标进行部分反合成分析。问题可以有多种合理的答案，这为培养学生的批判性思维能力提供了基础。这里描述了一个编号系统，使学生能够提交一个或多个问题的数字点击器答案，由此展示许多他们设计的来断开这些复杂的合成目标的方法。使用点击器程序的直方图函数可以很容易地测量占多数的学生的答案，这为多种相关的综合分析提供了基础，即使是在中等规模到非常大的班级，也能及时、定期和相关地反馈给学生。

关键词：本科生一年级； 本科生二年级； 以计算机为基础的学习； 解决问题/决策； 测试/评估； 化学应用； 药物/药品； 天然产物； 合成

学生获得解决问题和批判性思维的技能是获得更高层次思维的必要条件;然而，学生往往很难发展这些技能。当要求他们解决一个新的问题或一个在新的条件下的问题，这两种技能的缺失就很明显了。表1呈现了专家和新手所展示的一些解决问题的能力的比较。尽管专家常常对于对复杂的问题充满好奇，但如果答案并不明显的情况下，新手往往会脱离题目本身。专家会花时间探索问题并制定解决方案的策略，而新手则会尝试将给定的信息代入方程或使用预先确定的解决方法。专家根据原则对信息进行分类，而新手则倾向于将信息视为一组不相关的事实，并试图相应地记忆。一旦达成了解决方案，专家就会审查、修改并从过程中学习，而新手往往只是继续前进。明确的教学和建模解决问题的技巧可以帮助学生成为更熟练的问题解决者。

及时、定期和相关的反馈是在这个学习过程中的重要因素，尽管在大班教学中向学生提供反馈是一个特别的挑战。个人响应系统，或点击器，正越来越多地被用于评估学生的理解，并向学生提供反馈。在有机化学课程中，学生能够提交数字反应，从而发展出基于机制的点击题，学生也可以通过从编号列表中选择他们想要的起始材料和试剂来设计合成。这些发展为学生和教师提供了衡量对那些很难用标准的多项选择题来评估的重要概念的理解的方法。

表1 新手和专家问题解决者的特征比较

综合设计需要更高阶的思维能力，包括很强的问题解决能力和批判性思维能力。在高级课程中，有许多学习有机合成的方法，包括全合成的研究，成功的合成目标策略的比较，以及要求学生自行设计合成化合物的作业。在一些高级课程中，小班教学还有一个好处，那就是可以有更多的师生互动。在这个层次上，合成目标具有足够的复杂性，必须要进行逆合成分析。

教学反合成的另一个挑战是设计问题，以确保学生学会真正的逆合成工作。当初级和中级水平的学生被要求对一个简单的化合物进行逆合成分析时，他们通常会设法回避逆合成分析的过程。他们经常写下正向合成，然后再反向复制。通常很少有证据表明他们进行了头脑风暴或对其他可能性进行分析，而这两种特征都可以在更高级的问题解决者身上看到。虽然一个复杂的合成目标需要一个真正的逆合成分析，但是这些早期课程的学生还没有准备好完成完全复杂必须要完全的反合成分析的合成。

在这里介绍了一种在逆合成分析背景下解决问题和批判性思维技能的独特的教学方法。在这一方法中，有机化学导论的学生，通常只看到简单的有机结构，并且只有一个正确答案来解决问题，将进行真实复杂的合成目标的部分逆合成分析。大多数问题都有可能有多个合理的答案，这是现实的，而且为学生的批判性思维能力的发展提供了基础。重要的是，开发了一种新的方法来询问有关复杂合成目标的问题，可以使用点击器来回答。这种方法提供了一种收集和分析学生们设计的多种答案的方法，特别是在大班授课的情况下,也使教师能够及时、定期地向学生们提供相关的反馈。

课堂练习

合成目标要有足够的复杂性，让学生必须要逆向分析的结构，并且难以用正向合成策略解决。他们不需要设计一个完整的逆合成，而是使用他们已知的反应来解构目标。开始时，学生们不需要考虑副反应或竞争反应、保护基团或反应的顺序。

完成逆合成分析的第一步是能够识别表明特定化学反应的目标的模式。例如，在学习醛醇反应时，强调了醛醇产物(1)中的1,3关系，以及醛醇产物脱水后产生的alpha;、beta;不饱和羰基(4)(方案1)。

方案1.（A）Aldol的逆合成断开和（B）Aldol缩合反应

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图1

一旦学生们看到并有机会在简单的化合物中识别出这种模式，他们就会看到一个更复杂的目标，如圆皮海绵内酯(8，图1)，一种被发现是肿瘤细胞生长的有效抑制剂的天然产物。要求学生们在这个目标中找出一个可能的醛醇反应位点，并以###的格式在点击器上输入答案。例如，如果一个学生在碳1、2和3上发现了一种可能的醛醇产物，他就会输入123作为答案。学生的答案分布情况如图1所示。因为点击器程序中的设置可以设置为显示结果的直方图(例如，前10个答案)，即使在非常大的班级中，也可以直观地从视觉上获得学生的关键答案和错误的定性理解。有趣的是，一些学生认出了一种可能存在于不同氧化态的羟醛产品，例如答案“345”和“567”。答案“789”可能识别出的醛醇产物更难识别，因为它是脱水和羰基还原的产物，但仍有一些学生能够识别出这种模式。这个点选题设计的另一个好处是学生可以看到并分析同学们给出的各种答案。在这个练习之后，学生们被要求画出可以用来产生前一个问题中确定的一种醛醇产品的起始原料。

然后，要求学生们确定在预期的醛醇反应中可能存在问题的任何官能团，并提出解决方案。在随后的课堂讨论中，学生们确定保护基团是避免竞争性反应的一种方法。他们还建议在有问题的官能团进入之前进行必要的反应，立体和区域化学方面的考虑也可以在这一点上进行讨论。 这些学生尚未能够准确指定要使用的功能组或应按什么顺序进行这些反应，尽管如此，他们还是证明了他们是通过逆合成的策略来思考的。

尽管学生们通常在有机化学课程的后期学习更高级的反应，如羟醛反应，但在他们学习的早期，依然可以问入门级的学生上述类型的问题。例如，在一节课上，学生们只学习了酸碱、S_N2和S_N1的反应，要求学生们用书面形式识别，最近发现的虎胆烯二萜天然产物中，所有可能由S_N2反应形成的键和所有可能由S_N1反应形成的键（原子和键最初没有标记或着色）。随后，他们被问到有多少想法是通过点击问题确定的，调查显示，15%的人没有提出任何想法，20%的人提出了1-4个想法，近一半（48%）的人提出了5-10个想法，17%的人提出了10个以上的想法。第二个问题的答案被用作比较新手和专家问题解决者的基础。向学生们解释了表1，并要求他们在未来的问题中写下至少10个类似于图1所示的想法。

随后，向学生提出了以下问题：“确定同一天然产物中可能由S_N2反应形成的两个红色键。使用答案格式###，先写最低的数字。”例如，如果一个学生认为键8和键9可以由S_N2反应产生，她可以提交89作为她的答案回答。甚至在一个有数百名学生的大班里，最多的答案可以通过阅读最热门结果的柱状图来快速、轻松地确定。考虑到学生们刚刚学会了有效的S_N2反应的基本标准，这只是他们在课程中看到的第二种反应类型（第一种是酸碱反应），通过S_N2反应可以形成键2、键4和键6的主要反应是非常合理的。在课堂上，讨论了什么是键二的适当反应物（即卤代烷，而不是卤代烯），以及讨论了通过S_N2反应生成键三（酯键）或键九（叔醇）的不适宜性。令人惊讶的是，很少有学生认为键1是一个合适的化学键，因此要求学生解释为什么他们没有包括该键。许多学生将其理解为烯醇键（即，他们没有意识到羟基与亚甲基结合，而不是直接与双键结合），因此，对线结构进行了修正或提醒。

为了帮助学生达到更高的思维水平，要求学生确定适当的反应以在复杂分子中形成特定的键或基团。由于目标的复杂性，他们除了要整合课程不同部分的知识外，还必须进行逆向思考。对于以下fentanyl的逆合成分析（图2中的10），要求学生写下可用于合成每个所示键（A，B和C）的反应。以红色表示的键可以通过S_N2反应生成，该键作为学生的示例。所需的反应可以在合成中的任何一点进行。然后显示反应选择，并要求学生将他们的每个反应依次输入到答题器中（格式为###）。例如，如果一个学生想酰化胺以生成键A，硝酸苯生成键B，然后生成亚胺生成键C（随后将其还原），那么他将输入937。给出9种以上的反应选择，可以要求学生在每个答案之间输入一个“ 0”，以区分一位数字和两位数的答案。学生答案的摘要如图2所示。即使在有数百名学生的大型班级中，主要通过读取最受欢迎结果的直方图，可以快速轻松地评估答案。这种方法是成功的，并且确实要求学生“逆向合成”地思考。通过一起提出几个问题，可以节省问题的准备时间。提出此类问题也揭示了常见的错误和误解，如图2的反应所示。例如，许多学生没有区分Friedel-Crafts酰化反应和标准酰化反应（键A）。其他人忘记了在sp²中心无法完成S_N2反应（键B）。

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图2

在此问题类型的扩展中，要求学生确定以哪种顺序进行每个反应并确定可能出现的问题。例如，那些想进行S_N2反应以合成键C的人必须考虑降低苯胺或酰胺氮的亲核能力。在课堂上，这是回顾还原胺化优势的时机。还可以问学生一些需要使用答题器或在线作业或考试进行逆向分析的问题。当使用在线作业程序设计问题时，可以要求学生识别与给定反应类型有关的原子，他们可以是要求绘制给定化合物的起始原料，或者要求他们确定可用于合成特定官能团或键的适当反应。在考试中，可以要求学生确定复杂目标的适当的反合成断开连接。此外，还可以要求他们进行分析，集思广益，并解释为达成最终综合路线而做出的策略，这是解决问题和批判性思维过程的重要组成部分。

讨论

使用真实的和相关的合成目标尤其令人兴奋，因为它提供了讨论每种化合物方面的机会，包括其发现，其药用价值，现有合成的方面以及大规模合成的考虑因素。实际上，对内酯的讨论引起了如此大的兴趣，以至于一些学生在课后设计了自己的完整合成器。学生所经历的挑战直接向他们表明了为什么开发新的和改进的产品和方法需要那么多的时间，金钱和精力。目前正在进行研究，以评估这种方法对学生解决问题和批判性思维能力的影响。将在使用此方法的组与未使用此方法的组之间比较学生设计有机合成和逆合成的能力。将对学生在其他类型问题上的问题解决能力和批判性思维能力进行分析，并再次对上述各组进行比较。这些研究的结果将在适当时候发布。

总结

描述了一种在逆合成分析的背景下教授解决问题和批判性思维技能的独特方法。通过这种方法，有机化学入门学生通常只看到简单的有机结构和问题，只有一个正确的答案，他们对真实和复杂的合成目标进行了部分逆向合成分析。合成目标物具有足够的复杂性，以至于学生必须进行合成后的分析。对于大多数问题，可能有多个合理的答案，这为批判性思维技能的发展奠定了基础。重要的是，为学生提供了一种新方法来回答涉及这些复杂综合目标的问题。开发了一种编号系统，使学生能够同时提交单个或多个问题的数字答题器答案。使用答题器程序的直方图功能可以轻松地评估学生的主要答案，这为基于学生自己的回答的多个相关逆向合成分析提供了基础。通过查看和分析同龄人的不同反应，学生也可以从中受益。通过这种方式，特别是在大班教学中，向学生提供了及时，定期和相关的反馈。

通过对这些复杂目标进行逆向综合分析，学生练习了解决问题和批判性思维的能力，这在生活的许多方面都很重要。明确鼓励他们，并给他们提供集思广益，认识模式，概括事实和原理以及将课程不同部分的知识汇总在一起的机会。通过发展更强的解决问题能力和批

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