《有机化学实践：在CURE框架下通过维蒂格（Wittig）反应及环氧化实验促进学生学习》

《Journal of Chemical Education》：Organic Chemistry in Practice: Student Learning from Wittig and Epoxidation Experiments in a CURE Framework

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基于课程的本科生研究体验（CUREs）在本科教学实验室中已成为培养科学素养、增强信心以及提高面对障碍容忍度的有效工具。然而，在主要以本科教育为主的机构（PUIs）中，很少有展示这些成果的实例，这主要是由于规模限制和教师支持方面的不足。本文描述了一个为第二学期有机化学学生设计并实施的研究项目，该项目包括一系列多周的活动，内容包括使用肉桂醛进行维蒂希反应以及随后对不对称二烯维蒂希产物的环氧化。学生们合作收集反应条件数据，并在项目结束时进行展示，从而培养了他们的沟通和协作能力。此外，学生们还被要求提供定量和定性的反馈。评估数据显示，学生的自信心、应对挫折的能力、识别实验挑战的能力以及展示技巧都有所提高。这项工作为未来将 CURE 的成果和目标适配到主要以本科教育为主的机构提供了范例。

**引言**
在本科化学入门课程中，定期进行实验练习已被视为重要的学习环节。(1,2) 最近的教学研究指出，本科教学实验室中的研究体验能够带来多方面的益处，包括提高学生在研究中的“障碍容忍度”、早期培养必要的沟通技能以及增强对 STEM（科学、技术、工程和数学）领域的持久兴趣。(3?9) 尽管成效显著，但对许多学生来说，特别是对于第一代大学生和低收入家庭的学生来说，参与研究体验仍然存在困难，因为他们往往不了解大学生活的隐藏要求，更不知道如何应对这些要求。(10?12) 在 STEM 课程中开发并实施基于课程的本科生研究体验（CUREs）是一种改善本科生研究机会平等性的方法。(13,14) 一个典型的 CURE 包含五个主要组成部分：发现或研究、与更广泛受众的相关性、与其他研究人员的合作、实验迭代以及科学实践的应用。(14,15) 虽然基于研究和探索的实验课程早已存在几十年了，(16,17) 但 AUCHINCLOS 及其同事在 2014 年发表的开创性报告首次定义了 CURE(14)，这促使所有主要 STEM 领域的教学实验室中都开始大量报道类似的实践，包括化学领域。(19) 根据 Watts 和 Rodriguez 在 2023 年的综述，生物化学和有机化学领域的 CUREs 是报告最多的。(19) 这些项目范围从多周项目到整个学期项目，甚至有些项目会延续到下一学期的课程中。(25) 考虑到管理大型班级实验项目所需的工作量，主要以本科教育为主的机构（PUIs）报告的 CURE 数量相对较少。(19) 与拥有大量博士研究生教师的大型机构不同，后者可以通过配备专门的研究生助教（TAs）来缓解这一问题，而 PUIs 通常缺乏相应的助教或教师支持。本文详细介绍了哈弗福德学院第二学期有机化学实验室中的一个八周 CURE 项目。在整个 8 周的学习过程中（ semester 共 14 周），学生们被要求计划并解决维蒂希反应（使用肉桂醛针对不对称二烯产物）、扩大反应规模、纯化维蒂希产物、计划并进行环氧化反应，并向同学展示他们的研究结果（图 1）。为了评估该项目的有效性，研究人员对学生进行了匿名调查，以了解他们对项目准备的准备情况、数据处理方式以及面对挑战时的应对方法。调查在项目的中期和结束时进行（具体问题见支持信息 SI）。

**机构信息**
哈弗福德学院是一所位于宾夕法尼亚州费城郊区的私立文理学院，学生人数约为 1,400 人。(27) 在哈弗福德学院，学生通常在大二时选定专业。许多参加有机化学课程（CHEM 222 和 225）的学生已经是该学院的第二年学生。在学期末的匿名反馈中，学生们经常提到他们在有机化学课程中的经历和互动对他们选择专业的影响。哈弗福德学院的化学系是该校多个 STEM 系之一。作为化学专业的学生，他们可以选择获得 ACS 认证学位、非 ACS 认证学位，或者在主修其他专业的同时辅修化学。此外，学生还可以选择将生物化学作为专业方向。该系还参与神经科学、环境科学和科学计算项目的教学。(28) 该系拥有九名全职终身教职教师，每位教师都有自己的研究项目，还有几位访问学者以及负责 100 和 200 级课程的专职实验协调员和教师。(29)

**Cure 的设计与实施背景**
在哈弗福德学院，选择化学专业的学生通常在大三时注册 CHEM 301：结构与键合实验室课程。这门课程被设计为 CURE，并于 1968 年被采用，旨在为学生准备毕业设计项目。(30) 本文介绍的 CURE 是在 2023 年夏季设计的，并在 2024 年春季 CHEM 225：有机合成课程的最后 8 周内实施，共有 82 名学生参与。在 CHEM 225 的课堂讲授部分，学生们学习了二烯、芳香族化合物和羧酸的反应，巩固了前一学期（CHEM 222）中学到的反应机制。同时，进入 CHEM 225 实验室的学生已经掌握了标准的有机实验技术，如液-液萃取、薄层色谱法和柱色谱法。(21) 尽管基于研究和探索的实验课程已经存在多年，(16,17) Aberincloss 及其同事 2014 年的报告首次明确了 CURE 的定义，(14) 这一定义促进了所有主要 STEM 领域教学实验室中 CURE 的广泛应用，包括化学领域。(19) 据 Watts 和 Rodriguez 的最新综述(2023)，生物化学和有机化学领域的 CURE 最为常见。(19) 这些项目从多周项目到整个学期的项目都有，甚至有些项目会延续到下一学期的课程中。(25) 由于管理大规模班级实验项目的工作量较大，主要以本科教育为主的机构报告的 CURE 数量相对较少。(19) 与拥有大量博士研究生教师的大型机构不同，PUIs 通常缺乏相应的助教或教师支持。在本报告中，我们详细描述了哈弗福德学院第二学期有机化学实验室中的一个八周 CURE 项目。在该学期 14 周的学习过程中，学生们被要求计划并解决维蒂希反应（使用肉桂醛生成不对称二烯产物）、扩大反应规模、纯化维蒂希产物、计划并进行环氧化反应，并向同学展示结果（图 1）。

**项目概述**
在本项目的第一周（表 1），学生们进行了关于项目的介绍和规划，包括在 50 毫克肉桂醛基础上进行三次维蒂希反应的优化。在第二周，学生们设置了三次维蒂希反应，并在共享的 Google 文档中报告了薄层色谱（TLC）结果。第三周，他们设置了两次维蒂希反应，并在共享的 Google 文档中报告了 TLC 结果，随后利用这些数据规划了 250 毫克规模的维蒂希反应。第四周，学生们实际进行了 250 毫克规模的维蒂希反应，并在实验后根据 TLC 结果规划了柱色谱纯化步骤。第五周进行了中期调查和柱色谱纯化，部分小组还准备了备选方案。第六周，学生们进行了环氧化反应。第七周，他们通过红外光谱（IR）和核磁共振光谱（NMR）分析了环氧化产物，并准备了总结反应结果的展示材料。第八周，学生们进行了项目总结并进行展示。

**维蒂希反应与优化**
维蒂希反应是一种在本科有机化学课程中基础性的反应，涉及羰基化合物与磷鎓试剂之间的烯化反应。(38?40) 在 CURE 的第一部分，学生以两人或三人小组的形式，被要求优化并扩大肉桂醛与选定的烷基三苯基磷鎓卤化物（RPPh3X）之间的维蒂希反应，生成不对称二烯（图 2）。

**项目实施过程**
在第一周的干实验室环节中，学生们了解了项目的总体要求和计划。他们被指导从四种烷基三苯基磷鎓卤化物中选择一种用于维蒂希反应。选择的 50 毫克反应规模既保证了学生有足够的工作量，又不会大幅增加项目成本。反应优化计划的指导原则较为宽松，以便学生可以根据自己的知识选择方法，同时鼓励他们参考化学文献。在计划过程中，教师和助教在教室里走动提供帮助并解答问题。虽然也考虑了含有取代苯基 R 基团的烷基三苯基磷鎓卤化物，但由于这些物质产生的产物中存在乙烯基峰峰形重叠，会影响环氧化反应的检测，因此最终被排除。碱和溶剂的选取基于熟悉度和安全性考虑。

在第二周，学生们设置了三次优化反应，并通过薄层色谱法（TLC）进行了监测。实验结束后，他们需要在课程的学习管理系统（Moodle）中发布的共享文档中记录所有三次反应的详细信息。Google Workspace 支持多用户同时编辑文件，便于同步和异步分析。用于此次 CURE 的 Google 文档中包含了表格，要求学生总结每种反应所使用的碱、溶剂和温度，并记录 TLC 结果（例如未发生反应、检测到肉桂醛但出现新斑点、未检测到肉桂醛等情况）。每个烷基三苯基磷鎓卤化物都有独立的 Google 文档（具体数据表示例见 SI）。利用 Google 文档，各小组可以在进行自己的优化实验前查看其他小组的结果。

在第二周和第三周之间，学生们被要求回顾文档中提供的起始物质信息，并利用这些信息规划两次 50 毫克规模的维蒂希反应。第三次优化反应在第三周进行，结果在其他小组的文档中分享。第四周，学生们使用这些数据规划了一次 250 毫克规模的维蒂希反应。第五周，学生们利用之前的 TLC 数据规划了柱色谱纯化方案。遗憾的是，并非所有小组在扩大反应规模时都能通过 TLC 观察到产物。

在 CURE 的第五周进行了中期调查，之后学生们进行了柱色谱纯化。那些在扩大反应规模时未能通过 TLC 观察到产物的小组根据 Brandt Kedrowski 教授在 YouTube 上发布的视频示例（Scheme 1）进行了备选维蒂希反应。(44)

在实施 CURE 之前，学生们完成了基于文献中的多周探索实验——使用过氧化氢（H2O2）和 m-氯过氧苯甲酸（mCPBA）进行的香叶酮环氧化反应。(45) 该实验的目的是让学生为 CURE 后半部分中的环氧化反应做好准备。利用之前所学的 H2O2 和 mCPBA 的区域选择性知识，学生在第六周规划了环氧化反应。在第七周，他们通过 1H NMR 分析了粗产物，并准备了最终的展示材料。

CURE 的最后一周专门用于项目展示。学生们被要求准备一个 6 分钟的演示文稿，讨论他们的维蒂希和环氧化反应结果，包括 NMR 光谱数据，并将项目的某个方面与天然产物联系起来。这些展示采用了海报会议的格式，学生们使用笔记本电脑在实验室的工作站前，向小组成员、助教和指导老师进行展示。每个实验组有多个时间段，以便学生们可以观察并为同伴的展示提供反馈（详细的反馈表格见补充信息）。这种类似海报的展示方式被采用，而不是连续向整个小组进行展示，目的是为了减少展示者的焦虑和听众的疲劳。

**材料与安全**
所有试剂和溶剂均从MilliporeSigma、Oakwood Chemical、TCI America或Fisher Scientific购买，并直接使用，无需进一步纯化。在每次实验前，都会回顾学生的操作步骤，以防止将强碱纳酰胺加入质子溶剂中。m-CPBA的添加以及剩余试剂的清除过程由助教或指导老师监督。匿名学生调查的结果已获得Haverford学院伦理审查委员会（IRB）的批准，因此可以免除相关程序。

**结果与讨论**
**学生反应结果**
在解决Wittig反应问题过程中，许多学生通过TLC分析发现了产物的形成。然而，只有少数小组通过柱层析纯化成功分离出了二烯产物。课程中的大多数小组在环氧化反应中使用了备用烯烃。

**项目评估**
对四个实验组的所有82名学生进行了两次调查。这项调查是自愿参与的，参与调查没有惩罚也没有奖励。第一次调查在项目进行到一半时进行（82名学生中有62人响应），第二次调查在项目结束时进行（82名学生中有77人响应）。由于学生在高中和大学一年级到二年级的暑假研究期间的化学实验经验参差不齐，因此调查问题侧重于项目本身，而非之前的经验。因此，项目管理员选择在项目进行到一半时进行调查。每次调查包含12个五点Likert量表问题（共计46个问题）以及两个定性问题，旨在评估学生的成长领域，包括耐心度、自主性、沟通能力和自信心。类似的研究表明，Likert量表调查在本科课程中发现式项目中非常有效。（22,23,36,47?52）调查的具体结构可以在补充信息中找到。

**定量结果**
图中显示了Likert量表每个评分点的响应百分比（图3）。

**图3**
图3. 各Likert量表问题的响应分布。图中报告了在项目进行到一半（A点）和项目结束时（B点）回答每个问题的学生的百分比。每个问题的完整文本可以在补充信息中找到。

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为了量化调查结果，计算了每个问题的平均响应值。此外，还通过从第二次调查的平均响应值中减去第一次调查的平均响应值，来计算两次调查平均值的差异。正值表示第二次调查的平均分数较高，负值表示第二次调查的平均分数较低。使用配对样本t检验来分析这些差异的显著性。平均值、平均值差异以及统计上显著的p值在图4中报告。

**图4**
图4. Likert量表问题结果的分析。报告了两次调查中每个问题的计算平均值（A），以及终点（B点）与中间点（A点）之间的差异。问题1、2、5、6、7、8、11和12的平均值在两次调查之间有所增加，而问题3、4、9和10的平均值则有所下降。需要注意的是，问题3的表述方式独特，同意某种情况的得分较低。图中显示了具有统计显著差异的问题（α = 0.05）（C）。数值四舍五入到千分位。

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图3和图4的结果表明，学生在理解各个实验之间的关联、自信心、识别实验挑战以及展示技巧等方面经历了显著的自我成长。这些都是该项目的目标之一，即这是PUI（Pathway-Based Learning Experience）类型的体验所预期的成果。（18,19）然而，值得注意的是，这项研究没有控制人口统计因素（种族、社会经济背景等），也没有设置对照组。研究那些没有产生统计显著差异的问题类别很有意义，因为这些可以直接指出现有待改进的领域。特别是需要提供结构化的反思机会，并寻找更便捷的方式与指导老师联系以寻求帮助。通过解决这些问题，可以揭示该项目的局限性，无论是通过提高其有效性，还是通过指出哪些成长领域无法通过现有结构实现。

**定性分析**
项目管理员阅读了定性回答，并从中识别出主题趋势。将定性回答整理后导入Taguette免费标签软件，并用相应的主题进行了标记。主题的确定基于项目目标（例如合作）以及数据集中观察到的意外趋势（例如未来导向）。表2总结了每次调查中分配给每个主题的回答数量。并非所有学生都完成了定性调查，因为这两个调查都不是强制性的。只完成其中一个调查的学生的数据被排除在外。

**表2. 主题及对应的一致响应数量**
(A) 如果适用，请描述该项目在您认为重要的领域中带来的成长之处。
- 合作 ：65
- 自信心 ：10
- 能力 ：16
- 连接性 ：6
- 灵活性 ：12
- 未来导向 ：4
- 规划与设计 ：11
- 展示 ：5
- 具体技术 ：10

(B) 您希望在这个项目结束时实现哪些学习目标？/您是否达到了自己最初设定的目标？
- 合作 ：4
- 自信心 ：19
- 能力 ：3
- 连接性 ：6
- 灵活性 ：5
- 规划与设计 ：9
- 展示 ：7
- 具体技术 ：13

**表3. 各主题的代表性反馈**
- **合作**：我学会了如何根据之前自己和其他同学的实验结果来改进我的实验。
- **自信**：我在实验室工作和使用所学方法进行独立实验时感到更加自在，对整个实验过程更加熟悉，能够执行实验并评估结果。
- **连接性**：我发现能够将实验室中学到的知识与课堂内容联系起来，因此对自己所学的内容更有信心，也更加理解化学。
- **灵活性**：这个项目让我明白，即使没有达到预期结果也没关系，总有解决办法，可以继续朝着原来的计划前进。
- **未来导向**：为每个实验编写操作步骤让我更加思考我们在做什么以及为什么这样做，我认为这对超级实验（Superlab）的准备工作也有好处。
- **规划与设计**：我觉得这在我之前的实验中很有帮助，因为在之前的实验中我们总是按照既定步骤操作。这次实验是我们第一次需要自己决定很多事情。
- **展示**：我认为最终的展示是一个很好的方式，可以综合所有实验的结果，而且制作演示文稿的过程让我回顾了前几周的实验。