基于“學”為導向的有機化學課程教學模式探索*

張文會，林 冰，卓魚周，劉雄偉，李亞楠

(貴州中醫藥大學藥學院，貴州 貴陽 550025)

有機化學是化學學科中最活躍的四大基礎化學之一，也是各類高校藥學相關專業的重要基礎課程。其中涉及的基本理論、方法是學生學好藥物化學、藥物合成、中藥化學等專業課程的前提和支撐[1]。作為學生公認的“難啃”科目，與無機化學和物理化學等課程不同，有機化學內容龐雜、知識點零碎，系統性、連貫性及邏輯性均較差，從而出現學生難學，老師難教等現象。當前，為培養適應市場經濟和社會發展需要的多元化、復合型人才，在“少而精，博而通”的教學理念引導下[2]，各高校均在新增公共選修課，導致原本就不多的專業課學時進一步縮減，但根據教學大綱要求，專業課尤其是專業基礎課的教學內容并沒有減少[3]。在此背景下，學生專業基礎課程的學習壓力逐漸增大，從課堂反饋及考試成績來看，有機化學下滑最明顯。在課堂學時有限甚至可能會更少的情況下，如何完成教學任務并保證教學質量，這就要求高校教師要正確認識有機化學的教學現狀，更新教學理念，并針對教學中存在的問題進行分析總結，揚長補短，完善教學體系，從而提高教學效果。本文首先對我國高校有機化學的教學現狀進行簡要分析，并結合實踐以馬氏規則及反馬氏規則教學為例進行教學探索，以期為培養新時代急需的復合型藥學相關專業應用型人才奠定堅實基礎，同時為后續有機化學教學模式改革提供理論依據和可行性參考借鑒。

1 高校有機化學教學中存在的問題

1.1 課程內容陳舊，學生興趣不足

興趣是學習成功最好的老師，是智力活動的最大動力。教學實踐也告訴我們，學習興趣是學生順利完成學習任務的心理前提。只有學生對內容產生興趣，才能讓他們主動去學，從而達到高質量教學的效果。目前，大部分有機化學教材中，知識結構體系及內容基本相同，均為化合物結構、命名、物理性質、化學性質、來源及制備等[4]，其中命名和化學性質為學生需要重點掌握的內容。有機化學發展非常迅速，新方法及新理論不斷涌現，但教材更新很慢，教學過程中如果教師不涉及與課程相關的最新科學前沿，就很難激發學生的學習興趣，更難產生“教”與“學”的共鳴。

1.2 知識體系混亂，學生抓不住重點

有機化學一般以官能團劃分每章節，共涉及近二十類官能團化合物的基礎知識，而章節間使用的教學模式基本固定[5]，為先介紹結構，然后是物理性質及化學性質等。因結構決定化學性質，就算是同類化合物由于取代基位置及反應條件不同都會得到不同的產物，而有機內容知識面太寬，體系較混亂，增加了學習難度。如烯烴的化學性質中，假如不講清楚馬氏規則及反馬氏規則的實質，只要求學生強制性記憶，那么實際稍微變換反應原料，氫到底加到含氫較多還是少的雙鍵碳上，學生就很容易混淆，抓不住重點，從而導致記不住，就算記住也不會應用等現象。

1.3 無知識結構梳理，學生思路不清晰

有機化學各類型反應復雜多變，課程知識點繁雜。而學生缺乏歸納總結和梳理的能力，教學過程中教師若不及時對重要知識點進行結構梳理，幫助學生理清學習思路，并找到主要關鍵點，則隨著教學內容的增多，學生很容混淆，找不到各知識的內在聯系，從而達不到舉一反三的目的，甚至喪失對有機化學的學習興趣。

1.4 不注重與藥學聯系，學生積極性不高

與學生學習的藥物化學及藥物制劑等其他課程相比，有機化學概念抽象、理論深奧、內容涉及面較廣。但教學內容常局限于有機化學基礎知識，與藥學相關專業契合度不夠，造成學生學習熱情低，習慣于考前“死記硬背”，難以獲得解決實際科學問題的能力。

2 以“學”為導向的有機化學課程教學模式探索

有機化學內容繁雜、理論分散，但是內容均為研究化合物的性質及結構，最終目標都是讓學生掌握化合物的結構、熟悉其性質并理解反應歷程。針對當前高校有機化學教學中存在的以上教學現狀，以烯烴的化學性質中馬上規則及反馬氏規則教學為例對有機化學課程教學模式進行初步探索，以期為培養創新型、應用型藥學人才提供參考借鑒。

2.1 設計課程引入，激發學生求知欲

2.1.1 通過熟悉事物，引導學生對碳碳雙鍵產生學習興趣課程導入能很好的激發學生的求知欲和好奇心，可通過提問、圖片、文字等各種方式形象展示。講解馬氏規則知識點前以檸檬烯為課堂導入點，檸檬烯結構中含有兩個碳碳雙鍵，其存在于多種水果、蔬菜及香料中，特別是柑橘類果皮中含量最為豐富(圖1)。柑橘類水果學生非常熟悉，但他們不知道其提取物檸檬烯屬于烯烴類化合物，具有鎮咳、祛痰、抑菌等藥理活性，且對癌癥也有一定的治療和預防作用。因此，以檸檬烯為課程導入點，以引起學生的興趣。有機化學中結構決定性質，性質反映結構，檸檬烯結構中有兩個雙鍵，雙鍵到底有哪些化學性質，可發生什么樣的反應，以這樣的方式引起學生對雙鍵的化學性質產生好奇進而引發學習興趣。

圖1 檸檬烯的來源及主要藥理活性

2.1.2 回顧知識，合理設計提問，啟發學生思維

“結構決定性質，性質反映結構”貫穿有機化學學習的全程，因此在學習馬氏規則之前，和學生一起回顧乙烯中碳碳雙鍵的結構特點。如圖2所示，碳原子為了成鍵需要先進行sp2雜化，形成三個能量相同的sp2雜化軌道，然后這三個sp2軌道分別與氫和碳原子“頭碰頭”形成σ鍵，而未參與雜化的p軌道以“肩并肩”形成π鍵，所以乙烯中的碳碳雙鍵是由一個σ和π鍵構成，這里可通過提問的方式加強學生對前面知識的回顧及后續烯烴親電加成反應機理的理解。一是提問學生，乙烯分子中的σ鍵和π鍵的性質是否一樣？結合學生的回答引入由于兩成鍵方式不同導致其化學性質不同。二是提問學生，形成σ鍵和π鍵哪個的電子云重疊程度更大？通過前期學習及PPT上乙烯成鍵分子軌道動畫摸型，學生很容易回答出π電子云受核的約束力小，電子流動性大，易被極化等特點。而易極化是烯烴可以進行親電加成反應的主要原因，從而引入這節課所學的重要知識點，烯經的親電加成就是π鍵打開形成兩個σ鍵的過程。通過回顧前期學過的分子雜化軌道理論，一方面帶動學生的學習信心，另一方面啟發學生思維，通過提問-回答-提問的方式，牢牢抓住學生注意力，引發學生思維，激發學生的學習熱情。

圖2 乙烯成鍵的分子軌道摸型

2.2 抓住反應實質，找到學習重點

烯烴化學性質中有一個很重要的Markovnikov規則(馬氏規則)，應用過程中到底是馬氏加成還是反馬氏加成學生經常張冠李戴。根本原因是他們對馬氏規則的理解不夠深刻，只是簡單的記憶為氫加到雙鍵上含氫較多的碳上導致的結果。

2.2.1 馬氏規則及解釋

不對稱烯烴與鹵化氫或不對稱親電試劑進行加成反應時，鹵化氫中的H或試劑中正電性部分總是加到烯烴中含氫較多的雙鍵碳上。即親電加成反應具有區域選擇性，利用此規則可正確預測許多反應的主產物。因此，通過實例讓學生判斷主產物以加深其對馬氏規則稍微理解，同時也讓他們感覺此反應很簡單，以調動其積極性并對馬氏規則的歷程產生興趣。

隨后分兩部份對馬氏規則進行解釋，圖3中兩個相互競爭的反應，反應物相同，不同的是中間體即碳正離子。此反應中生成碳正離子這一步為整個反應的決速步，因而碳正離子的穩定性成為決定本反應方向的關鍵。從誘導效應來看，甲基為斥電子基，碳正離子所連的甲基越多其正電荷越分散而越穩定，則中間體A比B穩定。從共軛效應分析，由于碳正離子中的碳為sp2雜化，成平面三角形，空軌道p垂直于平面，會與相鄰碳上的C-Hσ鍵產生σ-p超共軛效應，使得C-Hσ鍵上的電子向p軌道流動，以使p軌道上正電荷的缺電子程度降低，正電荷所在的p軌道通過單鍵所連的C-Hσ鍵越多體系越穩定。因此，從共軛效應來看也是氫加到雙鍵上含氫較多的碳上，因其形成的碳正離子正電荷更分散而穩定。

圖3 丙烯與親電試劑按馬氏規則發生加成反應

2.2.2 反馬氏規則及解釋

給電子基團通過誘導效應使碳正離子的缺電性降低而使體系穩定，反過來如果為吸電子如-CF3(圖4)，由于誘導效應具有短程速減的特點，中間體B的碳正離子離-CF3比A遠，因此受到-CF3的吸電子誘導作用相對小一些，所以中間體B比A穩定。此反應中H加到含氫少的雙鍵碳原子上為主產物，結果與馬氏規相反則叫反馬氏規則。

圖4 三氟乙烯與親電試劑按反馬氏規則發生加成反應

2.2.3 馬氏規則與反馬氏規則的統一性

不對稱烯烴與不對稱試劑發生親電加成反應時，馬氏規則與反馬氏規則表面上看結果相反，但實質都是以雙鍵碳電子云密度的相對高低或形成穩定的碳正離子為依據。加成反應的反向為生成穩定中間體為依據，與雙鍵碳原子上氫原子數的多少沒有必然聯系，從而引出廣義的馬氏規則，即不對稱試劑與不對稱的烯烴發生親電加成時，反應優先按照能生成穩定中間體的方向進行。

2.3 以反應機理為主線，梳理教學內容

無論是馬氏規則還是反馬氏規則的反應均屬于離子型加成，反應過程中都會產生碳正離子，而生成主產物的方向取決于反應中最穩定的碳正離子。因此，這類型反應不需要死記硬背氫加到哪里，而是首先確定親電試劑中親電及親核部分，然后親電部分與雙鍵結合，形成碳正離子，不對稱烯烴會形成兩種不同的碳正離子，其中生成最穩定的碳正離子即為主產物生成的方向。通過梳理反應機理(圖5)，讓學生理清思路，抓住生成最穩定碳正離子中間體為主產物方向的關鍵點，以避免應用中分辨不清，易混淆等現象。

圖5 烯烴與親電試劑加成反應機理

2.4 緊扣藥學專業，拓展理論應用

課程中將馬氏規則與藥學專業相結合，讓學生了解此反應與本專業的聯系以引起重視。以檸檬烯為例，結構中有兩個氫，均能發生烯烴的一般反應，也可通過控制條件只讓其中一個雙鍵反應。香芹酮在食品工業、化妝品及醫藥中應用很廣[6-8]，我們常用的牙膏、化妝品等均為其化工品。在醫藥領域，具有如鎮痛、抗焦慮、抗驚厥等多種藥理活性。工業上用檸檬烯制備香芹酮其中第一步就是亞硝基氯與檸檬烯環內雙鍵加成(圖6)，產率可達80%。這里雙鍵與亞硝酰氯(NO-Cl)加成生成1-氯-2-亞硝基化合物反應屬于烯烴的親電加成反應，提問他們這個反應是否為馬氏加成，并要求他們寫出其反應歷程，以期多方面、多角度讓學生對馬氏規則及反馬氏規則進行深刻理解和記憶。

圖6 檸檬烯制備香芹酮的工業制法

2.5 開展思政教學，落實立德樹人

課程思政建設是落實“立德樹人”根本任務的重要舉措，已成為高校教學改革的重要內容。有機化學各類官能團的反應雖然復雜繁多，但是都各自的核心特點，這就要求我們需要做到“通過現象看本質”。馬氏規則的核心是中間體碳正離子的穩定性，強調不對稱烯烴與不對稱試劑發生親電加成反應時，帶正電的原子或基團加到含氫多的碳原子上，但其前提條件是烯經上連有給電子基團，若連接的是三氟甲基等吸電子基團，則加成產物與馬氏規則剛好相反，表面上看是截然相反的，但從電子效應的角度來看實質都是以雙鍵碳電子云密度的相對高低或形成穩定的碳正離子為依據。由此，要告訴學生無論工作或者生活中看待任何問題都不能只停留在表面，要抓住問題核心，養成透過現象看本質的習慣。此外，烯烴的親電加成反應中只是變化了雙鍵碳原子上的一個取代基，就可能打破常規，得到加成反向相反的產物，但其本質并沒有變化，以此讓學生明白，有機反應看似雜亂無章，但是只要抓住反應核心就不會出錯。因此，課后需要經常對知識點進行整理，主動思考并深挖背后的規律，養成科學嚴謹的學習態度和精益求精的學習作風。

3 有機化學課程教學改革的成效

針對學生普遍反應的有機化學難、課堂枯燥、反應太多記不住等現象，以學生“學”為導向，利用馬氏規則及反馬氏規則內容為例對有機化學教學模式進行探索與實踐(圖7)。以生活中常見的柑橘類果皮引出檸檬烯，并通過其藥理活性等與藥學專業結合的方式導入課程，課堂反饋學生對此結構產生好奇，并對及雙鍵及其化學性質產生學習動力。

圖7 有機化學的現狀及教學模式探索

結構決定性質，隨后重點講解對馬氏規則及反應實質為氫加到含氫多的雙鍵碳上由于給電子基團多其中間體碳正離子更穩定性，將碳正離子相鄰的基團改為吸電子基團則引出反馬氏規則，并再次通過中間體碳正離子穩定性講解馬氏規則與反馬氏規則的統一性。通過課堂練習反饋，學生基本能抓住碳正離子中間體的穩定性是關鍵點，并能正確寫出主產物。進一步，以烯烴親電取代反應機理為主線，對馬氏規則相關知識點進行梳理，幫學生理清思路，整理的過程中很多學生都能跟著思路找到反應本質。最后，再次回到檸檬烯雙鍵，以其合成藥理活性多樣的香芹酮為例，對馬氏規則的應用進行拓展，大大激發了學生的學習興趣。

課程結束后通過調查發現，這樣的教學設計深受學生喜愛，整個教學過程他們也很認真，課堂積極性很高。此外，通過學習通發放課后作業的成績來看，絕大部分學生已完全掌握馬氏規則的實質并能進行較好的應用。

4 結 語

新形勢下，如何解決有限的課堂時間、課程內容及學生要求之間的矛盾是高效教師急需直面的問題。有機化合物內容眾多，很多反應看似雜亂無章，但其反應機理其實有明顯的規律可循。本論文根據有機化學課程特點及教學過程中學生反映的學習困難等問題，以“學”為導向，采用馬氏規則及反馬氏規則教學為例對有機化學課程教學模式進行探索。通過優化教學內容，激發學生學習興趣，絕大部分學生能對加成反向進行正確判斷并解釋其反應歷程。但是有機化學的教與學探索是一個漫長的過程，教師應與時俱進，根據學生興趣及形勢積極對教學內容及方法進行改進，以最大程度的提高教學質量。