基于深度學習理論的有機重排反應課堂教學

張巖，吳瀟逸，吳陽，高喜玲

1 浙江師范大學化學與生命科學學院，浙江 金華 321004

2 義烏市第五中學，浙江 義烏 322000

“有機合成”課程是面向浙江師范大學化學專業大三學生開設的一門專業選修課，是在基礎有機化學課程之后的知識強化課程，具有知識點關聯性密切、綜合應用性強、對深層次學習要求高的特點。對于重排反應來說，從基礎有機課程的內容分布上來看，此類型反應散落在烯烴、醇、醛酮、胺等章節中，導致學生較難系統地掌握重排反應的整體脈絡；因為從反應物和產物結構關系來看，它與經典的加成、取代、消除及氧化還原等反應有很大差異，造成學生的學習困難。因此，我們將重排反應歸結到一個章節集中講授，重新梳理整合教學材料，設置深度學習教學活動，旨在引導學生掌握重排反應的機理，把握相關人名重排反應之間的內在聯系，促進所學知識的遷移應用。雖然此前已有相關文獻對若干重排反應的合成應用進行了細致介紹[1-4]，但是對眾多常見重排反應進行更深入、詳細的歸納梳理工作仍是十分必要的。

1 進行“深度學習”教學改革的必要性

1.1 整合教學內容，化繁為簡

學生在學習重排反應中遇到的難題主要可以歸結為三點：1) 重排反應數量繁多且多以人名命名，會出現記憶混亂；2) 重排反應分散在不同章節，成為封閉、孤立的知識點；3) 僅停留在反應產物結構的記憶，難以把握反應具體歷程和實質。而有機合成相較于基礎有機課程來說，是更為深入的系統的理論課程，知識難度和深度的驟然提高，使得學生在面對龐大又復雜的知識體系時無從下手，學生繼續學習的主動性和興趣不高。教師應立足學情，根據教學目標，合理整合教學內容，豐富教學材料的呈現形式，引導構建有邏輯、有結構的知識體系。此外，可以鼓勵學生自主動手用ChemDraw軟件繪制反應機理，通過“演繹”的方式，對學習內容進行深度加工，有助于把握反應的本質。

1.2 優化教學活動，改革教法

在有機合成課堂中，大部分時間教師仍采用傳統課堂單向的模式教學，具有“知識分隔獨立”“滿堂灌”的特點，沒有擺脫師“講”生“聽”、一“授”多“受”的狀態[5]。學生在課堂中參與度較低，自由度不高，缺乏寶貴的互動交流機會。單一的授課形式導致學生容易陷入“懂容易，記住難，運用更難”的怪圈[6]。然而，有機合成并非是靠簡單的死記硬背就可以通曉的“文字記憶”學科，而是一門要求學生依據理論進行科學推演，能設計路線解決合成問題的應用型學科。為充分發揮學生學習的主觀能動性，教師應結合現實教學條件以及實際教學內容，變革教學方式。教師可以豐富教學活動，如小組作業展示、師生互動答疑、設置工業生產情境等進行探索式和發展式教學，調動學生學習的積極性，推進教學進程。此外，教師采取協作法輔助學生的個性化學習，基于學生的內在需求引導學生，給予學生良好的學習體驗感[7]。

2 “深度學習”教學模式

區別于以知識的獲取與記憶為主的淺層學習，深度學習是一種在教師的引領下，學生圍繞具有挑戰性的主題，以高階思維為重要認知活動的持續性學習過程。具體來說，深度學習是一種由學生內部學習動機驅使，在理解的基礎上，運用高階思維批判性地學習新知，并在知識間進行聯系整合，創造性地建構自己的知識體系，在不同的情境中熟練運用來解決實際問題的學習。康淑敏[8]基于深度學習的特質總結歸納了深度學習在不同維度對學習者學習的益處，見表1。由表1可以直觀看出深度學習是復雜的認知過程，同時也是一種需要學習者高投入的學習方式。

表1 深度學習在不同維度對學習者的益處

在建構知識以及發展能力的高要求下，掌握深度學習技能有助于學習者深入理解所學內容，養成探究精神和獨立思考意識，逐步建立起深度學習者特有的解決問題思維體系。相較于淺層學習，安富海[9]歸結出深度學習的四個基本特征；隨后，胡久華等[10]提出了“深度學習”的教學設計四要素，見圖1。首先教師需要明確深度學習目標，根據教學內容特點確定合適的挑戰性學習主題，精心整合教學材料，設計深度學習活動；在課堂中，教師還要扮演好引導者的角色，讓學生積極參與到有意義的教學活動中去，并在持續性評價的推動下，激勵學生不斷靠近深度學習目標[11]。

圖1 深度學習的四大特征和四要素

3 基于深度學習理論的教學應用

深度學習教學模式的設計，既要統籌深度學習“四要素”的關系，又要把握深度學習的“四大特征”。下面筆者將圍繞深度學習理論，針對“重排反應”這一章節展開教學設計，見圖2。

圖2 基于深度學習理論的“重排反應”教學設計

3.1 明確深度學習目標，選擇挑戰性學習主題

“重排反應”是本課程的重點章節，教師精心整合基礎有機化學中出現過的重排反應，強化機理的探究，讓學生掌握重排反應的本質，進而補充相關反應，拓寬知識面，有意識地培養學生遷移與應用的能力。就本課程而言，深度學習目標不僅注重學生有機化學高階思維的培養，也對學生自主學習、合作學習的積極性提出更高的要求。本次設立的深度學習目標是：1) 深刻理解重排反應概念，了解重排反應的多種分類方法，著重掌握以形成的不穩定中心的電性特征為分類依據的分類方法，即親核重排、親電重排、協同重排、自由基重排，體會分類研究的基本思想；2) 通過小組合作學習，能從反應物、中間體、產物等角度對相關重排反應進行對比分析，討論重排反應的發生條件，掌握重排反應的可能歷程，歸納重排反應的特點，建立研究重排反應的基本思路和方法；3) 通過查閱相關文獻，感受重排反應在社會生產生活中的重要應用，學會應用重排反應實現某些具有典型性特征的有機物合成。

在深度學習目標的指引下，基于本節課知識結構框架，我們確立認知能力發展類挑戰性學習主題。在基礎有機化學的教學中，學生已經接觸重排反應的概念，但往往簡單理解記憶重排反應的特點，忽視重排反應間的內在聯系；本節課的主題教學旨在通過分類、歸納、演繹、推理等思維活動，深化學生對重排反應的本質認識，實現整體教學，實現學生認知層級的發展，即概念-分類-機理-歸納-應用。基于此，教師需要巧妙設計結構化的教學材料，自覺引導學生將舊知與新知進行關聯，輔助建構有邏輯、有體系的重排反應的知識框架[12]。

3.2 設計深度學習活動

3.2.1 課前：考查學生學情，明確小組分工

課前，學生需要自主復習梳理已學重排反應，并對重排反應進行分類。從作業反饋來看，大多數同學是直接根據重排反應所在章節進行分類，并且注重重排反應特點，忽視重排反應機理，見圖3。此外，學生在匯總重排反應時，往往只關注帶有“重排”兩個字的反應，而忽略相關人名反應。在和學生的交談中，我們還發現學生容易混淆人名反應，沒有將反應名稱與該反應進行很好的配對。通過該課前任務，學生初步對已學內容進行整合，為更好地投入到課堂教學活動打下基礎。

圖3 必修課程中重排反應的匯總

學生在課前還需要完成組內成員合作作業。教師根據學生學習能力、小組任務難度等將學生分為五個小組，每個小組圍繞反應機理、反應條件、遷移順序等角度展開講解若干個相關的重排反應，見表2。組員之間需要合作協調分配任務，如內容的選擇、反應機理圖的繪制、PPT的制作以及課堂展示的演講稿等。教師借著小組合作任務的布置，有意識地去引導學生培養專業閱讀能力，強化專業術語的表達能力，訓練高效互助的團隊協作能力。

表2 小組討論內容分配

3.2.2 課中：教師引導教學思路，學生展示小組作業

明確重排反應定義，引入分類標準。重排反應，可以簡單表述為基團(W)從一個原子(A)遷移到另一個原子(B)上。A和B可以是碳原子，也可以是氮、氧等雜原子。這種遷移可以發生在相鄰原子(稱為1,2-遷移)間，但也會出現遠距離的遷移，見圖4。在學生對定義有了更深的理解后，教師展開不同重排反應分類標準的介紹，如鍵的裂解和形成方式、遷移基團的相對位置、不同元素之間的遷移等。接著，詳細介紹以形成的不穩定中心電性不同為分類依據的親核重排(或陰離子重排，遷移基團攜帶電子對)、親電重排(或陽離子重排，不攜帶電子對)、協同重排(往往形成環狀過渡態)、自由基重排(只攜帶一個電子)。

圖4 重排反應示意圖

小組作業展示，教師點評補充。值得注意的是，教師在課堂中不僅是傾聽者、回答者，更是引導者、提問者。由于小組負責的任務各不相同，局限于教師提供的反應機理、反應條件、遷移順序三個角度，學生在學習過程中就容易陷入“只知其一、不知其他”的窘境，并把不同類型的重排反應完全割裂開來，形成一個個封閉的知識體系。教師除了對每個小組的展示進行點評以外，還需要適當拓展相關知識，注意小組任務之間的邏輯銜接，幫助學生構建一個思路連貫完整的重排反應知識框架。下面我們將舉例部分教學片段。

基于中間體的共性，第一小組展示的是向碳正離子遷移的親核重排反應。在機理的講解部分，學生應被引導觀察出重排前體都是碳正離子，接著發生1,2-親核遷移，并分析重排后得到產物的結構特征，見圖5。教師抓住“形成碳正離子”這一關鍵點，總結“形成碳正離子的途徑有哪些”“在什么條件下發生重排反應”“重排后形成的碳正離子又會發生什么后續反應”。教師通過提問的方式，不僅可以提高學生學習的注意力，更能夠發散思維，有機整合所學內容。

圖5 向碳正離子遷移的親核重排反應

在第二小組陳述向碳烯碳原子遷移的親核重排反應前，教師以重氮甲烷和疊氮化合物的結構作為過渡。教師帶領學生溫習對應的路易斯結構式，引導學生利用共振論寫出重要的極限式，并分析雜原子上的電子數。在掌握對應結構的基礎上，再去分析Wolff重排、Curtius重排、Schmidt重排等的反應機理，學生能夠更容易接受，實現認知能力的階梯式發展。

運用生成中間體的相似性進行酰基卡賓與酰基氮賓重排的類比歸納法教學。在小組展示Wolff重排、Hofmann重排的機理后，教師引導學生總結兩個反應的相似點，見圖6和圖7。課堂留白中提供學生消化知識的時間并獨立思考的機會。我們可以將這兩個反應的相似性簡單的歸納為：1) 好的離去基團；2) 酰基卡賓和酰基氮賓都是中性并且帶有六個電子的活性中間體；3) 都經過烷基的遷移而生成新的不穩定活性中間體。接著介紹Lossen重排、Schmidt重排、Curtius重排，學生就能夠很快地跟上陳述同學的講解思路，見圖7。通過把握重排反應的本質，學生就能夠以簡馭繁、舉一反三，較快完成變式的學習。

圖6 Wolff重排

圖7 向缺電子氮原子遷移的親核重排反應

從產物類別一致的角度去聯系不同名稱的重排反應。Schmidt重排實際上包括三個反應，羧酸、醛或酮分別和疊氮酸(HN3)在強酸下反應發生分子內重排分別得到胺、腈及酰胺。第三小組完成了Schmidt重排(酸)的講解，產物為胺，并且中間體為異氰酸酯。然而Hofmann重排后同樣得到伯胺。因此第四小組進一步比較觀察這兩個重排反應的具體歷程，總結二者深度的相似性，見圖8第一組對比。同樣可以觀察到，Schmidt重排(酮)也與Beckmann重排的產物相一致，都為酰胺，見圖8第二組對比。教師通過問題的驅動，引導學生進行歸納對比記憶，使其較好地串聯各個重排反應，幫助他們建立具有融通性的知識體系。

圖8 Schmidt重排與Hofmann以及Beckmann重排的比較

聯系生產實際，感受實用價值。例如，利用Beckmann重排合成重要有機化工原料己內酰胺；利用Hofmann重排合成藥物帕珠沙星[13]。教師提供反應原料，學生根據所學，自主嘗試書寫合成路線，分析反應機理。通過與生產實際的對接，讓學生意識到所學內容不是應付考試才需要的“干貨”，而是在社會生產中具有重要價值的“工具”。

3.2.3 課后：視野拓展，對接科研前沿

課后，學生整理歸納課堂所學，實現知識內化，完善知識框架。在此基礎上，學生按照學習重排反應的基本思路和方法，根據教師提供的兩篇關于自由基重排的英文文獻(見圖9)[14-16]，完成自由基反應的讀書報告。自由基化學已然是當今有機合成化學的重要前沿陣地，讓學生接觸這方面的研究領域是十分有必要的。

圖9 自由基中間體的重排反應

3.3 落實持續性評價

在課前、課堂教學中的重要環節以及課后，都有必要圍繞深度學習目標對學生進行評價。課前可以采用習題自測的方式對學情進行評價，學生也不會出現“空著腦袋進教室”的情況；課后，我們通過章節作業和測試對學生掌握程度進行考查，如圖10所示三個反應式中左側是需要合成的目標產物結構，右側是逆合成分析后應該選擇的重排前體。以反應式(a)中的螺環化合物為例，它的結構特征很明顯，而又比較陌生。羰基的存在也是一個重要的提醒，可啟發利用頻哪醇重排同時實現醇的氧化以及碳架的變化。以下三個例子的共同點是直接利用四大常見反應類型從正面合成很困難，然而轉換思維，觀察出重排反應的前體是最巧妙的解決辦法。此時需要同學們對重要的一些重排反應的機理有深度的理解。

圖10 重排反應在有機合成中的應用

作者對有機合成中的重排反應采用(不限于)上述深度學習教學方法進行講解，配合討論及針對性的習題練習，學生對相關知識的理解和掌握得到了加強。更重要的是，這種可以使其觸類旁通的記憶和學習習慣，使得更多同學的學習興趣和熱情得到了激發和提高。可以預期的是，相似的方法可以有效地用于其他知識點或章節的歸納整理。此外，教師應把握好學生的學習狀態，鼓勵學生提問、討論，根據實際課堂表現給出較為公正的平時成績。

4 結語

筆者認為將深度學習理論應用到有機合成課程中重排反應的相關教學中有重要意義。在教學過程中，教師應當充分發揮好引導者的作用，精心整合教學內容，有邏輯地呈現知識體系，引導學生主動整合、歸納所學知識，鼓勵學生及時構建反思知識框架；明確每節內容的深度學習目標，立足于學情且結合教學實際，確立挑戰性學習主題，通過精心設計的深度學習活動，充分發揮學生的主體地位，讓學生參與到學習中來，在活動中體驗成功、提升能力，并通過持續性評價，使學生在反思中發展進步。