基于知识构建的化学反应机理教学探索*

余群英，余敬谋，宋英培，刘文波，赵建国，姜登钊，曾 明

(九江学院药学与生命科学学院，江西 九江 332005)

1 反应机理教学的必要性

有机化学对许多学生来说有一个可怕的名声，他们经常把它看作是一门难学、复杂的把关课程，并且学生认为其被无关紧要的内容填满，主要是靠记忆来学习。尽管有机化学可能因为许多原因而令人恐惧，但不幸的是，许多学生在经过一整年的学习后，无法理解化合物的结构与性质相互联系的基本原理。即使是化学研究生也很难系统地预测有机反应的结果。许多学生被众多内容所压倒，缺乏理解结构所包含的信息的能力，被迫通过类比或表面特征来记忆和解决问题。许多学生虽然通过有机化学课程考试，但没有学会如何利用反应机理来解释反应现象。

国内外许多化学教育者研究表明从事反应机理学习的学生相对于非机理学习的学生而言，更有能力解决较复杂的有机化学问题。因此将反应与其机理相结合的教学法，可提高学生对有机反应和机理的认识，有助于提高学生对化学知识掌握的信心，有助于学生向化学家身份的转变[1]。60年前，罗伯特·莫里森和罗伯特·博伊德出版了第一版教科书，这本书彻底改变了有机化学的教学。通过将反应与机理相结合，作者推广的“机理方法”促进了当今有机化学教学，其中电子转移方法被用来提出可能的逐步反应途径。该方法对于实验有机化学家来说仍然很重要，因为机理是“一种理解、预测、改进反应的方法”[1]。

2 学生在使用弯箭头表示法描述反应机理出现的障碍

用弯箭头表示法描述机理过程中的电子流向是有机化学课程中最重要的表征方法之一。在本科和研究生有机化学课程中有很多方法来表征机理过程中电子的传递流向，但很少有像弯曲箭头表示法能得到普遍的应用。弯曲箭头表示法在许多有机化学课程中占据令人尊重的核心地位，1922年，Kermack和Robinson首先介绍了弯曲箭头的用法，除了用于反应机理的描述，现已广泛用于逆向合成分析的设计、未知反应产物的预测以及共振结构的生成[3]。毫无疑问，有机化学科研工作者从机理的研究和弯曲箭头表示法中受益匪浅，但学生从弯曲箭头表示法的使用中，实际上获得了什么效果呢？大多数学生认为没有必要，或者无法利用弯箭头表示法来解释反应机理。然而，存在一个重要的问题，使用弯箭头表示法来机理推理的学生是否更有能力解决学习过程中出现的问题？相比于大多数不使用机理推理的同龄人，他们是否更有能力解决更困难的问题？在试图回答这些问题时，Nathaniel等[3]进行了研究，表明从事机理推理和弯曲箭头表示法的学生从中获得了效益。

有关弯箭头使用的各种规范性文章已有发表。大多数介绍性的有机教科书也有专门的章节介绍弯曲箭头的使用艺术，并详细讨论了传统教科书的一些补充问题。虽然这些“如何”的叙述是重要的教学内容，并告诉我们一些关于有机化学科研人员的思维过程，但我们却很少了解新手在机理问题的解决过程中是怎样对待的。Nathaniel等[4]就学生在学习有机化学机理过程中发生怎样的变化做了一项研究，得出了一个令人不安的趋势，当要求学生在预测一系列反应产物的过程中提供反应机理时，大多数学生要么简单地预测产物之后不提供机理，要么用弯箭头“装饰”产物来创建一个所谓的机理。有这两种行为的学生占参与研究学生的近80%。Nathaniel等[3]认为这些现象可能归因于学生认为不需要使用弯曲箭头表示法来预测产物，或者仅仅是因为老师明确要求他们这样做，而不是让他们从中获得了任何的内在价值。对于有机化学这样一门非常重视弯箭头表示法的学科来说，这些结果非常令人惊讶，也非常令人失望。假设，机理使用带来的积极效应和学生负面的认知问题之间存在一个动态平衡，Nathaniel等建议老师必须很好地了解错误认识等这些问题如何影响学生使用机理的效果，并找到帮助学生克服这些问题的方法。例如，老师是否可以制定“分块”策略，减少与使用机理相关的错误认识问题？并建议教师应专注于开发学生学习反应机理的教学法，并在课程中加强这些方法。在课程早期花额外的时间让学生学习弯箭头表示法的含义，学习它的基本原则，就像教会学生学习掌握一门外语一样，虽然语法不自然，违反直觉。为了让初学者学好反应机理，Nathaniel等建议老师在教学过程中需考虑几点：(1)弯曲箭头从反应物的什么位置开始？(2)弯曲箭头在什么位置结束？(3)弯曲箭头到底是什么意思？(4)是使用单倒钩箭还是双倒钩箭？(5)反应步骤之间是协调一致的还是有先后顺序的？(6)如果有先后顺序，中间产物是什么呢？(7)中间体是如何转变成产物的？显然，理解反应机理需考虑的因素较多，这也是学生们不自发地使用机理的原因。

Gautam等[2]在探索学生本科阶段的有机化学学习经历在多大程度上能够帮助他们解决研究生阶段或从事科研工作时可能遇到的机理问题，对研究生解决机理问题的方式进行了研究，这些问题与传统简单体系提出的机理相差甚远，如图1所示。他们发现14个参与者中有12个试图利用乙烯基上的电子亲核攻击四元环，打开非活性的碳-碳键(图3)。参与者在处理问题时，只关注能够转化成产物当中某模块的步骤，不太可能采取必要的步骤来准备另一个步骤，通常为关键步骤。在本例中，Diels-Alder型的电环开环将被视为准备性步骤(图2)。但参与者没有考虑到这一步骤，因为它不能直接得到产物的某个模块。研究表明，参与者当被要求解释已展示过的反应机理时，他们只是简单地再现记忆中的图，根本不是在解决化学问题，而是在玩拼图游戏。这项研究表明，有机化学学生可以在不了解反应机理相关化学概念的情况下，得出正确的产物结构。研究还表明许多完成了有机化学课程并继续进入研究生阶段学习的学生并不知道弯箭头与化学基本原理之间的关系，例如，参与者可以很容易地定义Brønsted碱和亲核试剂的概念，但要求将相关概念应用于解释反应机理时，很难将两者区分开来。在这种情况下，Gautam等建议老师需要找到一种方法来帮助学生认识弯箭头表示法起着解释反应机理的作用。学生需要更清晰地理解每一步机理背后的一些概念和原则。为了促进成绩优异者成长为未来的优秀化学家，就如何将理论融入到问题的解决中，老师们应该有明确的见解。

图1 测试者问题

图2 测试者问题的答案

图3 测试者给出的答案

Gautam等[1]研究学生在解决反应中电子转移的过程中发现他们倾向于将整个电子转移机理记忆为单一的、不可分割的知识单元。他们指出学习新语言的人表现出一种类似的行为，学员倾向于把整个短语作为未分析的板块进行死记硬背。当学习者在不必理解组成词的情况下就能理解整个短语的意思时，这组词被认为是未分析的词块。将短语分解成组成词称为“句法化”，在解析电子转移机理的过程中，相当于将路径分解成若干个组成步骤，即典型步骤。认识到学生倾向于将整个电子转移过程作为未经分析的板块来记忆，他们建议化学教学过程中应花一部分时间重点帮助学生对反应机理进行“句法化”。这种明确的指导很重要，因为多个小组研究表明，能够将完整反应机理分解成更小步骤的学生正确预测反应产物的可能性高出10倍。因此，分析反应机理的过程中能培养学生推理能力。

3 基于知识构建的弯箭头表示法描述化学反应机理教学探索

以上折射出在有机化学教学中需要很好地理解学生在尝试使用弯箭头表示法解释反应机理时所面临的障碍。有机化学是一个以过程为导向的学科，它从普通化学中常以产物为导向的观点向以过程为导向的观点转变，这种转变至少部分地导致了许多学生在学习有机化学时面临困难。自博德纳发表的当代著名短语“知识是在学习者的头脑中构建的”，30多年来累计被引用1000多次，表明建构主义对化学教学产生了重大影响。建构主义作为一种教与学的理论框架，与以往的行为主义有着重大的不同，因为知识建构意味着学习者必须积极构建新的知识，而不是简单地接受并记住完整的外部信息。知识构建可被看作是一种对知识资源进行整合、优化的结构体系，同时它也被认为是一种使知识更易于理解和吸收的工作理念、工作过程和工作方法[5]。

本论文以大二本科学生为对象，选取亲电加成、亲核取代、双分子消除反应(图4)这几个章节为例，将知识构建策略应用于具体的教学过程中。

图4 亲电加成反应(1)；亲核取代反应(2)；双分子消除反应(3)

3.1 知识组织功能的运用

我们将以上反应以通式的形式表示出来(图5)，式中，Nu为亲核试剂，E为亲电试剂，Y为离去基。之所以用通式的形式表示出来，旨在简化反应机理的解析过程，使知识易于理解和吸收，这里体现出了知识构建中知识的组织功能。

图5 通式

3.2 弯箭头含义及用法的引出

通式中使用了弯箭头，对于初学者，首先介绍弯箭头的含义是非常必要的。在整个知识构建中，让学生理解弯箭头的含义是构建该知识板块的起点，然后以此为起点循序渐进地构建起完整的知识模块。Gautam等指出知识建构意味着学习者必须积极构建新的知识，而不是简单地从外部接受和保存完整的知识。因此，从建构主义的角度来看，一个人所学的东西是由他已经知道的东西决定的。因此，系统地研究学生的先验知识是设计有效教学材料的重要出发点，因为它有助于揭示学生的概念、误解和推理模式。所以在开始介绍弯箭头的含义时，我们先联系学生的经验，看到箭头，学生一定会联想到日常生活中的路的指示方向，指示我们行走的方向，而在反应机理的解释中，弯箭头代表的是一对电子的转移反向。因为化学反应为电子的有序转移过程，则表示电子的转移符号必不可少。若没有必要的电子转移标注，则视为反应机理未得到有效解析，至少是机理解析不完全。约定俗成的规律是用弯箭头表示一对电子的转移过程，且弯箭头的起点为反应前独对电子所处的位置，弯箭头的指向为反应后独对电子所处的位置(总之，弯箭头代表一对电子的转移，弯箭头的始点与终点分别表示独对电子在反应进行前后所处的位置)。显然，电子的转移方向、弯箭头的弯曲方向不是任意的，弯箭头的弯曲方向显然与基团电负性相关，独对电子只有向电负性较大的元素一方转移才符合电子转移规律。

3.3 亲核试剂、亲电试剂、离去基概念的构建

弯箭头的起点均是电子密度较大的富电体，即亲核试剂，而弯箭头的终点均是电子密度较小的缺电体，即亲电试剂。那什么是亲核试剂呢？在这将理论概念融入到问题的解决中，让学生清晰地理解每一步机理背后的一些概念和原则。亲核试剂，它是以其独对电子和亲电试剂成键的，故带有一对孤对电子是亲核试剂的基本特征。既然带有孤对电子，亲核试剂的中心元素上就必然聚集相对较多的电子，故亲核试剂属于富电体，因而应该或多或少带有部分负电荷而具有碱性的特征，能以其独对电子与缺电体亲电试剂相互吸引、接近而最终成键。亲电试剂，它是接受亲核试剂上独对电子成键的，故必须具有空轨道或者在亲核试剂接近时能够腾出空轨道，因而具有酸性特征。不仅如此，亲电试剂和亲核试剂成键的必备条件是相互吸引与接近，故亲电试剂中心元素上必然具有较少的电子成为缺电子，带有部分正电荷，因而才能与亲核试剂相互吸引、接近、成键。离去基，它总是与亲电试剂成对出现的。正是由于离去基的离去才能腾出亲电试剂上的空轨道(路易斯酸除外)；而离去基之所以能够带着一对电子离去而腾出亲电试剂上的空轨道，是因为离去基比亲电试剂具有相对较大的电负性，至少在离去瞬间是如此；也正是由于离去基具有相对较大的电负性才使得亲电试剂成了缺电体。

3.4 让学生尝试用弯箭头表示法描述双分子消除反应(3)的反应机理，然后给出正确答案

图6 弯箭头表示法描述双分子消除反应机理

当学生提笔尝试用弯箭头表示法描述反应(3)的反应机理时，会想到应从哪开始画弯箭头的起点呢？然后弯箭头的终点指向哪呢？离去基团又是什么呢？这时在学生边尝试用弯箭头表示法解释反应机理时，老师边讲解亲核试剂、亲电试剂、离去基的概念。反复把课堂时间集中在有机化学的主题的贯穿上和核心概念的明确认识上，这样学生就不会只专注于具体功能组和具体转换的细节上，让学生认识到弯箭头表示法起着解释反应机理的作用。在给出正确答案后(图6)，让学生自己得出双分子消除反应实质上是以上通式的串联过程的结论。

3.5 引导学生观察发现问题

课堂中，让学生对以上反应进行比较，引导学生发现问题(提示反应2和3中，原料都出现了卤代烃)，经过观察后，学生会发现卤代烃在碱性试剂中既可以发生亲核取代反应，又可以发生消除反应，那在什么情况下发生取代反应，什么情况下发生消除反应呢？学生自然会有这样的好奇心。一般是一级卤代烃倾向于发生取代反应，只有在强碱条件下才以消除为主；三级卤代烃倾向于发生消除，即使在弱碱条件下(如Na2CO3水溶液)也以消除为主；二级卤代烃的情况介于三级与一级之间。

3.6 引出试剂的亲核性与碱性的差别

老师在课堂上指出乙醇钠在反应(3)和(2)中所扮演的角色

不一样，在反应(3)中起碱作用，而在反应(2)中，是亲核试剂，引起学生的好奇心。同一个试剂，为什么有的时候是起碱作用，有的时候是起亲核试剂的作用？碱性和亲核性两者有什么区别呢？通过让学生比较分析之后，然后讲授两者之间的关系，从而引出试剂的亲核性与碱性的差别：碱是具有独对电子的亲核性物质，亲核试剂也是具有独对电子碱性物质，两者具有某种意义上的一致性。然而两者仍有区别，碱性是针对缺电子的氢原子而言，亲核试剂是针对缺电的碳原子或其他缺电元素而言的，两者的成键对象不同。

4 结 语

本论文借鉴国内外教学人员关于利用弯箭头表示法描述化学反应机理教学中的建议，选取亲电加成、亲核取代、双分子消除反应(反应式如图2所示)这几个章节为例，将知识构建视角下的教学法应用于该内容的教学过程中，并进行了详细分析。我们先将所需讲授的内容进行了整合分析，从以学习弯箭头的含义为起点，基于学生的先验知识，循序渐进地构建起所选取章节内容的完整知识模块。将理论概念融入到问题的解决中，把课堂时间集中在核心概念的明确认识上，避免学生在使用弯箭头表示法描述反应机理时可能出现的障碍，促进成绩优异者成长为未来的优秀化学家。