OBE理念下的有机合成教学——以药物的合成为例

■江苏省无锡市市北高级中学 邵 倩

成果导向教育理念作为一种先进的教育理念，自从引入我国以来，虽然已被应用于教育系统的多个层面，但是主要应用于高等教育课程改革，在初、高中基础教育教学中研究极少。为深入和细化成果导向教育理念在教育领域的研究，本文基于成果导向教育理念，以药物阿司匹林的发展史为线索，通过反向设计原则进行教学设计，使学生最终获得学习成果。

成果导向教育（Outcome Based Education，简称OBE）理念是一种先进的教育理念，以学生为主体，以期望学生获得的“最高学习成果”为目标，通过反向设计原则设计教学过程。成果导向教育最初由姜波引入中国大陆，并对其所包含的目标、假设、原则，以及指导程序和教学策略进行了较为详解的阐释。李志义首次在教育部引入成果导向教育概念，并尝试将其应用于高等工程教育改革，然后又详细介绍反向设计的思路、策略和要点。成果导向教育虽然在教育改革实践中取得了一些成果，但主要应用于高等教育课程改革，在初、高中基础教育教学中研究极少。为全面贯彻党的教育方针，落实立德树人根本任务，深入和细化成果导向教育理念在教育领域的研究，本文尝试将成果导向教育理念应用于高中化学课程教学中，以“药物合成”为例，通过反向设计原则对有机合成一课进行教学设计。

一、基本思路

基于成果导向教育的教学设计是一种以“最终学习成果”为目标，通过反向设计原则进行的教学模式。在反向设计中首先要确定“最终学习成果”，本文通过研习高中化学课程标准确定学习成果。其次预设教学评价，用于评价学生是否达成各阶段的学习目标。最后设计教学过程，本文以药物阿司匹林的发展史为线索，在反向设计过程中充分考虑学生的个体差异，进行细致的教学设计，使学生最终获得学习成果。

（一）最终学习成果的确立

有机合成是在介绍了烃及烃的含氧衍生物的结构特点和性质之后的一节课。通过本节课的学习，期望学生达成以下学习成果。

知识层面：掌握烃及烃的衍生物性质及官能团之间转化的方法；了解有机合成的过程和基本原则；掌握逆合成分析法在有机合成中的应用。

能力层面：通过逆合成分析法的学习，提高学生的信息迁移能力和逻辑思维能力；通过不同合成路线的评价，提高学生理论联系实际的能力和决策能力。

素养层面：从转化角度认识物质和反应，形成“结构决定性质”的观念；能基于已有的官能团的性质对物质性质结构及其变化提出可能的假设；通过有机化合物合成过程体会科学探究的过程，培养严谨求实的科学态度和探索未知、崇尚真理的意识；认识合成有机化合物对人类社会的重大贡献，激发学生对化学学习的兴趣。

（二）教学评价的预设

有机合成这节课涉及面广、综合性强，预设的教学评价包括：第一，能简单说出物质分离提纯的方法和确定物质分子结构的手段。因为人们对有机化合物的认识和利用不是从有机合成开始的，所以应该从天然动植物、矿产等自然资源中提取有机物，并利用相关手段确定其结构。第二，能正确识别有机物中的官能团，并熟知官能团的性质。第三，能对已知信息进行有效分析和处理，进行特定情境下官能团的转化，从而实现对有机物结构和性能的优化。第四，在限制性条件下，利用逆合成分析法实现目标有机化合物的合成，并综合分析多条合成路线的优劣。第五，在小组讨论中能积极发表自己的观点，并根据他人的评价和建议进行合理调整。

二、教学过程

（一）认识水杨酸

[展示]白柳枝叶

[投影]早在公元前约1550年，古埃及的文献上就记载用白柳的叶子来缓解伤痛。公元前400多年，希腊人用这种植物叶子的汁液来镇痛和退热。

[讲解]柳树中的什么成分具有如此功效？如何获得这一成分，并确定它的结构呢？

[回答]首先通过分离提纯的方法从柳树枝叶中提取这一成分，其次通过化学方法和仪器分析的方法确定它的成分。

[信息提示]1982年，法国人第一次从柳树皮中提取出可以治病的活性物质——水杨酸，又名邻羟基苯甲酸。

[投影]水杨酸的结构

[问题]水杨酸中含有的官能团有哪些？请预测它可能具有的化学性质。

[回答]水杨酸中有羧基和酚羟基两种官能团，预测水杨酸具有酸性、羧基能发生酯化反应、酚羟基能发生类似苯酚的反应。

[备注]成果导向教育理念以学生为主体，教师应该充分考虑学生的个体差异，提供多种学习策略，以期学生通过不同的学习途径达到同一学习效果。此处考虑到学生的基础差异，教师课前提供学习素材供部分学生自学。

（二）水杨酸的改性

[讲授]水杨酸具有很强的解热镇痛和抗炎、抗风湿的作用，但因其酸性较强，用于临床会造成严重的胃肠道反应。

[问题]已知：苯甲酸pKa=4.26，水杨酸pKa=2.95。结合已知条件和已学知识，如何克服这一问题呢？

[小组讨论并回答]基于充分的小组讨论，学生推测由于水杨酸中的酚羟基对羧基的影响，使水杨酸的酸性比苯甲酸强10倍以上，所以可以考虑利用化学反应将酚羟基反应掉，从而降低酸性；另外，水杨酸中的羧基是其具有酸性的主要原因，为降低水杨酸的酸性，可以考虑利用羧基的化学性质将其反应掉。

[信息提示]1898年，德国化学家霍夫曼将水杨酸与乙酸酐反应，使酚羟基乙酰化，制得乙酰水杨酸——阿司匹林。乙酰水杨酸水解产生的水杨酸起到治疗疾病的作用。

（三）乙酰水杨酸的合成

[任务一]结合所学知识和给予的信息，试用甲苯合成乙酰水杨酸，无机试剂和其他简单有机试剂任选。

[问题]有机合成的基本思路是什么？

[思考并回答]从目标产物乙酰水杨酸出发，合成乙酰水杨酸的原料是水杨酸和乙酸酐，再考虑如何利用甲苯合成水杨酸。

[讲授]非常好，这种合成思路称之为逆合成分析法。请同学们尝试利用甲苯合成乙酰水杨酸。

[思考，小组讨论并回答]学生结合所学知识和给予的信息，大致设计出如图1所示的3条路线（反应条件已省略）。

图1 阿司匹林的合成路线

[问题]请同学们评价这3条路线。

[讨论并回答]路线1先将甲基氧化成羧基，再在羧基邻位引入氯原子；路线2先在甲基邻位引入氯原子，后续步骤中再将甲基氧化成羧基。我们认为路线1不正确，因为苯环上的羧基是“间位”定位基团，第二步中的主要产物是间氯甲苯而非邻氯甲苯。路线2中苯环上的甲基是“邻、对位”定位基团，第一步除了生成邻氯甲苯以外还会生成对氯甲苯，要想获得较多的邻氯甲苯，就要注意控制反应条件。路线2中先将邻氯甲苯中的氯原子水解生成酚羟基，再将甲基氧化成羧基；路线3中先将邻氯甲苯中的甲基氧化生成羧基，再将氯原子水解生成酚羟基。我们认为路线3比路线2合理，因为如果先将氯原子水解生成酚羟基，酚羟基会在后续氧化步骤中氧化。

[归纳]同学们的分析非常精彩！通过分析比较，我们知道芳香族化合物合成路线设计要考虑基团定位效应，选择合适的顺序；有机合成路线的设计要注意控制反应条件，尽量不生成或少生成副产物；同时要考虑反应的顺序，注意某些基团的保护。

（四）阿司匹林的缓释

[讲授]霍夫曼将水杨酸的酚羟基乙酰化制得阿司匹林大大降低了其酸性，减轻了药物的副作用。但乙酰水杨酸仍具有酸性，为防止其酸性刺激胃黏膜，药物化学家进行了更深入的探索研究。1982年拜尔公司将阿司匹林与聚甲基丙烯酸羟乙酯反应，制得缓释阿司匹林（如图2所示）。

图2 有机物的结构简式

[任务二]请你根据逆合成分析法，分析合成缓释阿司匹林的原料，并尝试以异丁烯为原料合成缓释阿司匹林。

[思考并回答]通过逆合成分析法，多数学生都能得出缓释阿司匹林的合成原料是甲基丙烯酸、乙二醇和乙酰水杨酸，并成功写出缓释阿司匹林的合成路线。

（五）阿司匹林的结构修饰

[讲授]从缓释阿司匹林的制备中得到什么启发？

[思考并回答]羧基的化学性质相对比较活泼，我们可以通过羧基的化学反应将乙酰水杨酸和其他分子结合起来。

[问题]同学回答得非常好！早在1965年荷兰化学家将阿司匹林和另一种解热镇痛药——对乙酰氨基酚“拼接”在一起合成贝诺酯，请尝试写出贝诺酯的结构简式，并思考其可能的优点。

[讨论并回答]通过之前的有效分析，学生能顺利写出贝诺酯的结构。关于贝诺酯的优点，有的学生提出：贝诺酯对胃刺激较小，作用时间长，能同时发挥阿司匹林和对乙酰氨基酚两种药物的功效。

[问题]通过贝诺酯的合成，我们对药物合成有了一定的认识，你认为哪些药物分子有可能与阿司匹林“拼接”形成新药？

[回答]分子中含有羟基的药物分子有可能与阿司匹林“拼接”形成具有多种功能的新药。

[引导提问]这节课以阿司匹林的发展史为线索，学习了药物的有机合成。同学们学到了什么？有何感受？

[回答]我们利用逆合成分析法合成了阿司匹林，在有机合成过程中要关注反应的先后顺序、注意反应条件的控制和基团的保护；通过这节课的学习，我们体验了科学家合成药物的过程：自然界发现并提纯药物——人工合成药物——药物的改性——药物的结构修饰。