参与式教学模式在有机反应机理教学中的运用——以卤代烃的亲核取代反应为例*

辛纳纳, 龚树文, 黄现强

有机化学反应按照化学键断裂或生成的方式可以分为自由基反应、 离子型反应和协同反应, 而根据反应物和生成物的结构关系, 有机反应可以分为酸碱反应、 取代反应、 加成反应、消除反应、 氧化还原反应和缩合反应等[1]。 综合两类方法和反应试剂的类型, 基础有机化学中常见的有机反应可以表示为图1 所示的几种类型。

图1 有机化学的常见反应类型Fig.1 The most common reaction type of organic chemistry

化学反应是有机化学的重要研究内容, 反应机理是对反应过程的详细描述, 通过反应机理可以预测反应的产物、 反应的速率及影响因素、 反应的立体选择性和区域选择性等。 然而,由于反应机理都是由抽象的化学符号组成, 且具有微观性和逻辑性, 若采用传统授课方式, 从“教” 到“学” 单向输出, 学生被动的学习, 教学效果往往大打折扣。 因此, 如何充分调动学生的学习积极性, 使学生主动参与到教学活动中, 提高其自主学习能力和探究精神是一项重要的研究内容。

参与式教学法是指在教师有目的、 有组织的引导下, 学生主动参与到教学活动中来的一种教学方法[2]。 参与式教学法的特点包括开放式的教学内容、 提问式的讲课、 无标准答案的习题和论文或报告形式的考试。 这种教学模式可以培养学生的参与精神和探究精神, 提高学生的自主学习能力和创新能力[3]。参与式教学一般分为两种形式, 一种是正规的小班、 短时授课的教学模式, 另一种是在传统教学法中融入参与式教学法的元素[4]。 结合实际授课情况和学科的内容特点, 我们主要采用第二种方法。

参与式教学模式强调全员共同参与教学活动, 在教学策略上注重小组合作、 情境体验、 游戏探究和交流展示, 在教学实际过程和互动关系中实现教学相长[5]。 下面我们将以卤代烃的亲核取代反应为例探讨参与式教学模式在有机化学反应机理教学中的运用。 卤代烃亲核取代反应最常见的两种机理类型为单分子亲核取代(SN1)反应和双分子亲核取代(SN2)反应, 两者的区别在于决定反应速率的分子种类不同, 学习时可以采用对比法。 具体教学实施方案如下。

1 准备阶段

在传统教学中, 准备阶段主要是教师准备教学内容、 教学方法等, 而在参与式教学法中, 老师和学生都应该有所准备,教师也可以发布任务指导学生进行准备。 为了便于学生理解,在卤代烃的亲核取代反应机理一课中, 由教师制定并发布课前任务, 指导学生将抽象的、 微观的、 逻辑性强的机理具象化、 宏观化, 并引导他们设计合理的剧情理解机理的逻辑。 具体的课前任务为: 预习卤代烃的亲核取代反应机理, 以4 人一组为单位,拍摄一组小视频描述你们理解的亲核取代反应机理, SN1 和SN2 反应可二选一, 在规定时间内完成视频拍摄并上传至学习平台。

教师提供可参考的剧本, 如离去基团卤素和反应中心碳原子为“好朋友”, 他们拥有共同的玩具“成键电子”。 由于卤素的电负性强, 玩具“成键电子” 偏向于卤素, 因此两位好朋友之间出现矛盾。 若矛盾太强, 反应中心和卤素直接断键, 卤素带着电子离开, 而原来的反应中心缺少电子, 可接受有电子的亲核试剂的进攻, 重新成键, 此为SN1 反应。 另一种, 卤素和反应中心碳原子之间存在矛盾, 但该矛盾不足以断键, 当受到外界亲核试剂的诱导时断开原有的键, 形成新的化学键, 此为SN2 反应。 学生在此基础上可以进行改编或剧情完善。

这里学习者采用角色扮演的方式, 将机理宏观化、 具象化并根据小组理解给出合理的逻辑解释。 这一过程是学生主动参与、 探究的过程, 考察了学生的自主学习能力、 沟通交流能力、 团结协作能力和创新能力。

教师结合学生课前任务的完成情况, 制定合适的教学实施方案, 最大限度地激发学生的学习热情, 提高学生的参与度。

2 实施阶段

根据课程定位和培养目标, 结合教学大纲, 确定本节课的重点, 预测本节课的难点, 制定本节课要达成的教学目标。 以成果为导向进行学习, 可以使学生在学习中根据目标反馈不断进行改进和调整[6]。

2.1 课程导入

课程导入是课程教学基本且必要的环节。 好的导入可以使学生尽快进入学习状态, 调动学生的学习积极性。 在卤代烃的亲核取代反应机理一课中, 我们以治疗慢粒病的特效药格列卫为例进行引入。 格列卫的主要成分为伊马替尼, 它的合成可以分为四部分, 由三步反应来制备[7], 如下图2 所示。

图2 伊马替尼的合成Fig.2 Synthesis of imatinib

通过伊马替尼的合成, 培养学生的科学素养并使之初步意识到亲核取代反应在实际生活中的重要应用。 通过这一例子中卤代烃和胺的反应, 引导学生回顾其他卤代烃的亲核取代反应, 并提出问题: 为什么同样是亲核取代反应, 有的反应速率是伯卤代烃＞仲卤代烃＞叔卤代烃, 而有的反应速率却是叔卤代烃＞仲卤代烃＞伯卤代烃? 通过提问-回答-提问的方式, 牢牢抓住学生注意力, 引发学生思考, 激发学生的学习热情, 从而使其主动参与课堂寻找问题的答案。

2.2 卤代烃SN2、 SN1 反应的定义

概念、 定义等基本知识学生可以通过课本来获得, 如SN2、SN1 反应的定义就可以通过学生自学进行掌握, 而掌握的程度如何我们可以通过案例分析进行检验。 如下图3 所示, 溴甲烷可以在百分之八十的乙醇溶液中水解变成甲醇, 这一反应速度很慢; 而叔丁基溴在同样条件下可以很快反应生成叔丁醇。 当像反应中加入碱时, 发现溴甲烷的水解反应速率明显加快, 而且碱的浓度越大反应越快。 而叔丁基溴的水解反应速率基本不受影响, 通过学生对两个反应类型的判断即了解学生是否理解了SN2、 SN1 反应的定义。

图3 案例分析举例Fig.3 Example of case analysis

2.3 SN2、 SN1 反应的机理

SN2、 SN1 反应的定义并没有解决导入时提出的反应速率快慢问题, 因此需要继续深入学习两种机理。 机理的学习包括以下几个部分: 机理的理解, 机理的书写及由机理得出的反应特点、 势能图、 影响因素等。

首先是反应机理的理解, 这是本节课的重点, 也是难点。这里, 我们选出两组分别表示SN2、 SN1 反应机理的课前作业,通过交流展示和小组讨论, 充分发挥学生的主观能动性和探究精神。 为帮助学生更好的理解SN2、 SN1 反应的机理, 教师可指导学生将微观的、 抽象的、 逻辑性的机理与学生拍摄的宏观的、 具象的剧情进行关联, 并引导学生深入思考: 为什么伯卤代烃水解一般按照SN2 机理进行? 为什么在SN2 反应中亲核试剂要从离去基团的背面进攻? 为什么叔卤代烃水解一般按照SN1 机理进行? 为什么SN1 反应的产物是消旋的? 通过老师问学生答, 学生问老师答, 学生问学生答和老师问老师答引导学生积极思考问题, 进而一步步掌握知识。

有机化学是一门自然科学, 角色扮演和情境设置都是为了更好的理解抽象的、 微观的、 科学的内容, 因此授课最终要回归到严谨的科学内容上来。 小组讨论后, 将严谨的机理书写与注意事项通过补充、 总结的方式进行呈现, 并通过实例展示、学生观察、 教师强调易错点, 如SN2 反应的构型转化≠R/S的转化, SN1 机理中因有碳正离子中间体生成, 需特别注意重排产物的生成等。

理解了反应机理, 再结合机理动画和模型演示可以使学生进一步直观感受反应进程, 总结出反应特点。 通过能量分析和模型演示分析反应势能图, 引导学生思考影响反应的因素, 对比SN2、 SN1 反应的不同影响因素, 解决导入时提出的反应速率问题。

2.4 SN2、 SN1 反应机理的应用

应用就是将所学内容用于分析、 解决实际问题, 以提高学生的应用能力。 比如, 前面提到的伊马替尼的合成, 第三步就是通过卤代烃的亲核取代反应完成的, 那么这种反应的机理应该是哪一种呢? 通过前面机理的学习, 由于可以生成相对稳定的碳正离子, 反应很可能按照SN1 机理进行, 如图4 所示。

图4 合成伊马替尼中间体的可能的机理Fig.4 Proposed mechanism for synthesis of Imatinib intermediate

化学不是一门独立的学科, 亲核取代反应就很好了说明了这一点。 除了在医学方面的重要应用, 亲核取代反应在材料、农药等领域都有着重要应用。 比如1-戊醇可以由1-氯戊烷通过水解反应来制备, 这一反应就可能通过SN2 机理进行。 1-戊醇是一种重要的工业原料, 可以用作油漆的溶剂, 也可以作为合成中间体, 在实际的生产、 生活中都有着非常重要的应用。

2.5 练 习

知识目标是否达成可以通过练习进行检测, 本节课中可以供练习的内容有机理的书写、 立体选择性产物的书写、 反应速率的排序及速率影响因素的判断等。 因课上时间有限, 可以通过学习平台如雨课堂、 学习通、 云班课等选择合适的内容进行在线测试。 这种测试方法的优点是能及时掌握所有学生的学习进度, 并进行有效反馈; 缺点是该方法只适用于客观题, 主观题耗时太长, 需教师或学生利用课下时间进行评价。

在本节课中, 我们设置的习题是比较不同化合物进行SN2或SN1 反应的速率, 通过整体答题情况了解学生对亲核取代反应机理的理解, 并根据反馈及时做出调整。

2.6 总 结

由于本节课采用对比法学习, 因此可以采用表格的形式进行总结, 一目了然。

2.7 作 业

机理是根据大量实验事实总结出来的, 随着研究的深入,有些机理会得到进一步完善, 如2016 年《自然》杂志曾发表文章, 提出要对SN2 反应进行再思考[8]。 在基础有机化学中, 亲核取代反应通常为离子型机理。 2017 年, Fu 等[9]报道了自由基机理的亲核取代反应, 并与SN1、 SN2 机理进行了对比, 分析了各自的优点与局限性。

表1 总结Table 1 Summary

根据两篇与内容有关的前沿文献, 可以设置开放型的报告形式的作业: 请学生仔细阅读两篇文章, 撰写一篇学习报告,(1)分析SN2 反应有哪些新的研究成果; (2)与自由基历程的亲核取代反应相比, SN2、 SN1 历程有什么优点和局限性。

没有标准答案的开放型作业的设置, 有助于学生独立思考, 寻找更多的可能性, 有利于创新能力的培养。

3 结 语

文章的创新之处在于以卤代烃的亲核取代反应为例, 通过角色扮演将微观的、 抽象的、 逻辑性的机理以学生参与的、 宏观的、 具象的、 有剧情的小视频形式呈现, 大大提高了学生的参与度、 探究能力和创造能力, 学习者普遍反映印象深刻, 教学效果较好。 在课程实施过程中, 采用提问式的讲课方式引导学生积极思考; 授课内容中引入正在研究的科学问题扩展学生视野, 提高学生的科学素养; 作业设置为开放式的报告形式,有利于学生提高探究能力和创新能力。 总之, 参与式教学模式应用于有机反应机理教学中, 可以帮助学生更好的理解机理,体现学生的主体地位, 提高学生的自主学习能力、 探究能力和创新能力。