思維導(dǎo)圖在醫(yī)用有機(jī)化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用*

李 偉，鄧 萍，周麗平，梁國娟，蔣啟華，孫立力

(重慶醫(yī)科大學(xué)藥學(xué)院，重慶 400016)

醫(yī)用有機(jī)化學(xué)是面向我校醫(yī)學(xué)相關(guān)專業(yè)一年級學(xué)生開設(shè)的一門公共基礎(chǔ)課。從多年的教學(xué)情況來看，學(xué)生們普遍認(rèn)為該課程難度較大。究其原因，主要有以下幾方面：①內(nèi)容較多，學(xué)時(shí)有限；②有機(jī)化學(xué)物質(zhì)種類多，反應(yīng)多，影響反應(yīng)進(jìn)行的因素多；③反應(yīng)機(jī)理抽象；④物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)之間的關(guān)聯(lián)、各類物質(zhì)之間的關(guān)聯(lián)和轉(zhuǎn)化復(fù)雜。在教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生對這些知識及之間的關(guān)聯(lián)進(jìn)行梳理、總結(jié)和發(fā)散，不僅可以提高醫(yī)用有機(jī)化學(xué)教學(xué)效果，也是引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會學(xué)習(xí)的重要環(huán)節(jié)。

思維導(dǎo)圖是英國心理學(xué)家托尼·博贊(Tony·Buzan)于20世紀(jì)60年代發(fā)明的思維工具[1]，它以中心主題為核心，將信息轉(zhuǎn)化為易于理解的圖解的形式和網(wǎng)狀的結(jié)構(gòu)，用于儲存、組織、優(yōu)化和輸出信息，被譽(yù)為“終極思維工具”。其放射狀的網(wǎng)狀思維結(jié)構(gòu)，是引導(dǎo)和幫助學(xué)生進(jìn)行總結(jié)歸納和發(fā)散思維的有效方法，目前在大學(xué)化學(xué)的教學(xué)實(shí)踐中有一定應(yīng)用[2-5]。

我校醫(yī)用有機(jī)化學(xué)課程選用的教材是陸陽主編的《有機(jī)化學(xué)》(第九版)[6]。教材按照官能團(tuán)對有機(jī)化合物進(jìn)行分類。“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”，這是有機(jī)化學(xué)的一條主線，運(yùn)用思維導(dǎo)圖，沿著這條主線，將看似零散如一團(tuán)亂麻的知識點(diǎn)逐步抽絲剝繭，理清頭緒；或者以這條主線為核心，順藤摸瓜，逐層發(fā)散，構(gòu)建出立體網(wǎng)狀的知識體系。這個(gè)過程是一個(gè)思維訓(xùn)練的過程，也是教師引導(dǎo)學(xué)生培養(yǎng)思維習(xí)慣和建立思維方法的過程。

1 逐層構(gòu)建思維導(dǎo)圖

根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)特點(diǎn)，在剛開始學(xué)習(xí)構(gòu)建思維導(dǎo)圖時(shí)，不宜追求“大而全”，把所有知識點(diǎn)都包含在一張思維導(dǎo)圖中。比較好的做法是，先從局部開始，構(gòu)建相對較小的思維導(dǎo)圖，然后將多個(gè)這樣的思維導(dǎo)圖組合起來。小思維導(dǎo)圖的內(nèi)容可以是某類化合物的命名規(guī)則，同分異構(gòu)的種類，某一種化學(xué)性質(zhì)，等等。把每個(gè)小的思維導(dǎo)圖構(gòu)建清楚，才能為構(gòu)建更大更豐富的思維導(dǎo)圖打好基礎(chǔ)。

芳香烴是一類很重要的有機(jī)化合物，其結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及兩者之間的關(guān)聯(lián)很有代表性。共軛體系、芳香性以及苯衍生物發(fā)生親電取代反應(yīng)的定位效應(yīng)等內(nèi)容既是這一章的教學(xué)重點(diǎn)也是教學(xué)難點(diǎn)。在此以芳香烴為例，從局部到整體，分三個(gè)層次構(gòu)建思維導(dǎo)圖——苯及其衍生物的親電取代反應(yīng)、芳香烴的化學(xué)性質(zhì)以及芳香烴小結(jié)，說明思維導(dǎo)圖在教學(xué)實(shí)踐中的應(yīng)用。

1.1 苯及其衍生物的親電取代反應(yīng)

苯是芳香烴的代表化合物，親電取代反應(yīng)是苯及其衍生物的代表性的化學(xué)性質(zhì)。由于苯的衍生物在發(fā)生親電取代反應(yīng)時(shí)存在定位效應(yīng)，該內(nèi)容比較繁雜，因此，將定位效應(yīng)單獨(dú)設(shè)計(jì)為一張思維導(dǎo)圖，條理會更清晰。

苯為富電子結(jié)構(gòu)，可與親電試劑(用E+表示)結(jié)合，反應(yīng)后苯環(huán)上的H被取代，生成一系列苯的衍生物。常見的親電取代反應(yīng)包括鹵代反應(yīng)、硝化反應(yīng)、磺化反應(yīng)、Friedel-Crafts烷基化反應(yīng)及Friedel-Crafts 酰基化反應(yīng)等。在思維導(dǎo)圖中將每種反應(yīng)的條件、親電試劑、反應(yīng)主產(chǎn)物列出。鹵代反應(yīng)的親電試劑是在鐵粉或FeCl3催化下生成的鹵正離子，硝化反應(yīng)的親電試劑是在濃硫酸催化下產(chǎn)生的硝酰正離子，磺化反應(yīng)中的親電試劑是SO3，傅-克烷基化和傅-克酰基化反應(yīng)的親電試劑是在無水AlCl3催化下分別產(chǎn)生的正碳離子和酰基正離子。磺化反應(yīng)是可逆反應(yīng)，這是區(qū)別于其他反應(yīng)的一大特點(diǎn)。學(xué)生在學(xué)習(xí)傅-克烷基化反應(yīng)和傅克酰基化反應(yīng)時(shí)可以將兩者相比較。傅-克烷基化反應(yīng)的親電試劑正碳離子穩(wěn)定性有差異，因此可能存在正碳離子重排現(xiàn)象，而傅-克酰基化反應(yīng)沒有此現(xiàn)象。

圖1 苯的親電取代反應(yīng)思維導(dǎo)圖Fig.1 Electrophilic substitution reaction of benzene

圖2 定位基和定位效應(yīng)思維導(dǎo)圖Fig.2 Orienting group and orienting effect

取代苯發(fā)生親電取代反應(yīng)時(shí)，苯環(huán)上已有的取代基將影響反應(yīng)速率，并決定新基團(tuán)進(jìn)入苯環(huán)的位置——定位效應(yīng)。以苯的親電取代反應(yīng)速率為標(biāo)準(zhǔn)，將取代基分為活化基團(tuán)和鈍化基團(tuán)。活化基團(tuán)對苯環(huán)具有斥電子效應(yīng)，相對于苯環(huán)而言，是富電子體系，通常這類基團(tuán)中跟苯環(huán)直接相連的原子有孤對電子或帶有負(fù)電荷(部分負(fù)電荷)。活化基團(tuán)鄰、對位碳的相對電子云密度更高，更容易受到親電試劑的進(jìn)攻，因此均為鄰、對位定位基。鈍化基團(tuán)對苯環(huán)具有吸電子效應(yīng)，相對于苯環(huán)而言，是缺電子體系，通常這類基團(tuán)中跟苯環(huán)直接相連的原子有重鍵或帶正電荷(部分正電荷)。除鹵素外，鈍化基團(tuán)大多數(shù)為間位定位基。鹵素由于吸電子誘導(dǎo)效應(yīng)強(qiáng)于供電子共軛效應(yīng)而使苯環(huán)電子云密度降低，其鄰、對位的相對電子云密度較高，因此是鄰、對位定位的鈍化基團(tuán)。

根據(jù)定位基和定位效應(yīng)，很容易理解一取代苯的親電取代反應(yīng)特點(diǎn)：與苯比較，反應(yīng)活性增大還是減小？主要產(chǎn)物是鄰、對位取代還是間位取代？在此基礎(chǔ)上，結(jié)合定位基的定位效應(yīng)相對強(qiáng)弱，綜合考慮電子效應(yīng)和空間效應(yīng)，二取代苯的親電取代反應(yīng)大致規(guī)律也就變得更容易理解了。

1.2 苯及其衍生物的化學(xué)性質(zhì)

苯具有芳香性，難加成，難氧化，易取代。親電取代反應(yīng)是苯及其衍生物最為特征的反應(yīng)。將其梳理清楚后，可以將思維導(dǎo)圖層次擴(kuò)大，對其化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行總結(jié)。

當(dāng)苯連有烷基側(cè)鏈時(shí)，側(cè)鏈在光照或加熱作用下可以發(fā)生自由基取代反應(yīng)。自由基取代是烷烴的重要化學(xué)性質(zhì)之一，苯環(huán)側(cè)鏈的自由基取代實(shí)質(zhì)上體現(xiàn)的是烷烴的化學(xué)性質(zhì)。有了烷烴的知識基礎(chǔ)，理解起來并不困難。由于反應(yīng)中間體是自由基，不同自由基穩(wěn)定性不同，因此有反應(yīng)取向的問題——越穩(wěn)定的自由基越容易生成。結(jié)合電子效應(yīng)的知識，可以總結(jié)出自由基穩(wěn)定性的大致順序。烷基苯中如果苯環(huán)α位的碳原子連有H，可被氧化成苯甲酸。這個(gè)反應(yīng)很有特點(diǎn)，無論烷基側(cè)鏈結(jié)構(gòu)是怎樣，只要含有α-H，烷基側(cè)鏈都變成羧基。利用此反應(yīng)的顏色變化，可以鑒別含有α-H的烷基苯。

圖3 苯及其衍生物的化學(xué)性質(zhì)思維導(dǎo)圖Fig.3 Chemical reactions of benzene and its derivatives

學(xué)生可以按照以上思路，將稠環(huán)芳烴的化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行總結(jié)。總結(jié)的過程，是比較的過程，也是與之前學(xué)過的知識進(jìn)行關(guān)聯(lián)的過程。

1.3 芳香烴小結(jié)

完成芳香烴整個(gè)章節(jié)的學(xué)習(xí)之后，對本章進(jìn)行小結(jié)，思維導(dǎo)圖從該類化合物的局部擴(kuò)展到整體。

圖4 芳香烴小結(jié)思維導(dǎo)圖Fig.4 A brief summary of aromatic hydrocarbon

芳香烴一章包括三個(gè)內(nèi)容：苯及其同系物、稠環(huán)芳烴以及判斷芳香性的Hückel規(guī)則。苯及其同系物的學(xué)習(xí)把握三個(gè)關(guān)鍵詞：命名、結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)。苯的命名有兩種思路，以苯為母體或以苯為取代基。除了用系統(tǒng)命名法命名外，二取代苯衍生物的普通命名可以用鄰-(o-)、間-(m-)、對-(p-)表示取代基的相對位置；三取代苯的俗名可以用連-、偏-、均-表示三個(gè)取代基的相對位置。

苯的大Π鍵結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了苯具有高度的穩(wěn)定性，難以像烯烴那樣發(fā)生加成反應(yīng)和氧化反應(yīng)(如果要反應(yīng)，大π鍵要被破壞)。其富電子結(jié)構(gòu)，可與親電試劑結(jié)合，反應(yīng)后苯環(huán)上的H被取代(反應(yīng)后大π鍵仍然存在)，此類反應(yīng)為親電取代反應(yīng)。這就是從結(jié)構(gòu)出發(fā)推及性質(zhì)的思路。在苯及其衍生物的化學(xué)性質(zhì)思維導(dǎo)圖里已經(jīng)對性質(zhì)這一塊內(nèi)容進(jìn)行了總結(jié)，所以在這張小結(jié)的思維導(dǎo)圖里可以簡化這部分。

稠環(huán)芳烴中學(xué)習(xí)了萘、蒽、菲和致癌芳烴。萘的結(jié)構(gòu)與苯相似，又有不同之處。萘環(huán)上的電子云密度不是完全平均化，α位碳原子的電子云密度比β位碳原子的電子云密度略高，更容易受到親電試劑進(jìn)攻。萘的芳香性不如苯環(huán)強(qiáng)，比苯容易發(fā)生氧化反應(yīng)生成萘醌，也可以發(fā)生還原反應(yīng)生成四氫化萘或十氫化萘。蒽和菲以及致癌芳烴是要求學(xué)生了解的內(nèi)容，在思維導(dǎo)圖里提及但不擴(kuò)展，也有利于學(xué)生在回顧時(shí)合理分配時(shí)間。

芳香性的判斷方法即Hückel規(guī)則有兩個(gè)要點(diǎn)：形成平面的閉合的離域體系和π電子數(shù)為4n+2(n為≥0的整數(shù))。根據(jù)這兩個(gè)要點(diǎn)判斷一個(gè)物質(zhì)是否具有芳香性分為兩步：第一步是判斷分子是否為環(huán)狀，成環(huán)的原子是否為sp2雜化。第二步數(shù)π電子。明確了π鍵是怎么形成的(未參與雜化的p軌道平行重疊)，就很容易理解π電子也就是該p軌道的電子，也就能正確數(shù)出π電子數(shù)。學(xué)生根據(jù)這兩個(gè)要點(diǎn)，結(jié)合例子進(jìn)行練習(xí)。

從親電取代反應(yīng)到化學(xué)性質(zhì)再到全章小結(jié)，思維導(dǎo)圖的內(nèi)容逐層豐富。經(jīng)歷這一過程，學(xué)生對各知識點(diǎn)及其之間的關(guān)聯(lián)進(jìn)行了一次仔細(xì)地梳理。梳理之后，對所學(xué)知識理解得更深，掌握得更牢。

2 采用小組合作形式構(gòu)建思維導(dǎo)圖

圖5 有機(jī)化學(xué)反應(yīng)總結(jié)思維導(dǎo)圖Fig.5 A summary of organic chemical reactions

對于層次比較豐富的思維導(dǎo)圖，可以引導(dǎo)學(xué)生以小組合作的形式完成。以構(gòu)建醫(yī)用有機(jī)化學(xué)中常見的有機(jī)化學(xué)反應(yīng)類型思維導(dǎo)圖為例。小組先針對中心詞“有機(jī)化學(xué)反應(yīng)類型”進(jìn)行討論，明確有機(jī)化學(xué)反應(yīng)實(shí)質(zhì)上包含兩個(gè)過程：舊鍵斷裂和新鍵生成。鍵的斷裂有均裂和異裂兩種方式，這兩種方式產(chǎn)生的中間體不同，所經(jīng)歷的反應(yīng)機(jī)制也不一樣。均裂產(chǎn)生的中間體為自由基，自由基參與的反應(yīng)為自由基反應(yīng)；異裂產(chǎn)生的中間體為離子(正碳離子或負(fù)碳離子)，此類反應(yīng)為離子型反應(yīng)。自由基反應(yīng)和離子型反應(yīng)均可以再細(xì)分。小組討論可以到此為止。接下來進(jìn)行分工，分為自由基組和離子組，各自負(fù)責(zé)對應(yīng)的反應(yīng)類型的總結(jié)和舉例，各自繪制思維導(dǎo)圖，然后合并在一起。總結(jié)離子型反應(yīng)時(shí)，可以根據(jù)進(jìn)攻試劑是親電試劑還是親核試劑分為親電反應(yīng)和親核反應(yīng)，再將親電反應(yīng)分為親電取代反應(yīng)和親電加成反應(yīng)，將親核反應(yīng)分為親核取代反應(yīng)和親核加成反應(yīng)；也可以先將離子型反應(yīng)分為取代反應(yīng)和加成反應(yīng)再分別細(xì)分。學(xué)生需要在理解反應(yīng)機(jī)制的基礎(chǔ)上分類舉例，所以這個(gè)過程也是學(xué)習(xí)鞏固深化的過程。

在小組合作過程中，學(xué)生們針對出現(xiàn)的問題及時(shí)交流和討論，相互學(xué)習(xí)、相互促進(jìn)，很大程度地激發(fā)他們的學(xué)習(xí)熱情。

3 以豐富多樣的形式構(gòu)建思維導(dǎo)圖

思維導(dǎo)圖的形式是多樣化的，有組織架構(gòu)圖、樹狀圖、氣泡圖、魚骨圖，等等。教師在引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建思維導(dǎo)圖的時(shí)候，根據(jù)中心主題及其內(nèi)容的關(guān)系可以選擇不同的形式，采用明麗的色彩，清晰的層次，再加以標(biāo)注等元素，為思維導(dǎo)圖賦予生氣，讓思維導(dǎo)圖鮮活起來，更能充分反映學(xué)生豐富的思維活動。

4 結(jié) 語

在醫(yī)用有機(jī)化學(xué)教學(xué)實(shí)踐中，引入思維導(dǎo)圖，讓學(xué)生通過圖解的形式和網(wǎng)狀的發(fā)散結(jié)構(gòu)，積極調(diào)動大腦思維活動，將知識進(jìn)行歸納和發(fā)散。這也是我們常說的“把書讀薄”(總結(jié))和“把書讀厚”(發(fā)散)的過程。實(shí)踐之后，學(xué)生反映以前覺得復(fù)雜的知識點(diǎn)，理清了關(guān)系，思路變得清晰，復(fù)雜問題變得簡單。

我們的教學(xué)目的，除了傳授知識之外，更重要的是引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會學(xué)習(xí)。思維導(dǎo)圖是一種幫助學(xué)生培養(yǎng)思維習(xí)慣和建立思維方法的有效工具，不僅限于醫(yī)用有機(jī)化學(xué)的教學(xué)，還可以廣泛應(yīng)用到我們的日常學(xué)習(xí)和工作中。