科学创新能力浸润式有机化学课堂的教学实践*

张树鹏，汤永兴，何 英，宋海欧，董 伟

(1 南京理工大学化学与化工学院，江苏 南京 210094；2 南京师范大学环境学院，江苏 南京 210023)

高水平本科教育的总体目标在“新时代高教40条”中已经明确，是建成一批立德树人标杆学校、一批一流本科专业点；到2035年，将形成中国特色、世界一流的高水平本科教育。课堂是育人主阵地，课堂教学是实现“以学生为中心”的教学理念转型的关键环节。课堂教学科学设计是有效提升课堂教学质量，激活学生科创兴趣，实现理论实践融合，锻造金课的核心。互联网时代的大学生已经形成了随时从网络获取知识的习惯和能力。大学教师如果只照本宣科，不引入教法，将不会吸引学生注意力，甚至会导致学生厌学。

新时代，环境、生命、材料、能源、生态等领域均得到了重要发展，而化学化工几乎参与到了所有领域。实现大学化学课堂革命，能够培养出符合时代发展需求具有创新能力的新时代大学生。教师应以学生为中心，结合网络时代大学生个性特点，创新教学模式，优化教学设计，培养学生科创智慧，打造具有创新性、高阶性和挑战度的化学金课[1]。

有机化学是我校化学与化工大类专业学生必修的一门专业基础课，通过本课程的学习，让学生掌握各类有机官能团的转变及蕴含的反应机制，并以此为基础合成新物质，发现新应用。为了帮助同学们较好地掌握官能团的转换规律，搭建理论与实践的桥梁，我们围绕碳正离子、碳负离子及碳自由基等核心知识点，已经构建了一张有机化学蛛网式知识网络图谱[2]。利用该图谱，可以强化学生的自主学习能力，提升发现问题，分析问题和解决问题的能力，切实提高有机化学的教学质量。在讲授过程中，我们采用启发式、探究式、讨论式、参与式“四位一体”教学方法，实现了以学生为中心、教师为主导的创新性教学模式，有助于培养学生独立求知、系统思考和不断开拓的创新能力[3-4]。随着科学实践的不断进步，新颖案例的不断出现，如何在教学过程中，创设问题情景，利用生活化的案例引出化学中的核心知识点，润物细无声的融入课程思政，再通过科研实践夯实反应机制的深度理解等，均对任课教师的理论知识水平及科研能力提出了更高的要求。本文将结合笔者多年的教学实践，以有机化学课程为例，通过案例的方式浅谈科创能力浸润式高阶课堂的教学实践。

1 卤代烃和亲核取代反应

1.1 循规蹈矩式教学法

常规课堂教学中，一般均是从卤代烃的定义开始引入的。如：烃分子中的氢原子被卤素原子取代后的化合物称为卤代烃。根据取代卤素的不同，分别称为氟代烃、氯代烃、溴代烃和碘代烃。由于卤原子(X)与碳原子(C)的吸引电子的能力不同，即电负性的差异，致使卤代烃分子中的C-X键具有一定的极性，X带有部分的负电荷，C带有部分的正电荷。当C-X键遇到其他的极性试剂时，X原子被其他原子或原子团取代的反应成为亲核取代反应。这种教学方式适用于具备较好化学背景的学生，或者高年级研讨式教学课堂，可以利用更加理性化的思维来直接进入有机化学知识内核，是一种循规蹈矩式的教学模式。

1.2 能力浸润式教学法

诚然，循规蹈矩式的教学模式具有一定的优势和存在价值。但是，它欠缺了理论与实践的深度融合，固化了知识本身，忽视了思政融入，弱化了应用前提。双分子亲核取代反应(SN2)作为有机化学中非常重要的一类官能团转化反应，在有机合成中占有及其重要的核心地位。如果能激发同学们的学习兴趣，这对于后期深入探索控制SN2反应的化学结构、反应活性、立体化学及溶剂影响等因素，将起到重要的推动作用[5]。因此，我们以学生为中心，采用案例引入、原因剖析、机制探究、解决问题、科研融入与思维拓展等环节来打造科学创新能力浸润式有机课堂(图1)。

(1)案例引入

教学案例是引入核心教学内容的一个实际情境的描述。它通过讲述一个简短、生动的故事，讲述了教学故事的产生、发展历程，极大引发同学们的学习兴趣。但是故事不应太长，它是为专业知识点而服务的，只需要将核心点给出即可，一般为60 s以内为宜。

傅园慧，中国国家女子游泳队运动员，游泳世界冠军。在里约奥运会女子100 m仰泳半决赛，傅园慧以58秒95的成绩位列第三，晋级决赛。在接受采访时，脱口而出的“洪荒之力”展示了她真实、纯粹、活力和对体育“享受”的阳光性格。那么她脱口而出的“洪荒之力”是一种什么力量呢？

通过一个真实、鲜活的中国运动健儿的生动案例，引出问题，激发学习兴趣，解构生活与化学的联系，并提醒同学们不要被表面现象迷惑，要抛开复杂现象，深挖科学本质。

(2)原因剖析

当然，我们可以从去甲肾上腺素与S-腺苷甲硫氨酸在体内合成肾上腺素的有机反应来进行科学解释，但是由于生物分子的结构复杂性，同学们理解起来非常困难。此时，我们需要融入化繁为简的教学思想。创设问题情景，基于一个简单分子进行教学设计。例如，加热水中的氯甲烷和氢氧化钠的混合物可高收率得到甲醇和氯化钠，请问反应机制是什么呢？

(3)机制探究

教师可以引导学生从以下两个问题进行切入，原料如何开始反应？中间体又是什么？并由此引出C-X键中，由于电负性的差异，而导致C-X具有一定的极性，X带有部分的负电荷，C带有部分的正电荷。而带有部分正电荷的C就可以受到来自带有负电荷或者电子对的原子和原子团的进攻，而发生取代反应。此时，教师可以进一步导入问题，请问进攻位置在哪里呢。于是，课堂教学过程中，就可以通过师生互动、生生互动来深入挖掘机制探究中的科学问题，培养同学们的科学思维和逻辑思维。而且，可以通过引入立体化学，详细分析SN1和SN2反应机制的异同，分享著名科学家Walden的成长故事。经过缜密分析，师生就可以总结出SN2反应机制并探讨影响因素。

(4)解决问题

经过基于简单分子建立SN2反应机制以后，我们就可以解释“洪荒之力”了。原来是当人体如果遇到刺激的时候，比如兴奋、恐惧就可以在体内利用去甲肾上腺素与S-腺苷甲硫氨酸合成肾上腺素。肾上腺素就是人体处于情急之下而分泌出来的。分泌这种激素，可以使心跳加快、呼吸加速，气管扩张、血流量明显加大，血糖也可以升高从而增强力量、提高反应速度、对抗有害的各种刺激。这样一来，同学们不仅可以研讨基础理论知识，解构情境与化学联系，更可以品鉴化学美感，提升学生学习志趣，形成知识转化智慧的能力。

(5)科研融入

为了进一步增强有机化学知识的产学研用，践行理论联系实际，教师可以将科研成果引入课堂。我们课题组多年来利用氧化石墨烯(Graphene Oxide，GO)为基材，借助有机化学反应构建了一系列功能化石墨烯纳米材料，该材料可以应用于污染物的电化学传感器和电容去离子领域。GO表面含有丰富的含氧功能基团，如醚氧基，羟基，羧基等。对于醚氧基团，由于C和O原子的电负性差异以及三元环的较大拜耳张力，使得带有部分正电荷的C原子非常活泼，容易受到带有负电荷或含有电子对的有机分子的进攻[6]。也正是基于该反应，我们课题组巧妙地将对苯二胺[7]、多亚乙基胺[8]及间苯二胺[9]等功能化于GO表面，构筑了系列三维纳米石墨烯材料，实现了高效电容去离子脱盐，保护了环境。利用一系列的科研案例让同学们真切的感受到刚刚领悟到的核心知识点有用、能用、会用，建立起强大的课程认同感，专业认同感及学科认同感。

(6)思维拓展

以前沿科研问题为依托，通过学生课下准备-课上翻转，线下-线上互动讨论等多种形式汇报成果，实现理论与实践的知行合一；进一步融入肯定-否定-肯定之思辨规律，实现课程高阶性。通过过程性考核方式全面评价学生知识认知的探究性和个性化。

2 结 语

本文以有机化学中经典双分子亲核取代反应为例，详细地阐述了科学创新能力浸润式有机课堂的教学实践模式。以学生为中心，创新性地采用案例引入、原因剖析、机制探究、解决问题、科研融入与思维拓展六环节打造了科学创新能力浸润式有机课堂，不仅提升了学生的学习兴趣，更加拓展了学生的知识视野；基于“生活-理论-实践-升华”的教学设计架构不仅让学生更加钟爱有机化学课程的学习，而且增加了对化学化工领域的重新再认知和深度认同，有利用培养综合化的创新人才。本教学案例录制的微课获得了江苏省微课比赛一等奖，教学设计理念获得了江苏省教学创新大赛特等奖，全国教学创新大赛二等奖。