參與式教學(xué)模式在有機(jī)反應(yīng)機(jī)理教學(xué)中的運(yùn)用
——以鹵代烴的親核取代反應(yīng)為例*

辛納納, 龔樹文, 黃現(xiàn)強(qiáng)

有機(jī)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(jī)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(jī)化學(xué)中常見的有機(jī)反應(yīng)可以表示為圖1 所示的幾種類型。

圖1 有機(jī)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(jī)化學(xué)的重要研究內(nèi)容, 反應(yīng)機(jī)理是對(duì)反應(yīng)過程的詳細(xì)描述, 通過反應(yīng)機(jī)理可以預(yù)測(cè)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(jī)理都是由抽象的化學(xué)符號(hào)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(dòng)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(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性, 使學(xué)生主動(dòng)參與到教學(xué)活動(dòng)中, 提高其自主學(xué)習(xí)能力和探究精神是一項(xiàng)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(dòng)參與到教學(xué)活動(dòng)中來的一種教學(xué)方法[2]。 參與式教學(xué)法的特點(diǎn)包括開放式的教學(xué)內(nèi)容、 提問式的講課、 無標(biāo)準(zhǔn)答案的習(xí)題和論文或報(bào)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(shí)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(shí)際授課情況和學(xué)科的內(nèi)容特點(diǎn), 我們主要采用第二種方法。

參與式教學(xué)模式強(qiáng)調(diào)全員共同參與教學(xué)活動(dòng), 在教學(xué)策略上注重小組合作、 情境體驗(yàn)、 游戲探究和交流展示, 在教學(xué)實(shí)際過程和互動(dòng)關(guān)系中實(shí)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(jī)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理教學(xué)中的運(yùn)用。 鹵代烴親核取代反應(yīng)最常見的兩種機(jī)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(shí)可以采用對(duì)比法。 具體教學(xué)實(shí)施方案如下。

1 準(zhǔn)備階段

在傳統(tǒng)教學(xué)中, 準(zhǔn)備階段主要是教師準(zhǔn)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(zhǔn)備,教師也可以發(fā)布任務(wù)指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行準(zhǔn)備。 為了便于學(xué)生理解,在鹵代烴的親核取代反應(yīng)機(jī)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(qiáng)的機(jī)理具象化、 宏觀化, 并引導(dǎo)他們?cè)O(shè)計(jì)合理的劇情理解機(jī)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(jī)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(jī)理, SN1 和SN2 反應(yīng)可二選一, 在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成視頻拍攝并上傳至學(xué)習(xí)平臺(tái)。

教師提供可參考的劇本, 如離去基團(tuán)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(fù)性強(qiáng), 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(qiáng), 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(jìn)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(dāng)受到外界親核試劑的誘導(dǎo)時(shí)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(jìn)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(jī)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(dòng)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(tuán)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(shí)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(shí)施階段

根據(jù)課程定位和培養(yǎng)目標(biāo), 結(jié)合教學(xué)大綱, 確定本節(jié)課的重點(diǎn), 預(yù)測(cè)本節(jié)課的難點(diǎn), 制定本節(jié)課要達(dá)成的教學(xué)目標(biāo)。 以成果為導(dǎo)向進(jìn)行學(xué)習(xí), 可以使學(xué)生在學(xué)習(xí)中根據(jù)目標(biāo)反饋不斷進(jìn)行改進(jìn)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(jìn)入學(xué)習(xí)狀態(tài), 調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。 在鹵代烴的親核取代反應(yīng)機(jī)理一課中, 我們以治療慢粒病的特效藥格列衛(wèi)為例進(jìn)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(shí)到親核取代反應(yīng)在實(shí)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(dòng)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(shí)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(jìn)行掌握, 而掌握的程度如何我們可以通過案例分析進(jìn)行檢驗(yàn)。 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(dāng)像反應(yīng)中加入堿時(shí), 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(duì)兩個(gè)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(jī)理

SN2、 SN1 反應(yīng)的定義并沒有解決導(dǎo)入時(shí)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(jī)理。 機(jī)理的學(xué)習(xí)包括以下幾個(gè)部分: 機(jī)理的理解, 機(jī)理的書寫及由機(jī)理得出的反應(yīng)特點(diǎn)、 勢(shì)能圖、 影響因素等。

首先是反應(yīng)機(jī)理的理解, 這是本節(jié)課的重點(diǎn), 也是難點(diǎn)。這里, 我們選出兩組分別表示SN2、 SN1 反應(yīng)機(jī)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(dòng)性和探究精神。 為幫助學(xué)生更好的理解SN2、 SN1 反應(yīng)的機(jī)理, 教師可指導(dǎo)學(xué)生將微觀的、 抽象的、 邏輯性的機(jī)理與學(xué)生拍攝的宏觀的、 具象的劇情進(jìn)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(jī)理進(jìn)行? 為什么在SN2 反應(yīng)中親核試劑要從離去基團(tuán)的背面進(jìn)攻? 為什么叔鹵代烴水解一般按照SN1 機(jī)理進(jìn)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(jìn)而一步步掌握知識(shí)。

有機(jī)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(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)內(nèi)容上來。 小組討論后, 將嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臋C(jī)理書寫與注意事項(xiàng)通過補(bǔ)充、 總結(jié)的方式進(jìn)行呈現(xiàn), 并通過實(shí)例展示、學(xué)生觀察、 教師強(qiáng)調(diào)易錯(cuò)點(diǎn), 如SN2 反應(yīng)的構(gòu)型轉(zhuǎn)化≠R/S的轉(zhuǎn)化, SN1 機(jī)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(jī)理, 再結(jié)合機(jī)理動(dòng)畫和模型演示可以使學(xué)生進(jìn)一步直觀感受反應(yīng)進(jìn)程, 總結(jié)出反應(yīng)特點(diǎn)。 通過能量分析和模型演示分析反應(yīng)勢(shì)能圖, 引導(dǎo)學(xué)生思考影響反應(yīng)的因素, 對(duì)比SN2、 SN1 反應(yīng)的不同影響因素, 解決導(dǎo)入時(shí)提出的反應(yīng)速率問題。

2.4 SN2、 SN1 反應(yīng)機(jī)理的應(yīng)用

應(yīng)用就是將所學(xué)內(nèi)容用于分析、 解決實(shí)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(jī)理應(yīng)該是哪一種呢? 通過前面機(jī)理的學(xué)習(xí), 由于可以生成相對(duì)穩(wěn)定的碳正離子, 反應(yīng)很可能按照SN1 機(jī)理進(jìn)行, 如圖4 所示。

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

化學(xué)不是一門獨(dú)立的學(xué)科, 親核取代反應(yīng)就很好了說明了這一點(diǎn)。 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(jī)理進(jìn)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(shí)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(shí)目標(biāo)是否達(dá)成可以通過練習(xí)進(jìn)行檢測(cè), 本節(jié)課中可以供練習(xí)的內(nèi)容有機(jī)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(shí)間有限, 可以通過學(xué)習(xí)平臺(tái)如雨課堂、 學(xué)習(xí)通、 云班課等選擇合適的內(nèi)容進(jìn)行在線測(cè)試。 這種測(cè)試方法的優(yōu)點(diǎn)是能及時(shí)掌握所有學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度, 并進(jìn)行有效反饋; 缺點(diǎn)是該方法只適用于客觀題, 主觀題耗時(shí)太長, 需教師或?qū)W生利用課下時(shí)間進(jìn)行評(píng)價(jià)。

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

2.6 總 結(jié)

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

2.7 作 業(yè)

機(jī)理是根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)事實(shí)總結(jié)出來的, 隨著研究的深入,有些機(jī)理會(huì)得到進(jìn)一步完善, 如2016 年《自然》雜志曾發(fā)表文章, 提出要對(duì)SN2 反應(yīng)進(jìn)行再思考[8]。 在基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)中, 親核取代反應(yīng)通常為離子型機(jī)理。 2017 年, Fu 等[9]報(bào)道了自由基機(jī)理的親核取代反應(yīng), 并與SN1、 SN2 機(jī)理進(jìn)行了對(duì)比, 分析了各自的優(yōu)點(diǎn)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(xiàn), 可以設(shè)置開放型的報(bào)告形式的作業(yè): 請(qǐng)學(xué)生仔細(xì)閱讀兩篇文章, 撰寫一篇學(xué)習(xí)報(bào)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(diǎn)和局限性。

沒有標(biāo)準(zhǔn)答案的開放型作業(yè)的設(shè)置, 有助于學(xué)生獨(dú)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(jī)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(shí)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(kuò)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(bào)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(jī)反應(yīng)機(jī)理教學(xué)中, 可以幫助學(xué)生更好的理解機(jī)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。