張巖，吳瀟逸，吳陽，高喜玲

1 浙江師范大學(xué)化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，浙江 金華 321004

2 義烏市第五中學(xué)，浙江 義烏 322000

“有機(jī)合成”課程是面向浙江師范大學(xué)化學(xué)專業(yè)大三學(xué)生開設(shè)的一門專業(yè)選修課，是在基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)課程之后的知識強(qiáng)化課程，具有知識點關(guān)聯(lián)性密切、綜合應(yīng)用性強(qiáng)、對深層次學(xué)習(xí)要求高的特點。對于重排反應(yīng)來說，從基礎(chǔ)有機(jī)課程的內(nèi)容分布上來看，此類型反應(yīng)散落在烯烴、醇、醛酮、胺等章節(jié)中，導(dǎo)致學(xué)生較難系統(tǒng)地掌握重排反應(yīng)的整體脈絡(luò)；因為從反應(yīng)物和產(chǎn)物結(jié)構(gòu)關(guān)系來看，它與經(jīng)典的加成、取代、消除及氧化還原等反應(yīng)有很大差異，造成學(xué)生的學(xué)習(xí)困難。因此，我們將重排反應(yīng)歸結(jié)到一個章節(jié)集中講授，重新梳理整合教學(xué)材料，設(shè)置深度學(xué)習(xí)教學(xué)活動，旨在引導(dǎo)學(xué)生掌握重排反應(yīng)的機(jī)理，把握相關(guān)人名重排反應(yīng)之間的內(nèi)在聯(lián)系，促進(jìn)所學(xué)知識的遷移應(yīng)用。雖然此前已有相關(guān)文獻(xiàn)對若干重排反應(yīng)的合成應(yīng)用進(jìn)行了細(xì)致介紹[1-4]，但是對眾多常見重排反應(yīng)進(jìn)行更深入、詳細(xì)的歸納梳理工作仍是十分必要的。

1 進(jìn)行“深度學(xué)習(xí)”教學(xué)改革的必要性

1.1 整合教學(xué)內(nèi)容，化繁為簡

學(xué)生在學(xué)習(xí)重排反應(yīng)中遇到的難題主要可以歸結(jié)為三點：1) 重排反應(yīng)數(shù)量繁多且多以人名命名，會出現(xiàn)記憶混亂；2) 重排反應(yīng)分散在不同章節(jié)，成為封閉、孤立的知識點；3) 僅停留在反應(yīng)產(chǎn)物結(jié)構(gòu)的記憶，難以把握反應(yīng)具體歷程和實質(zhì)。而有機(jī)合成相較于基礎(chǔ)有機(jī)課程來說，是更為深入的系統(tǒng)的理論課程，知識難度和深度的驟然提高，使得學(xué)生在面對龐大又復(fù)雜的知識體系時無從下手，學(xué)生繼續(xù)學(xué)習(xí)的主動性和興趣不高。教師應(yīng)立足學(xué)情，根據(jù)教學(xué)目標(biāo)，合理整合教學(xué)內(nèi)容，豐富教學(xué)材料的呈現(xiàn)形式，引導(dǎo)構(gòu)建有邏輯、有結(jié)構(gòu)的知識體系。此外，可以鼓勵學(xué)生自主動手用ChemDraw軟件繪制反應(yīng)機(jī)理，通過“演繹”的方式，對學(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行深度加工，有助于把握反應(yīng)的本質(zhì)。

1.2 優(yōu)化教學(xué)活動，改革教法

在有機(jī)合成課堂中，大部分時間教師仍采用傳統(tǒng)課堂單向的模式教學(xué)，具有“知識分隔獨立”“滿堂灌”的特點，沒有擺脫師“講”生“聽”、一“授”多“受”的狀態(tài)[5]。學(xué)生在課堂中參與度較低，自由度不高，缺乏寶貴的互動交流機(jī)會。單一的授課形式導(dǎo)致學(xué)生容易陷入“懂容易，記住難，運(yùn)用更難”的怪圈[6]。然而，有機(jī)合成并非是靠簡單的死記硬背就可以通曉的“文字記憶”學(xué)科，而是一門要求學(xué)生依據(jù)理論進(jìn)行科學(xué)推演，能設(shè)計路線解決合成問題的應(yīng)用型學(xué)科。為充分發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性，教師應(yīng)結(jié)合現(xiàn)實教學(xué)條件以及實際教學(xué)內(nèi)容，變革教學(xué)方式。教師可以豐富教學(xué)活動，如小組作業(yè)展示、師生互動答疑、設(shè)置工業(yè)生產(chǎn)情境等進(jìn)行探索式和發(fā)展式教學(xué)，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，推進(jìn)教學(xué)進(jìn)程。此外，教師采取協(xié)作法輔助學(xué)生的個性化學(xué)習(xí)，基于學(xué)生的內(nèi)在需求引導(dǎo)學(xué)生，給予學(xué)生良好的學(xué)習(xí)體驗感[7]。

2 “深度學(xué)習(xí)”教學(xué)模式

區(qū)別于以知識的獲取與記憶為主的淺層學(xué)習(xí)，深度學(xué)習(xí)是一種在教師的引領(lǐng)下，學(xué)生圍繞具有挑戰(zhàn)性的主題，以高階思維為重要認(rèn)知活動的持續(xù)性學(xué)習(xí)過程。具體來說，深度學(xué)習(xí)是一種由學(xué)生內(nèi)部學(xué)習(xí)動機(jī)驅(qū)使，在理解的基礎(chǔ)上，運(yùn)用高階思維批判性地學(xué)習(xí)新知，并在知識間進(jìn)行聯(lián)系整合，創(chuàng)造性地建構(gòu)自己的知識體系，在不同的情境中熟練運(yùn)用來解決實際問題的學(xué)習(xí)?？凳缑鬧8]基于深度學(xué)習(xí)的特質(zhì)總結(jié)歸納了深度學(xué)習(xí)在不同維度對學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)的益處，見表1。由表1可以直觀看出深度學(xué)習(xí)是復(fù)雜的認(rèn)知過程，同時也是一種需要學(xué)習(xí)者高投入的學(xué)習(xí)方式。

表1 深度學(xué)習(xí)在不同維度對學(xué)習(xí)者的益處

在建構(gòu)知識以及發(fā)展能力的高要求下，掌握深度學(xué)習(xí)技能有助于學(xué)習(xí)者深入理解所學(xué)內(nèi)容，養(yǎng)成探究精神和獨立思考意識，逐步建立起深度學(xué)習(xí)者特有的解決問題思維體系。相較于淺層學(xué)習(xí)，安富海[9]歸結(jié)出深度學(xué)習(xí)的四個基本特征；隨后，胡久華等[10]提出了“深度學(xué)習(xí)”的教學(xué)設(shè)計四要素，見圖1。首先教師需要明確深度學(xué)習(xí)目標(biāo)，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容特點確定合適的挑戰(zhàn)性學(xué)習(xí)主題，精心整合教學(xué)材料，設(shè)計深度學(xué)習(xí)活動；在課堂中，教師還要扮演好引導(dǎo)者的角色，讓學(xué)生積極參與到有意義的教學(xué)活動中去，并在持續(xù)性評價的推動下，激勵學(xué)生不斷靠近深度學(xué)習(xí)目標(biāo)[11]。

圖1 深度學(xué)習(xí)的四大特征和四要素

3 基于深度學(xué)習(xí)理論的教學(xué)應(yīng)用

深度學(xué)習(xí)教學(xué)模式的設(shè)計，既要統(tǒng)籌深度學(xué)習(xí)“四要素”的關(guān)系，又要把握深度學(xué)習(xí)的“四大特征”。下面筆者將圍繞深度學(xué)習(xí)理論，針對“重排反應(yīng)”這一章節(jié)展開教學(xué)設(shè)計，見圖2。

圖2 基于深度學(xué)習(xí)理論的“重排反應(yīng)”教學(xué)設(shè)計

3.1 明確深度學(xué)習(xí)目標(biāo)，選擇挑戰(zhàn)性學(xué)習(xí)主題

“重排反應(yīng)”是本課程的重點章節(jié)，教師精心整合基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)中出現(xiàn)過的重排反應(yīng)，強(qiáng)化機(jī)理的探究，讓學(xué)生掌握重排反應(yīng)的本質(zhì)，進(jìn)而補(bǔ)充相關(guān)反應(yīng)，拓寬知識面，有意識地培養(yǎng)學(xué)生遷移與應(yīng)用的能力。就本課程而言，深度學(xué)習(xí)目標(biāo)不僅注重學(xué)生有機(jī)化學(xué)高階思維的培養(yǎng)，也對學(xué)生自主學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)的積極性提出更高的要求。本次設(shè)立的深度學(xué)習(xí)目標(biāo)是：1) 深刻理解重排反應(yīng)概念，了解重排反應(yīng)的多種分類方法，著重掌握以形成的不穩(wěn)定中心的電性特征為分類依據(jù)的分類方法，即親核重排、親電重排、協(xié)同重排、自由基重排，體會分類研究的基本思想；2) 通過小組合作學(xué)習(xí)，能從反應(yīng)物、中間體、產(chǎn)物等角度對相關(guān)重排反應(yīng)進(jìn)行對比分析，討論重排反應(yīng)的發(fā)生條件，掌握重排反應(yīng)的可能歷程，歸納重排反應(yīng)的特點，建立研究重排反應(yīng)的基本思路和方法；3) 通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)，感受重排反應(yīng)在社會生產(chǎn)生活中的重要應(yīng)用，學(xué)會應(yīng)用重排反應(yīng)實現(xiàn)某些具有典型性特征的有機(jī)物合成。

在深度學(xué)習(xí)目標(biāo)的指引下，基于本節(jié)課知識結(jié)構(gòu)框架，我們確立認(rèn)知能力發(fā)展類挑戰(zhàn)性學(xué)習(xí)主題。在基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)的教學(xué)中，學(xué)生已經(jīng)接觸重排反應(yīng)的概念，但往往簡單理解記憶重排反應(yīng)的特點，忽視重排反應(yīng)間的內(nèi)在聯(lián)系；本節(jié)課的主題教學(xué)旨在通過分類、歸納、演繹、推理等思維活動，深化學(xué)生對重排反應(yīng)的本質(zhì)認(rèn)識，實現(xiàn)整體教學(xué)，實現(xiàn)學(xué)生認(rèn)知層級的發(fā)展，即概念-分類-機(jī)理-歸納-應(yīng)用。基于此，教師需要巧妙設(shè)計結(jié)構(gòu)化的教學(xué)材料，自覺引導(dǎo)學(xué)生將舊知與新知進(jìn)行關(guān)聯(lián)，輔助建構(gòu)有邏輯、有體系的重排反應(yīng)的知識框架[12]。

3.2 設(shè)計深度學(xué)習(xí)活動

3.2.1 課前：考查學(xué)生學(xué)情，明確小組分工

課前，學(xué)生需要自主復(fù)習(xí)梳理已學(xué)重排反應(yīng)，并對重排反應(yīng)進(jìn)行分類。從作業(yè)反饋來看，大多數(shù)同學(xué)是直接根據(jù)重排反應(yīng)所在章節(jié)進(jìn)行分類，并且注重重排反應(yīng)特點，忽視重排反應(yīng)機(jī)理，見圖3。此外，學(xué)生在匯總重排反應(yīng)時，往往只關(guān)注帶有“重排”兩個字的反應(yīng)，而忽略相關(guān)人名反應(yīng)。在和學(xué)生的交談中，我們還發(fā)現(xiàn)學(xué)生容易混淆人名反應(yīng)，沒有將反應(yīng)名稱與該反應(yīng)進(jìn)行很好的配對。通過該課前任務(wù)，學(xué)生初步對已學(xué)內(nèi)容進(jìn)行整合，為更好地投入到課堂教學(xué)活動打下基礎(chǔ)。

圖3 必修課程中重排反應(yīng)的匯總

學(xué)生在課前還需要完成組內(nèi)成員合作作業(yè)。教師根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)能力、小組任務(wù)難度等將學(xué)生分為五個小組，每個小組圍繞反應(yīng)機(jī)理、反應(yīng)條件、遷移順序等角度展開講解若干個相關(guān)的重排反應(yīng)，見表2。組員之間需要合作協(xié)調(diào)分配任務(wù)，如內(nèi)容的選擇、反應(yīng)機(jī)理圖的繪制、PPT的制作以及課堂展示的演講稿等。教師借著小組合作任務(wù)的布置，有意識地去引導(dǎo)學(xué)生培養(yǎng)專業(yè)閱讀能力，強(qiáng)化專業(yè)術(shù)語的表達(dá)能力，訓(xùn)練高效互助的團(tuán)隊協(xié)作能力。

表2 小組討論內(nèi)容分配

3.2.2 課中：教師引導(dǎo)教學(xué)思路，學(xué)生展示小組作業(yè)

明確重排反應(yīng)定義，引入分類標(biāo)準(zhǔn)。重排反應(yīng)，可以簡單表述為基團(tuán)(W)從一個原子(A)遷移到另一個原子(B)上。A和B可以是碳原子，也可以是氮、氧等雜原子。這種遷移可以發(fā)生在相鄰原子(稱為1,2-遷移)間，但也會出現(xiàn)遠(yuǎn)距離的遷移，見圖4。在學(xué)生對定義有了更深的理解后，教師展開不同重排反應(yīng)分類標(biāo)準(zhǔn)的介紹，如鍵的裂解和形成方式、遷移基團(tuán)的相對位置、不同元素之間的遷移等。接著，詳細(xì)介紹以形成的不穩(wěn)定中心電性不同為分類依據(jù)的親核重排(或陰離子重排，遷移基團(tuán)攜帶電子對)、親電重排(或陽離子重排，不攜帶電子對)、協(xié)同重排(往往形成環(huán)狀過渡態(tài))、自由基重排(只攜帶一個電子)。

圖4 重排反應(yīng)示意圖

小組作業(yè)展示，教師點評補(bǔ)充。值得注意的是，教師在課堂中不僅是傾聽者、回答者，更是引導(dǎo)者、提問者。由于小組負(fù)責(zé)的任務(wù)各不相同，局限于教師提供的反應(yīng)機(jī)理、反應(yīng)條件、遷移順序三個角度，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中就容易陷入“只知其一、不知其他”的窘境，并把不同類型的重排反應(yīng)完全割裂開來，形成一個個封閉的知識體系。教師除了對每個小組的展示進(jìn)行點評以外，還需要適當(dāng)拓展相關(guān)知識，注意小組任務(wù)之間的邏輯銜接，幫助學(xué)生構(gòu)建一個思路連貫完整的重排反應(yīng)知識框架。下面我們將舉例部分教學(xué)片段。

基于中間體的共性，第一小組展示的是向碳正離子遷移的親核重排反應(yīng)。在機(jī)理的講解部分，學(xué)生應(yīng)被引導(dǎo)觀察出重排前體都是碳正離子，接著發(fā)生1,2-親核遷移，并分析重排后得到產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)特征，見圖5。教師抓住“形成碳正離子”這一關(guān)鍵點，總結(jié)“形成碳正離子的途徑有哪些”“在什么條件下發(fā)生重排反應(yīng)”“重排后形成的碳正離子又會發(fā)生什么后續(xù)反應(yīng)”。教師通過提問的方式，不僅可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)的注意力，更能夠發(fā)散思維，有機(jī)整合所學(xué)內(nèi)容。

圖5 向碳正離子遷移的親核重排反應(yīng)

在第二小組陳述向碳烯碳原子遷移的親核重排反應(yīng)前，教師以重氮甲烷和疊氮化合物的結(jié)構(gòu)作為過渡。教師帶領(lǐng)學(xué)生溫習(xí)對應(yīng)的路易斯結(jié)構(gòu)式，引導(dǎo)學(xué)生利用共振論寫出重要的極限式，并分析雜原子上的電子數(shù)。在掌握對應(yīng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，再去分析Wolff重排、Curtius重排、Schmidt重排等的反應(yīng)機(jī)理，學(xué)生能夠更容易接受，實現(xiàn)認(rèn)知能力的階梯式發(fā)展。

運(yùn)用生成中間體的相似性進(jìn)行?；ㄙe與?；e重排的類比歸納法教學(xué)。在小組展示W(wǎng)olff重排、Hofmann重排的機(jī)理后，教師引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)兩個反應(yīng)的相似點，見圖6和圖7。課堂留白中提供學(xué)生消化知識的時間并獨立思考的機(jī)會。我們可以將這兩個反應(yīng)的相似性簡單的歸納為：1) 好的離去基團(tuán)；2) ?；ㄙe和?；e都是中性并且?guī)в辛鶄€電子的活性中間體；3) 都經(jīng)過烷基的遷移而生成新的不穩(wěn)定活性中間體。接著介紹Lossen重排、Schmidt重排、Curtius重排，學(xué)生就能夠很快地跟上陳述同學(xué)的講解思路，見圖7。通過把握重排反應(yīng)的本質(zhì)，學(xué)生就能夠以簡馭繁、舉一反三，較快完成變式的學(xué)習(xí)。

圖6 Wolff重排

圖7 向缺電子氮原子遷移的親核重排反應(yīng)

從產(chǎn)物類別一致的角度去聯(lián)系不同名稱的重排反應(yīng)。Schmidt重排實際上包括三個反應(yīng)，羧酸、醛或酮分別和疊氮酸(HN3)在強(qiáng)酸下反應(yīng)發(fā)生分子內(nèi)重排分別得到胺、腈及酰胺。第三小組完成了Schmidt重排(酸)的講解，產(chǎn)物為胺，并且中間體為異氰酸酯。然而Hofmann重排后同樣得到伯胺。因此第四小組進(jìn)一步比較觀察這兩個重排反應(yīng)的具體歷程，總結(jié)二者深度的相似性，見圖8第一組對比。同樣可以觀察到，Schmidt重排(酮)也與Beckmann重排的產(chǎn)物相一致，都為酰胺，見圖8第二組對比。教師通過問題的驅(qū)動，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行歸納對比記憶，使其較好地串聯(lián)各個重排反應(yīng)，幫助他們建立具有融通性的知識體系。

圖8 Schmidt重排與Hofmann以及Beckmann重排的比較

聯(lián)系生產(chǎn)實際，感受實用價值。例如，利用Beckmann重排合成重要有機(jī)化工原料己內(nèi)酰胺；利用Hofmann重排合成藥物帕珠沙星[13]。教師提供反應(yīng)原料，學(xué)生根據(jù)所學(xué)，自主嘗試書寫合成路線，分析反應(yīng)機(jī)理。通過與生產(chǎn)實際的對接，讓學(xué)生意識到所學(xué)內(nèi)容不是應(yīng)付考試才需要的“干貨”，而是在社會生產(chǎn)中具有重要價值的“工具”。

3.2.3 課后：視野拓展，對接科研前沿

課后，學(xué)生整理歸納課堂所學(xué)，實現(xiàn)知識內(nèi)化，完善知識框架。在此基礎(chǔ)上，學(xué)生按照學(xué)習(xí)重排反應(yīng)的基本思路和方法，根據(jù)教師提供的兩篇關(guān)于自由基重排的英文文獻(xiàn)(見圖9)[14-16]，完成自由基反應(yīng)的讀書報告。自由基化學(xué)已然是當(dāng)今有機(jī)合成化學(xué)的重要前沿陣地，讓學(xué)生接觸這方面的研究領(lǐng)域是十分有必要的。

圖9 自由基中間體的重排反應(yīng)

3.3 落實持續(xù)性評價

在課前、課堂教學(xué)中的重要環(huán)節(jié)以及課后，都有必要圍繞深度學(xué)習(xí)目標(biāo)對學(xué)生進(jìn)行評價。課前可以采用習(xí)題自測的方式對學(xué)情進(jìn)行評價，學(xué)生也不會出現(xiàn)“空著腦袋進(jìn)教室”的情況；課后，我們通過章節(jié)作業(yè)和測試對學(xué)生掌握程度進(jìn)行考查，如圖10所示三個反應(yīng)式中左側(cè)是需要合成的目標(biāo)產(chǎn)物結(jié)構(gòu)，右側(cè)是逆合成分析后應(yīng)該選擇的重排前體。以反應(yīng)式(a)中的螺環(huán)化合物為例，它的結(jié)構(gòu)特征很明顯，而又比較陌生。羰基的存在也是一個重要的提醒，可啟發(fā)利用頻哪醇重排同時實現(xiàn)醇的氧化以及碳架的變化。以下三個例子的共同點是直接利用四大常見反應(yīng)類型從正面合成很困難，然而轉(zhuǎn)換思維，觀察出重排反應(yīng)的前體是最巧妙的解決辦法。此時需要同學(xué)們對重要的一些重排反應(yīng)的機(jī)理有深度的理解。

圖10 重排反應(yīng)在有機(jī)合成中的應(yīng)用

作者對有機(jī)合成中的重排反應(yīng)采用(不限于)上述深度學(xué)習(xí)教學(xué)方法進(jìn)行講解，配合討論及針對性的習(xí)題練習(xí)，學(xué)生對相關(guān)知識的理解和掌握得到了加強(qiáng)。更重要的是，這種可以使其觸類旁通的記憶和學(xué)習(xí)習(xí)慣，使得更多同學(xué)的學(xué)習(xí)興趣和熱情得到了激發(fā)和提高?？梢灶A(yù)期的是，相似的方法可以有效地用于其他知識點或章節(jié)的歸納整理。此外，教師應(yīng)把握好學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)，鼓勵學(xué)生提問、討論，根據(jù)實際課堂表現(xiàn)給出較為公正的平時成績。

4 結(jié)語

筆者認(rèn)為將深度學(xué)習(xí)理論應(yīng)用到有機(jī)合成課程中重排反應(yīng)的相關(guān)教學(xué)中有重要意義。在教學(xué)過程中，教師應(yīng)當(dāng)充分發(fā)揮好引導(dǎo)者的作用，精心整合教學(xué)內(nèi)容，有邏輯地呈現(xiàn)知識體系，引導(dǎo)學(xué)生主動整合、歸納所學(xué)知識，鼓勵學(xué)生及時構(gòu)建反思知識框架；明確每節(jié)內(nèi)容的深度學(xué)習(xí)目標(biāo)，立足于學(xué)情且結(jié)合教學(xué)實際，確立挑戰(zhàn)性學(xué)習(xí)主題，通過精心設(shè)計的深度學(xué)習(xí)活動，充分發(fā)揮學(xué)生的主體地位，讓學(xué)生參與到學(xué)習(xí)中來，在活動中體驗成功、提升能力，并通過持續(xù)性評價，使學(xué)生在反思中發(fā)展進(jìn)步。