辛納納, 龔樹文, 黃現(xiàn)強

有機化學(xué)反應(yīng)按照化學(xué)鍵斷裂或生成的方式可以分為自由基反應(yīng)、 離子型反應(yīng)和協(xié)同反應(yīng), 而根據(jù)反應(yīng)物和生成物的結(jié)構(gòu)關(guān)系, 有機反應(yīng)可以分為酸堿反應(yīng)、 取代反應(yīng)、 加成反應(yīng)、消除反應(yīng)、 氧化還原反應(yīng)和縮合反應(yīng)等[1]。 綜合兩類方法和反應(yīng)試劑的類型, 基礎(chǔ)有機化學(xué)中常見的有機反應(yīng)可以表示為圖1 所示的幾種類型。

圖1 有機化學(xué)的常見反應(yīng)類型Fig.1 The most common reaction type of organic chemistry

化學(xué)反應(yīng)是有機化學(xué)的重要研究內(nèi)容, 反應(yīng)機理是對反應(yīng)過程的詳細描述, 通過反應(yīng)機理可以預(yù)測反應(yīng)的產(chǎn)物、 反應(yīng)的速率及影響因素、 反應(yīng)的立體選擇性和區(qū)域選擇性等。 然而,由于反應(yīng)機理都是由抽象的化學(xué)符號組成, 且具有微觀性和邏輯性, 若采用傳統(tǒng)授課方式, 從“教” 到“學(xué)” 單向輸出, 學(xué)生被動的學(xué)習(xí), 教學(xué)效果往往大打折扣。 因此, 如何充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性, 使學(xué)生主動參與到教學(xué)活動中, 提高其自主學(xué)習(xí)能力和探究精神是一項重要的研究內(nèi)容。

參與式教學(xué)法是指在教師有目的、 有組織的引導(dǎo)下, 學(xué)生主動參與到教學(xué)活動中來的一種教學(xué)方法[2]。 參與式教學(xué)法的特點包括開放式的教學(xué)內(nèi)容、 提問式的講課、 無標準答案的習(xí)題和論文或報告形式的考試。 這種教學(xué)模式可以培養(yǎng)學(xué)生的參與精神和探究精神, 提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力[3]。參與式教學(xué)一般分為兩種形式, 一種是正規(guī)的小班、 短時授課的教學(xué)模式, 另一種是在傳統(tǒng)教學(xué)法中融入?yún)⑴c式教學(xué)法的元素[4]。 結(jié)合實際授課情況和學(xué)科的內(nèi)容特點, 我們主要采用第二種方法。

參與式教學(xué)模式強調(diào)全員共同參與教學(xué)活動, 在教學(xué)策略上注重小組合作、 情境體驗、 游戲探究和交流展示, 在教學(xué)實際過程和互動關(guān)系中實現(xiàn)教學(xué)相長[5]。 下面我們將以鹵代烴的親核取代反應(yīng)為例探討參與式教學(xué)模式在有機化學(xué)反應(yīng)機理教學(xué)中的運用。 鹵代烴親核取代反應(yīng)最常見的兩種機理類型為單分子親核取代(SN1)反應(yīng)和雙分子親核取代(SN2)反應(yīng), 兩者的區(qū)別在于決定反應(yīng)速率的分子種類不同, 學(xué)習(xí)時可以采用對比法。 具體教學(xué)實施方案如下。

1 準備階段

在傳統(tǒng)教學(xué)中, 準備階段主要是教師準備教學(xué)內(nèi)容、 教學(xué)方法等, 而在參與式教學(xué)法中, 老師和學(xué)生都應(yīng)該有所準備,教師也可以發(fā)布任務(wù)指導(dǎo)學(xué)生進行準備。 為了便于學(xué)生理解,在鹵代烴的親核取代反應(yīng)機理一課中, 由教師制定并發(fā)布課前任務(wù), 指導(dǎo)學(xué)生將抽象的、 微觀的、 邏輯性強的機理具象化、 宏觀化, 并引導(dǎo)他們設(shè)計合理的劇情理解機理的邏輯。 具體的課前任務(wù)為: 預(yù)習(xí)鹵代烴的親核取代反應(yīng)機理, 以4 人一組為單位,拍攝一組小視頻描述你們理解的親核取代反應(yīng)機理, SN1 和SN2 反應(yīng)可二選一, 在規(guī)定時間內(nèi)完成視頻拍攝并上傳至學(xué)習(xí)平臺。

教師提供可參考的劇本, 如離去基團鹵素和反應(yīng)中心碳原子為“好朋友”, 他們擁有共同的玩具“成鍵電子”。 由于鹵素的電負性強, 玩具“成鍵電子” 偏向于鹵素, 因此兩位好朋友之間出現(xiàn)矛盾。 若矛盾太強, 反應(yīng)中心和鹵素直接斷鍵, 鹵素帶著電子離開, 而原來的反應(yīng)中心缺少電子, 可接受有電子的親核試劑的進攻, 重新成鍵, 此為SN1 反應(yīng)。 另一種, 鹵素和反應(yīng)中心碳原子之間存在矛盾, 但該矛盾不足以斷鍵, 當受到外界親核試劑的誘導(dǎo)時斷開原有的鍵, 形成新的化學(xué)鍵, 此為SN2 反應(yīng)。 學(xué)生在此基礎(chǔ)上可以進行改編或劇情完善。

這里學(xué)習(xí)者采用角色扮演的方式, 將機理宏觀化、 具象化并根據(jù)小組理解給出合理的邏輯解釋。 這一過程是學(xué)生主動參與、 探究的過程, 考察了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、 溝通交流能力、 團結(jié)協(xié)作能力和創(chuàng)新能力。

教師結(jié)合學(xué)生課前任務(wù)的完成情況, 制定合適的教學(xué)實施方案, 最大限度地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情, 提高學(xué)生的參與度。

2 實施階段

根據(jù)課程定位和培養(yǎng)目標, 結(jié)合教學(xué)大綱, 確定本節(jié)課的重點, 預(yù)測本節(jié)課的難點, 制定本節(jié)課要達成的教學(xué)目標。 以成果為導(dǎo)向進行學(xué)習(xí), 可以使學(xué)生在學(xué)習(xí)中根據(jù)目標反饋不斷進行改進和調(diào)整[6]。

2.1 課程導(dǎo)入

課程導(dǎo)入是課程教學(xué)基本且必要的環(huán)節(jié)。 好的導(dǎo)入可以使學(xué)生盡快進入學(xué)習(xí)狀態(tài), 調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。 在鹵代烴的親核取代反應(yīng)機理一課中, 我們以治療慢粒病的特效藥格列衛(wèi)為例進行引入。 格列衛(wèi)的主要成分為伊馬替尼, 它的合成可以分為四部分, 由三步反應(yīng)來制備[7], 如下圖2 所示。

圖2 伊馬替尼的合成Fig.2 Synthesis of imatinib

通過伊馬替尼的合成, 培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)并使之初步意識到親核取代反應(yīng)在實際生活中的重要應(yīng)用。 通過這一例子中鹵代烴和胺的反應(yīng), 引導(dǎo)學(xué)生回顧其他鹵代烴的親核取代反應(yīng), 并提出問題: 為什么同樣是親核取代反應(yīng), 有的反應(yīng)速率是伯鹵代烴＞仲鹵代烴＞叔鹵代烴, 而有的反應(yīng)速率卻是叔鹵代烴＞仲鹵代烴＞伯鹵代烴? 通過提問-回答-提問的方式, 牢牢抓住學(xué)生注意力, 引發(fā)學(xué)生思考, 激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情, 從而使其主動參與課堂尋找問題的答案。

2.2 鹵代烴SN2、 SN1 反應(yīng)的定義

概念、 定義等基本知識學(xué)生可以通過課本來獲得, 如SN2、SN1 反應(yīng)的定義就可以通過學(xué)生自學(xué)進行掌握, 而掌握的程度如何我們可以通過案例分析進行檢驗。 如下圖3 所示, 溴甲烷可以在百分之八十的乙醇溶液中水解變成甲醇, 這一反應(yīng)速度很慢; 而叔丁基溴在同樣條件下可以很快反應(yīng)生成叔丁醇。 當像反應(yīng)中加入堿時, 發(fā)現(xiàn)溴甲烷的水解反應(yīng)速率明顯加快, 而且堿的濃度越大反應(yīng)越快。 而叔丁基溴的水解反應(yīng)速率基本不受影響, 通過學(xué)生對兩個反應(yīng)類型的判斷即了解學(xué)生是否理解了SN2、 SN1 反應(yīng)的定義。

圖3 案例分析舉例Fig.3 Example of case analysis

2.3 SN2、 SN1 反應(yīng)的機理

SN2、 SN1 反應(yīng)的定義并沒有解決導(dǎo)入時提出的反應(yīng)速率快慢問題, 因此需要繼續(xù)深入學(xué)習(xí)兩種機理。 機理的學(xué)習(xí)包括以下幾個部分: 機理的理解, 機理的書寫及由機理得出的反應(yīng)特點、 勢能圖、 影響因素等。

首先是反應(yīng)機理的理解, 這是本節(jié)課的重點, 也是難點。這里, 我們選出兩組分別表示SN2、 SN1 反應(yīng)機理的課前作業(yè),通過交流展示和小組討論, 充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性和探究精神。 為幫助學(xué)生更好的理解SN2、 SN1 反應(yīng)的機理, 教師可指導(dǎo)學(xué)生將微觀的、 抽象的、 邏輯性的機理與學(xué)生拍攝的宏觀的、 具象的劇情進行關(guān)聯(lián), 并引導(dǎo)學(xué)生深入思考: 為什么伯鹵代烴水解一般按照SN2 機理進行? 為什么在SN2 反應(yīng)中親核試劑要從離去基團的背面進攻? 為什么叔鹵代烴水解一般按照SN1 機理進行? 為什么SN1 反應(yīng)的產(chǎn)物是消旋的? 通過老師問學(xué)生答, 學(xué)生問老師答, 學(xué)生問學(xué)生答和老師問老師答引導(dǎo)學(xué)生積極思考問題, 進而一步步掌握知識。

有機化學(xué)是一門自然科學(xué), 角色扮演和情境設(shè)置都是為了更好的理解抽象的、 微觀的、 科學(xué)的內(nèi)容, 因此授課最終要回歸到嚴謹?shù)目茖W(xué)內(nèi)容上來。 小組討論后, 將嚴謹?shù)臋C理書寫與注意事項通過補充、 總結(jié)的方式進行呈現(xiàn), 并通過實例展示、學(xué)生觀察、 教師強調(diào)易錯點, 如SN2 反應(yīng)的構(gòu)型轉(zhuǎn)化≠R/S的轉(zhuǎn)化, SN1 機理中因有碳正離子中間體生成, 需特別注意重排產(chǎn)物的生成等。

理解了反應(yīng)機理, 再結(jié)合機理動畫和模型演示可以使學(xué)生進一步直觀感受反應(yīng)進程, 總結(jié)出反應(yīng)特點。 通過能量分析和模型演示分析反應(yīng)勢能圖, 引導(dǎo)學(xué)生思考影響反應(yīng)的因素, 對比SN2、 SN1 反應(yīng)的不同影響因素, 解決導(dǎo)入時提出的反應(yīng)速率問題。

2.4 SN2、 SN1 反應(yīng)機理的應(yīng)用

應(yīng)用就是將所學(xué)內(nèi)容用于分析、 解決實際問題, 以提高學(xué)生的應(yīng)用能力。 比如, 前面提到的伊馬替尼的合成, 第三步就是通過鹵代烴的親核取代反應(yīng)完成的, 那么這種反應(yīng)的機理應(yīng)該是哪一種呢? 通過前面機理的學(xué)習(xí), 由于可以生成相對穩(wěn)定的碳正離子, 反應(yīng)很可能按照SN1 機理進行, 如圖4 所示。

圖4 合成伊馬替尼中間體的可能的機理Fig.4 Proposed mechanism for synthesis of Imatinib intermediate

化學(xué)不是一門獨立的學(xué)科, 親核取代反應(yīng)就很好了說明了這一點。 除了在醫(yī)學(xué)方面的重要應(yīng)用, 親核取代反應(yīng)在材料、農(nóng)藥等領(lǐng)域都有著重要應(yīng)用。 比如1-戊醇可以由1-氯戊烷通過水解反應(yīng)來制備, 這一反應(yīng)就可能通過SN2 機理進行。 1-戊醇是一種重要的工業(yè)原料, 可以用作油漆的溶劑, 也可以作為合成中間體, 在實際的生產(chǎn)、 生活中都有著非常重要的應(yīng)用。

2.5 練 習(xí)

知識目標是否達成可以通過練習(xí)進行檢測, 本節(jié)課中可以供練習(xí)的內(nèi)容有機理的書寫、 立體選擇性產(chǎn)物的書寫、 反應(yīng)速率的排序及速率影響因素的判斷等。 因課上時間有限, 可以通過學(xué)習(xí)平臺如雨課堂、 學(xué)習(xí)通、 云班課等選擇合適的內(nèi)容進行在線測試。 這種測試方法的優(yōu)點是能及時掌握所有學(xué)生的學(xué)習(xí)進度, 并進行有效反饋; 缺點是該方法只適用于客觀題, 主觀題耗時太長, 需教師或?qū)W生利用課下時間進行評價。

在本節(jié)課中, 我們設(shè)置的習(xí)題是比較不同化合物進行SN2或SN1 反應(yīng)的速率, 通過整體答題情況了解學(xué)生對親核取代反應(yīng)機理的理解, 并根據(jù)反饋及時做出調(diào)整。

2.6 總 結(jié)

由于本節(jié)課采用對比法學(xué)習(xí), 因此可以采用表格的形式進行總結(jié), 一目了然。

2.7 作 業(yè)

機理是根據(jù)大量實驗事實總結(jié)出來的, 隨著研究的深入,有些機理會得到進一步完善, 如2016 年《自然》雜志曾發(fā)表文章, 提出要對SN2 反應(yīng)進行再思考[8]。 在基礎(chǔ)有機化學(xué)中, 親核取代反應(yīng)通常為離子型機理。 2017 年, Fu 等[9]報道了自由基機理的親核取代反應(yīng), 并與SN1、 SN2 機理進行了對比, 分析了各自的優(yōu)點與局限性。

表1 總結(jié)Table 1 Summary

根據(jù)兩篇與內(nèi)容有關(guān)的前沿文獻, 可以設(shè)置開放型的報告形式的作業(yè): 請學(xué)生仔細閱讀兩篇文章, 撰寫一篇學(xué)習(xí)報告,(1)分析SN2 反應(yīng)有哪些新的研究成果; (2)與自由基歷程的親核取代反應(yīng)相比, SN2、 SN1 歷程有什么優(yōu)點和局限性。

沒有標準答案的開放型作業(yè)的設(shè)置, 有助于學(xué)生獨立思考, 尋找更多的可能性, 有利于創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

3 結(jié) 語

文章的創(chuàng)新之處在于以鹵代烴的親核取代反應(yīng)為例, 通過角色扮演將微觀的、 抽象的、 邏輯性的機理以學(xué)生參與的、 宏觀的、 具象的、 有劇情的小視頻形式呈現(xiàn), 大大提高了學(xué)生的參與度、 探究能力和創(chuàng)造能力, 學(xué)習(xí)者普遍反映印象深刻, 教學(xué)效果較好。 在課程實施過程中, 采用提問式的講課方式引導(dǎo)學(xué)生積極思考; 授課內(nèi)容中引入正在研究的科學(xué)問題擴展學(xué)生視野, 提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng); 作業(yè)設(shè)置為開放式的報告形式,有利于學(xué)生提高探究能力和創(chuàng)新能力。 總之, 參與式教學(xué)模式應(yīng)用于有機反應(yīng)機理教學(xué)中, 可以幫助學(xué)生更好的理解機理,體現(xiàn)學(xué)生的主體地位, 提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、 探究能力和創(chuàng)新能力。