基于發散思維策略的化工類專業有機化學教學探索
——以“烯烴”教學為例

＊鄭衛新 鄭輝

（杭州師范大學材料與化學化工學院 浙江 311121）

1.引言

發散思維（Divergent Thinking）是指一種擴散狀態的思維模式，表現為思維視野廣闊，思維呈現出多維發散狀。發散思維是創造性思維最主要的特點，是測定創造力的主要標志之一[1]。吉爾福特（Guilford）在對創造力所涉及的思維能力進行實證研究后指出，訓練人的發散思維能力是培養創造力的一種有效方法[2]。思維導圖是一種表達發散性思維的有效圖形思維工具，可以把各級主題的關系用相互隸屬與相關的層級圖表現出來[3]。近年來華東師大劉濯源帶領的思維可視化研究團隊基于學科知識的特性，把概念圖、知識樹、問題樹等圖示方法的優勢特性相結合[4]，深入知識本質，挖掘規律，完成“學科思維導圖”體系的構建[5]。“學科思維導圖”作為一種“基于系統思考的知識建構策略”，更有利于高學段學生在學習過程中的“理解性記憶”和“結構化思考”。因此，基于學科思維導圖策略開展課程教學不僅利于學生加深知識理解及規律掌握，同時也促進通過發散式思維的多方法、多角度分析與解決問題。

2.學情分析

有機化學是高分子材料與工程專業及其它化工類專業的基礎理論課程。然而，在教學過程中學生學習該課程困難重重，究其原因主要有以下幾個方面：首先，有相當比例的學生進入大學依然還未形成符合化學學科特點的“理解性記憶”學習方法而導致缺乏應該具備的“結構化思考”思維與能力，因此無法適應有機化學甚至其他大學課程的學習。再者，有機化學課程教學內容體系龐大，知識結構復雜。此外，工科類學生對基礎理論課程的重視程度不夠也是導致學習困難的原因之一。而近年來隨著人才培養目標向通識化教育方向轉變，有機化學的課程學時不斷縮減的情況下教學要求卻不能降低，導致學生學習強度增大。

有機化學課程內容以有機化合物的骨架與官能團種類為主線組織教學內容，分兩個學期講授。與化合物相關章節內容主要包括化合物結構、性質及物質轉化規律。根據有機合物之間的相互轉化關系，不同章節內容之間存在緊密聯系，學生即使學到最后一章也可能會用到第一章的內容。例如“烯烴”是有機化學課程第三章內容，但是幾乎所有章節都會涉及到這部分知識點。因此，當學生面臨一個實際有機化學問題時（如合成、性質區別、結構鑒定與推導等），要查閱的內容可能會分散在多個章節中，學生會感覺到內容多到無從下手。

因此，如何在有限的時間與精力范圍內實現高效率教學是我們迫切需要解決的問題。具有碳-碳雙鍵的烯烴是合成聚烯烴類高分子材料的重要工業原料，以“烯烴”教學為例，開展基于發散思維策略的化工類專業有機化學教學探索。

3.實施方案及創新

以“烯烴”教學為例，在教材章節以有機化合物官能團教學體系的基礎上，將知識點以反應類型、試劑功能等為次級體系進行重構，根據學生學習進度推進，將課程教學過程分為初始、中期、后期三個階段，在不同階段分別開展基于矩陣圖、關聯圖和思維導圖策略的發散思維教學，將有機化學知識以多維度形式表現，針對學生學習困難開展有機化學教學。

(1)初始階段—基于矩陣圖的知識框架

重點掌握烯烴化學鍵性質與結構特點，在理解結構性質的基礎上掌握最基本的化學反應及反應機理。這一階段學生掌握的知識在整個體系中的比重較小，引導學生逐漸建立起基本學習思路，逐漸形成個性化學習方法是最重要的任務。

由教師指導學生設計、完成課程知識框架矩陣圖（如圖1），通過簡潔表達方式，幫助學生理解相同類型與不同類型反應的內在聯系與本質區別，旨在掌握“規律”而非“表象”。

圖1 “烯烴”教學中的知識矩陣圖Fig.1 Knowledge matrix diagram in "Alkene" teaching

圖1是教師在課堂教學中提供的知識矩陣圖。在該階段，教師以烯烴與炔烴的共同官能團碳-碳重鍵為核心，以矩陣圖形式為學生提供具有類似結構化合物的有機反應要點，該矩陣圖展示的是不飽和化合物中鍵的反應。從反應機理來看，圖中反應可分為離子型反應（親電加成）、自由基反應和協同反應，突出反應類型差異的同時，關注同為離子型反應的親電加成反應的共同特征，探尋物質轉化的基本規律，引導學生在學習有機反應時應關注共價鍵斷裂與形成的不同特征及電子轉移的不同方式。圖中空白處是該章節中的關鍵知識結點，部分由教師提供作為示例，其余空格由學生在學完新課后填寫。表格不僅有助于學生課后復習，更是要引導學生理解知識框架與結點，逐漸形成有機化學學科思維及合理的個性化學習方法。

(2)中期階段—化合物關聯圖

有機化學課程分兩個學期教授，學生在第一學期中完成包括烷烴/環烷烴、烯烴/炔烴、芳烴、鹵代烴等類型化合物結構與性質學習，已經具備一定的有機化學知識儲備，初步建立起多種類型化合物之間的關聯，但同時也會因龐大的有機物反應體系而感受到學習有機化學的巨大挑戰。此時是學生建立起有機化學學科思維的關鍵時期，若能順利完成將惠及后續的課程學習，反之則無法適應更深層次的學習而導致學習障礙。因此，在該階段學生在掌握知識的同時，應逐步樹立將知識融會貫通的意識，“有機化合物關聯圖”（圖2）可以幫助學生在這一階段的學習。

圖2的關聯圖包含有機化學I所學的章節內容。在該階段，學生已經掌握化合物之間的互相轉化方法不是唯一的，即使無法直接轉化，如從烯烴至炔烴，可以通過鹵代烴的合成與反應來實現。此外，箭頭的疏密亦可反映出化合物的反應活性。該關聯圖可以隨著教學進度推進而不斷擴充，不僅可以作為課堂教學提綱通過板書展示，學生在課外通過完成關聯圖中的反應路線，對不同物質的相同類型反應進行橫向比較，脫離教材結構而以發散式思維方式加深理解式記憶，有利于進一步深入思考、掌握物質轉化的規律并將知識應用于解決問題。在不同教學進度中，關聯圖中部分物質間轉化是單向，可以激發部分程度較好的學生在課外進行探究與自主學習，超越課程教學進度。

(3)后期階段—基于解決問題的發散式思維導圖

圖2 有機化合物關聯圖（有機化學l）Fig.2 Association diagram of organic compounds (Organic Chemistry l)

當學生完成羰基化合物及含氮化合物學習后，學生已經掌握并熟悉以發散式思維理解導向知識運用的課程多級體系及知識體系的橫向重構，可以完成脫離教學進度的次級知識體系的思維導圖，將有機化學知識應用于解決問題中。以烯烴類化合物合成為例（圖3），碳-碳雙鍵的選擇性構建是合成烯烴的關鍵步驟。根據碳骨架構建的基本思路，碳鏈是否增長是形成不飽和碳-碳鍵的核心問題。因此，以解決這一問題為導向，可繪制如圖3的關于碳-碳雙鍵形成的思維導圖。

圖3 “碳-碳雙鍵形成”思維導圖Fig.3 Mind map of“Formation of carbon-carbon double bond"

圖3中構建碳-碳雙鍵有兩種方式，分別是碳原子數不變與碳原子數增加（即形成雙鍵的同時有新的碳-碳鍵生成）。其中除了季銨堿熱解，其余碳原子數不變的方法學生在中學階段就有所接觸，先入為主的深刻記憶在一定程度上阻礙對其他方法的掌握。尤其是碳原子數增加的反應，由于涉及到不同化合物的分子間反應，學生往往較難掌握并運用。通過“碳-碳雙鍵形成”這一合成目標為導向，以發散思維模式梳理所有關于該專題反應，對知識點進行次級橫向重構，學生可以在理解式記憶的基礎上開展基于結構化思考，激發潛在的創造力，在多維思維模式中不斷提高創新能力。

發散思維可以為解決某一具體問題的收斂思維提供盡可能多的解決方案，與傳統有機化學教學相比，在不同階段基于發散思維教學不盡相同，主要有以下特點：

首先，在初期的“矩陣圖”階段，學生剛剛開始有機化學學習，首次接觸到大量的有機反應與機理，將知識框架用矩陣圖的方式進行表達非常有利于學生對學習重點的把握，大部分學生愿意這種簡潔方式對知識進行梳理，也利于學生發現同類化合物不同反應的共性與個體差異。

其次，“矩陣圖”的方式針對每章節的同類型化合物的教學具有優勢，但是在體現不同化合物之間的相互關系卻略顯不足，多種有機化合物相互之間的“網狀”轉化關系無法體現。因此在學生完成五種以上化合物的學習后，應該進入相應的“關聯圖階段”。與傳統教學相比，在這一階段能繼續參與的學生數量有所下降，部分學生開始為不同類型反應的選擇性所困擾。但是這階段能堅持思維導圖的學生開始在學習能力與學習深度上開始與其他學生拉開距離。以化學類182班（共34人）有機化學I為例，期中考試90分以上的學生僅1人，但是期末考試為8人。有機化學I、Ⅱ兩個學期共有四次全年級平行考試，每次考試內容均會覆蓋之前的所有教學內容，因此越往后難度會越大。分析這些明顯進步的學生，大部分是能夠用圖表或思維導圖方式進行學習與知識梳理的學生。由此可知，發散思維策略在有機化學教學中是有效的。

以“烯烴”內容為例，同樣可將發散思維教學策略應用于羰基化合物、含氮化合物等以官能團分類的常見有機化學教材體系知識點教學。更重要的是，發散思維還可以反應類型（如親核加成、親電加成等）、試劑功能（如還原劑、氧化劑等）、有機合成砌塊（如C1、C2、C3合成砌塊及等當體等）為核心主題對相關內容進行次級知識體系梳理，為學生在解決具體有機化學問題時尋求多種創造性方案提供思路與依據，在解決問題的同時不斷加深對知識的理解，實現理解性記憶-結構化思考-多方案解決問題的良性學習循環，逐漸在學習與思考中形成學科思維，具備良好的基本學科素養、自主學習能力與創造力。

4.結語

在互聯網與信息技術快速發展的時代，課堂不再是學生獲得新知識的唯一途徑，大學課堂除了傳授學科知識，更要注意培養學生的學科思維與綜合素養。引導學生在學習過程中形成符合學科特征的個性化學習方法與思路，在獲得自我成長的過程中樹立學習自信，具備自主學習、創新能力并逐漸形成終身成長能力，是當前高等教育在新時代關注的重要培養目標。開展基于發散思維策略的化工類專業有機化學課程教學可以使學生在大學低年級階段理論課程學習中逐漸養成自主學習意識，通過“理解性記憶”掌握理論課程學習方法與基礎知識，為開展具有化工學科特色的“結構化思考”以解決實際問題打下扎實基礎，在學習過程中激發潛在的創造力，提升創新意識與綜合素養。