辛納納, 龔樹文, 黃現(xiàn)強

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

圖1 有機化學的常見反應類型Fig.1 The most common reaction type of organic chemistry

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

參與式教學法是指在教師有目的、 有組織的引導下, 學生主動參與到教學活動中來的一種教學方法[2]。 參與式教學法的特點包括開放式的教學內(nèi)容、 提問式的講課、 無標準答案的習題和論文或報告形式的考試。 這種教學模式可以培養(yǎng)學生的參與精神和探究精神, 提高學生的自主學習能力和創(chuàng)新能力[3]。參與式教學一般分為兩種形式, 一種是正規(guī)的小班、 短時授課的教學模式, 另一種是在傳統(tǒng)教學法中融入?yún)⑴c式教學法的元素[4]。 結(jié)合實際授課情況和學科的內(nèi)容特點, 我們主要采用第二種方法。

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

1 準備階段

在傳統(tǒng)教學中, 準備階段主要是教師準備教學內(nèi)容、 教學方法等, 而在參與式教學法中, 老師和學生都應該有所準備,教師也可以發(fā)布任務指導學生進行準備。 為了便于學生理解,在鹵代烴的親核取代反應機理一課中, 由教師制定并發(fā)布課前任務, 指導學生將抽象的、 微觀的、 邏輯性強的機理具象化、 宏觀化, 并引導他們設計合理的劇情理解機理的邏輯。 具體的課前任務為: 預習鹵代烴的親核取代反應機理, 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機理, SN1 和SN2 反應可二選一, 在規(guī)定時間內(nèi)完成視頻拍攝并上傳至學習平臺。

教師提供可參考的劇本, 如離去基團鹵素和反應中心碳原子為“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, 反應中心和鹵素直接斷鍵, 鹵素帶著電子離開, 而原來的反應中心缺少電子, 可接受有電子的親核試劑的進攻, 重新成鍵, 此為SN1 反應。 另一種, 鹵素和反應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時斷開原有的鍵, 形成新的化學鍵, 此為SN2 反應。 學生在此基礎上可以進行改編或劇情完善。

這里學習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。 這一過程是學生主動參與、 探究的過程, 考察了學生的自主學習能力、 溝通交流能力、 團結(jié)協(xié)作能力和創(chuàng)新能力。

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

2 實施階段

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

2.1 課程導入

課程導入是課程教學基本且必要的環(huán)節(jié)。 好的導入可以使學生盡快進入學習狀態(tài), 調(diào)動學生的學習積極性。 在鹵代烴的親核取代反應機理一課中, 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)學生的科學素養(yǎng)并使之初步意識到親核取代反應在實際生活中的重要應用。 通過這一例子中鹵代烴和胺的反應, 引導學生回顧其他鹵代烴的親核取代反應, 并提出問題: 為什么同樣是親核取代反應, 有的反應速率是伯鹵代烴＞仲鹵代烴＞叔鹵代烴, 而有的反應速率卻是叔鹵代烴＞仲鹵代烴＞伯鹵代烴? 通過提問-回答-提問的方式, 牢牢抓住學生注意力, 引發(fā)學生思考, 激發(fā)學生的學習熱情, 從而使其主動參與課堂尋找問題的答案。

2.2 鹵代烴SN2、 SN1 反應的定義

概念、 定義等基本知識學生可以通過課本來獲得, 如SN2、SN1 反應的定義就可以通過學生自學進行掌握, 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, 這一反應速度很慢; 而叔丁基溴在同樣條件下可以很快反應生成叔丁醇。 當像反應中加入堿時, 發(fā)現(xiàn)溴甲烷的水解反應速率明顯加快, 而且堿的濃度越大反應越快。 而叔丁基溴的水解反應速率基本不受影響, 通過學生對兩個反應類型的判斷即了解學生是否理解了SN2、 SN1 反應的定義。

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

2.3 SN2、 SN1 反應的機理

SN2、 SN1 反應的定義并沒有解決導入時提出的反應速率快慢問題, 因此需要繼續(xù)深入學習兩種機理。 機理的學習包括以下幾個部分: 機理的理解, 機理的書寫及由機理得出的反應特點、 勢能圖、 影響因素等。

首先是反應機理的理解, 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)揮學生的主觀能動性和探究精神。 為幫助學生更好的理解SN2、 SN1 反應的機理, 教師可指導學生將微觀的、 抽象的、 邏輯性的機理與學生拍攝的宏觀的、 具象的劇情進行關聯(lián), 并引導學生深入思考: 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 反應的產(chǎn)物是消旋的? 通過老師問學生答, 學生問老師答, 學生問學生答和老師問老師答引導學生積極思考問題, 進而一步步掌握知識。

有機化學是一門自然科學, 角色扮演和情境設置都是為了更好的理解抽象的、 微觀的、 科學的內(nèi)容, 因此授課最終要回歸到嚴謹?shù)目茖W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、學生觀察、 教師強調(diào)易錯點, 如SN2 反應的構(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。

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

2.4 SN2、 SN1 反應機理的應用

應用就是將所學內(nèi)容用于分析、 解決實際問題, 以提高學生的應用能力。 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完成的, 那么這種反應的機理應該是哪一種呢? 通過前面機理的學習, 由于可以生成相對穩(wěn)定的碳正離子, 反應很可能按照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

化學不是一門獨立的學科, 親核取代反應就很好了說明了這一點。 除了在醫(yī)學方面的重要應用, 親核取代反應在材料、農(nóng)藥等領域都有著重要應用。 比如1-戊醇可以由1-氯戊烷通過水解反應來制備, 這一反應就可能通過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用。

2.5 練 習

知識目標是否達成可以通過練習進行檢測, 本節(jié)課中可以供練習的內(nèi)容有機理的書寫、 立體選擇性產(chǎn)物的書寫、 反應速率的排序及速率影響因素的判斷等。 因課上時間有限, 可以通過學習平臺如雨課堂、 學習通、 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生的學習進度, 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, 我們設置的習題是比較不同化合物進行SN2或SN1 反應的速率, 通過整體答題情況了解學生對親核取代反應機理的理解, 并根據(jù)反饋及時做出調(diào)整。

2.6 總 結(jié)

由于本節(jié)課采用對比法學習, 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 反應進行再思考[8]。 在基礎有機化學中, 親核取代反應通常為離子型機理。 2017 年, Fu 等[9]報道了自由基機理的親核取代反應, 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)容有關的前沿文獻, 可以設置開放型的報告形式的作業(yè): 請學生仔細閱讀兩篇文章, 撰寫一篇學習報告,(1)分析SN2 反應有哪些新的研究成果; (2)與自由基歷程的親核取代反應相比, 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)的設置, 有助于學生獨立思考, 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為例, 通過角色扮演將微觀的、 抽象的、 邏輯性的機理以學生參與的、 宏觀的、 具象的、 有劇情的小視頻形式呈現(xiàn), 大大提高了學生的參與度、 探究能力和創(chuàng)造能力, 學習者普遍反映印象深刻, 教學效果較好。 在課程實施過程中, 采用提問式的講課方式引導學生積極思考; 授課內(nèi)容中引入正在研究的科學問題擴展學生視野, 提高學生的科學素養(yǎng); 作業(yè)設置為開放式的報告形式,有利于學生提高探究能力和創(chuàng)新能力。 總之, 參與式教學模式應用于有機反應機理教學中, 可以幫助學生更好的理解機理,體現(xiàn)學生的主體地位, 提高學生的自主學習能力、 探究能力和創(chuàng)新能力。