藥學(xué)有機(jī)化學(xué)混合式教學(xué)中p-π共軛的教學(xué)設(shè)計(jì)

馮麗娟，王文君，祁寶輝，向燦輝

遵義醫(yī)科大學(xué)珠海校區(qū)生物工程系，廣東 珠海 519041

隨著信息技術(shù)的飛快發(fā)展，信息化學(xué)習(xí)模式越來(lái)越受到重視，也越來(lái)越普遍，加上新型冠狀病毒疫情的影響，在線課程[1,2]、微課[3-5]、MOOC[6,7]在全球廣泛使用；翻轉(zhuǎn)課堂[8,9]、混合式學(xué)習(xí)[10,11]、移動(dòng)學(xué)習(xí)[12,13]等教學(xué)模式也成為教育者們研究的熱點(diǎn)。其中，混合式教學(xué)[14]經(jīng)過(guò)20余年的發(fā)展，由“在線教學(xué)與面授教學(xué)的混合”演變?yōu)椤盎谝苿?dòng)通信設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)環(huán)境與課堂討論相結(jié)合的教學(xué)情境”。混合式教學(xué)不僅繼承了傳統(tǒng)面對(duì)面教學(xué)的優(yōu)點(diǎn)，還發(fā)展和利用了信息技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，將移動(dòng)終端、互聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)有機(jī)地整合到學(xué)習(xí)活動(dòng)和課程中，應(yīng)用移動(dòng)終端、互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)發(fā)布資料、統(tǒng)計(jì)、交互，是一種應(yīng)用了新的教和學(xué)方式的方法。

有機(jī)化學(xué)中p-π共軛效應(yīng)[15]的理解和應(yīng)用對(duì)于有機(jī)物化學(xué)性質(zhì)的學(xué)習(xí)是非常重要的，是重點(diǎn)也是難點(diǎn)。在以往的講授式教學(xué)中，由于p-π共軛效應(yīng)涉及微觀的原子軌道、共價(jià)鍵及電子，學(xué)生大多對(duì)其理解有困難，較多學(xué)生不能靈活應(yīng)用。為了突出學(xué)生為中心、產(chǎn)出為導(dǎo)向，實(shí)現(xiàn)“先學(xué)后教、以學(xué)定教”，讓學(xué)生能透徹理解p-π共軛體系的形成，理解p-π共軛效應(yīng)，并能靈活運(yùn)用，我們對(duì)p-π共軛效應(yīng)進(jìn)行了混合式教學(xué)設(shè)計(jì)。

1 設(shè)置學(xué)習(xí)目標(biāo)

從知識(shí)目標(biāo)和思政目標(biāo)兩個(gè)方面設(shè)置p-π共軛的學(xué)習(xí)目標(biāo)[16]。

1.1 知識(shí)目標(biāo)

掌握p-π共軛體系的形成條件，理解p-π共軛效應(yīng)的涵義，會(huì)應(yīng)用p-π共軛理解有機(jī)化合物的化學(xué)性質(zhì)。

1.2 思政目標(biāo)

團(tuán)隊(duì)精神。

2 設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)內(nèi)容

2.1 p-π共軛體系的形成條件

p-π共軛體系形成的條件一是有機(jī)化合物中必須有π鍵和p軌道；二是p軌道與π鍵直接相連，且與形成π鍵的p軌道平行。

從“p-π共軛體系”這個(gè)名稱可以看出，要形成“p-π共軛體系”，必須有π鍵和p軌道，其中π鍵是不能單獨(dú)存在的，必須與σ鍵共存，因此有不飽和鍵就必有π鍵，由此可見(jiàn)π鍵能比較直觀地找到；而p軌道從價(jià)鍵無(wú)法直觀地看出，必須在了解原子結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上去判斷，有機(jī)化合物中比較常見(jiàn)的具有p軌道的原子是鹵素原子、O原子、N原子，此外碳正離子、碳自由基和碳負(fù)離子具有未參與雜化p軌道。

有機(jī)化合物具有π鍵和p軌道，是否就一定能形成共軛體系呢？不一定，如果p軌道和π鍵間隔有其他原子或兩者之間間隔兩根或兩根以上的單鍵，就不能形成p-π共軛體系。“p-π共軛體系”中的短橫線“-”可以看作一根單鍵，即表示有p軌道的原子或離子必須與π鍵通過(guò)一根單鍵直接相連，這種情況下原子或離子的p軌道與形成π鍵的p軌道通常是平行的，就能從側(cè)面重疊，進(jìn)而形成p-π共軛體系。

2.2 p-π共軛效應(yīng)的涵義

有機(jī)物中形成p-π共軛后，體系的能量降低、鍵長(zhǎng)平均化，電子云密度平均化[17]，會(huì)出現(xiàn)交替極化，如圖1所示。

圖1 有機(jī)化合物交替極化示例

體系的能量降低，說(shuō)明形成p-π共軛后，體系穩(wěn)定性升高，據(jù)此可比較有機(jī)物穩(wěn)定性大小。

形成p-π共軛后，體系的電子云密度會(huì)出現(xiàn)交替極化，也就是電子云密度高和低交替出現(xiàn)，這樣電子云密度高的點(diǎn)就容易受到親電試劑(自身電子云密度低或帶正電荷)的進(jìn)攻，即會(huì)與親電試劑發(fā)生反應(yīng)；電子云密度低的點(diǎn)就容易受到親核試劑(自身電子云密度高或帶負(fù)電荷)的進(jìn)攻，即會(huì)與親核試劑結(jié)合，據(jù)此可根據(jù)正負(fù)相結(jié)合進(jìn)而判斷反應(yīng)性。

判斷共軛效應(yīng)是吸電子還是供電子，先看每個(gè)參與共軛的軌道上的電子數(shù)目，如果參與共軛軌道上的電子數(shù)目多于其他每個(gè)參與共軛的軌道上的，就是供電子的共軛效應(yīng)(+C)；如果參與共軛軌道上的電子數(shù)目少于其他每個(gè)軌道上的，就是吸電子的共軛效應(yīng)(?C)。

例如圖2所示，氯乙烯中Cl參與共軛的p軌道上是2個(gè)電子，多于乙烯基每個(gè)C參與共軛的p軌道上的電子，所以要給出電子，為+C。

圖2 氯乙烯p軌道示意圖

圖3中苯酚苯環(huán)上連羥基，羥基氧參與共軛的p軌道上是2個(gè)電子，多于苯環(huán)上每個(gè)碳參與共軛的p軌道上的電子，所以要給出電子，為+C。

圖3 苯酚p軌道示意圖

共軛體系中，p軌道上電子數(shù)目多的元素電子云密度相對(duì)高一些，即帶部分負(fù)電荷(δ?)，與之相鄰的元素電子云密度相對(duì)低一些，即帶部分正電荷(δ+)。

圖4烯丙基碳正離子中C正離子參與共軛的p軌道上沒(méi)有電子，少于乙烯基每個(gè)C參與共軛的p軌道上的電子，所以要吸電子，為?C。

圖4 烯丙基碳正離子p軌道示意圖

共軛體系中，p軌道上電子數(shù)目少的元素電子云密度相對(duì)低一些，即帶部分正電荷(δ+)，與之相鄰的元素電子云密度相對(duì)高一些，即帶部分負(fù)電荷(δ?)。

2.3 p-π共軛效應(yīng)的應(yīng)用

有機(jī)物中形成p-π共軛體系后必然產(chǎn)生p-π共軛效應(yīng)，會(huì)對(duì)有機(jī)物的化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生一定影響，這也就是通常所說(shuō)的結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)。

2.3.1 溴乙烯與溴化氫的反應(yīng)

此反應(yīng)為親電加成反應(yīng)，加成規(guī)律符合馬氏規(guī)則，所以應(yīng)用馬氏規(guī)則可寫出產(chǎn)物。對(duì)于加成取向的解釋如下：溴乙烯中溴與乙烯基形成了p-π共軛體系，溴電子云密度高，交替極化，遠(yuǎn)離溴的雙鍵碳(H多的雙鍵碳)電子云密度高，所以親電試劑H+進(jìn)攻H多的雙鍵碳，π鍵斷裂，發(fā)生加成反應(yīng)。

2.3.2 共軛加成反應(yīng)

此反應(yīng)也為親電加成反應(yīng)，分兩步進(jìn)行，反應(yīng)的取向由第一步中間產(chǎn)物的穩(wěn)定性決定。第一步，H+進(jìn)攻電子云密度高的雙鍵碳時(shí)，可能生成下式所示的a、b兩種碳正離子中間體，碳正離子a為烯丙基型的碳正離子，帶正電荷的碳原子的空p軌道與π鍵形成p-π共軛體系，使體系的正電荷得以分散，較碳正離子b的穩(wěn)定性高，所以第一步主要生成穩(wěn)定性相對(duì)高一些的碳正離子a。

第二步，碳正離子a由于交替極化，形成兩個(gè)電子云密度低的中心，Br?離子分別進(jìn)攻這兩個(gè)電子云密度低的碳，得到兩個(gè)加成產(chǎn)物。

2.3.3 氯乙烯和氯苯與堿性水溶液共熱不能發(fā)生親核取代反應(yīng)

通常，鹵代烷烴與堿性水溶液共熱會(huì)發(fā)生親核取代反應(yīng)，即鹵素被羥基取代，生成相應(yīng)的醇。但由于氯乙烯和氯苯中均存在p-π共軛體系，體系的能量降低、鍵長(zhǎng)平均化，C―Cl鍵鍵長(zhǎng)縮短，鍵能增大，C―Cl鍵不容易斷裂，所以不發(fā)生反應(yīng)。

2.3.4 烯丙基氯和芐氯與硝酸銀的醇溶液在室溫下即可發(fā)生親核取代反應(yīng)這兩個(gè)反應(yīng)屬于鹵代烴的親核取代反應(yīng)，C―Cl鍵具有極性，斷裂后生成碳正離子中間體，烯丙基氯C―Cl鍵斷裂后生成烯丙基碳正離子，芐基氯C―Cl鍵斷裂后生成芐基碳正離子，這兩種碳正離子中均存在p-π共軛體系，體系的能量降低，因此碳正離子的穩(wěn)定性相對(duì)較高，容易生成，所以在室溫下就可發(fā)生反應(yīng)。

2.3.5 苯酚具有弱酸性

圖5 酚氧負(fù)離子p軌道示意圖

2.3.6 苯酚與溴水在室溫下即可發(fā)生親電取代反應(yīng)生成2,4,6-三溴苯酚

這一反應(yīng)為苯環(huán)上的親電取代反應(yīng)。由于苯酚形成了p-π共軛體系(見(jiàn)圖3)，O具有供電子的共軛效應(yīng)(+C)，雖然O還具有吸電子的誘導(dǎo)效應(yīng)(?I)，但O供電子的共軛效應(yīng)強(qiáng)于其吸電子的誘導(dǎo)效應(yīng)(+C ＞ ?I)，因此總的電子效應(yīng)是供電子的，苯環(huán)上的電子云密度增大，苯環(huán)上發(fā)生親電取代反應(yīng)的活性增大，在室溫下與溴水反應(yīng)，立即有三個(gè)溴取代三個(gè)氫，生成2,4,6-三溴苯酚。

3 編制學(xué)習(xí)效果檢測(cè)題

編制判斷題、選擇題通過(guò)學(xué)習(xí)通平臺(tái)發(fā)布，考查學(xué)生學(xué)習(xí)p-π共軛相關(guān)知識(shí)的效果。例如題目3.1 (1)、(2)和3.2 (1)、(2)主要考查學(xué)生對(duì)p-π共軛體系形成條件的理解；題目3.1 (3)、(4)主要考查對(duì)?C、+C的判斷；題目3.1 (5)、(6)、(7)是對(duì)p-π共軛體系穩(wěn)定性或反應(yīng)性的判斷；題目3.1 (8)用p-π共軛體系穩(wěn)定性來(lái)解釋有機(jī)物的化學(xué)性質(zhì)。這些題目都是圍繞p-π共軛相關(guān)知識(shí)來(lái)出的，只要有學(xué)生做錯(cuò)的題目都隨機(jī)選取1個(gè)學(xué)生詢問(wèn)做錯(cuò)的原因，了解學(xué)生對(duì)該題目知識(shí)點(diǎn)的理解情況。錯(cuò)誤率在10%及以上的題目都將改變考查形式再次以練習(xí)的形式發(fā)放，通過(guò)反復(fù)練習(xí)來(lái)加強(qiáng)、加深學(xué)生的理解，提高學(xué)生靈活應(yīng)用知識(shí)點(diǎn)的能力。如果涉及還沒(méi)有學(xué)習(xí)到的基礎(chǔ)知識(shí)，將以資料的方式告知學(xué)生，讓學(xué)生先通過(guò)閱讀、理解資料，然后再應(yīng)用資料來(lái)答題。

3.1 判斷題

(1)p-π共軛體系就是p軌道與π鍵的p軌道平行，從側(cè)面重疊構(gòu)成的。

(3) 溴乙烯存在p-π共軛，溴對(duì)體系而言是吸電子的共軛效應(yīng)(?C)。

(4) 苯酚分子中由于存在吸電子的p-π共軛效應(yīng)，所以苯環(huán)上的電子云密度降低。

(8) 苯酚具有弱酸性是因?yàn)镺與苯環(huán)形成了p-π共軛體系，氧氫鍵的極性增大，容易斷裂，給出H+而呈弱酸性。(資料：酚中O為sp2雜化，有一條沒(méi)有雜化的p軌道，此沒(méi)有雜化的p軌道上有兩個(gè)電子，即有一對(duì)孤對(duì)電子。)

3.2 選擇題

(1) 下列哪些分子中不存在p-π共軛體系：

(2) 下列哪些分子中不存在p-π共軛體系：

4 課堂討論

課堂上由一個(gè)學(xué)生代表總結(jié)關(guān)于學(xué)習(xí)p-π共軛的收獲，教師點(diǎn)評(píng)，在點(diǎn)評(píng)時(shí)提出p-π共軛的思政教學(xué)目標(biāo)：團(tuán)隊(duì)精神。p-π共軛體系的形成，可以看作是組成了一個(gè)團(tuán)隊(duì)，至少是3個(gè)p軌道兩兩從側(cè)面重疊，就將3個(gè)原子或離子組成了一個(gè)團(tuán)隊(duì)，這個(gè)團(tuán)隊(duì)共享電子云，體現(xiàn)在電子云密度平均化；團(tuán)隊(duì)成員距離拉近，體現(xiàn)在鍵長(zhǎng)縮短，所以這個(gè)體系是一個(gè)穩(wěn)定團(tuán)結(jié)的整體，因此p-π共軛體系就是一個(gè)穩(wěn)定性高的團(tuán)體，進(jìn)而引申出每個(gè)人都應(yīng)該有團(tuán)隊(duì)精神，再稍作擴(kuò)展。

然后由6-8個(gè)小組學(xué)生代表(每10人一組)提出已總結(jié)好的問(wèn)題，問(wèn)題以PPT的形式展現(xiàn)，討論3-5分鐘后，采用自由舉手發(fā)言或?qū)W習(xí)通發(fā)布搶答，由其他同學(xué)回答，并且給回答問(wèn)題的同學(xué)加分計(jì)入形成性評(píng)價(jià)。自由舉手發(fā)言的同學(xué)下課后在教師處登記，由教師手動(dòng)在學(xué)習(xí)通上加分；學(xué)習(xí)通上搶答的學(xué)生按先后順次回答問(wèn)題，除了學(xué)習(xí)通自動(dòng)計(jì)分外，回答正確的同學(xué)再額外加5分，這樣激勵(lì)學(xué)生積極參與。隨后由教師總結(jié)，并講解練習(xí)題錯(cuò)誤率在30%及以上的題目。

最后根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況提出兩個(gè)以后才會(huì)學(xué)到的問(wèn)題讓學(xué)生開(kāi)展討論。第一個(gè)問(wèn)題是：為什么甲酸(HCOOH)的酸性強(qiáng)于碳酸？相關(guān)資料：碳氧雙鍵中的π鍵與羥基氧的p軌道形成了p-π共軛體系。第二個(gè)問(wèn)題是：為什么甲酰胺(CH3CONH2)呈中性而不是堿性？(相關(guān)資料：碳氧雙鍵中的π鍵與氮的p軌道形成了p-π共軛體系。)

5 學(xué)習(xí)和教學(xué)反饋

在學(xué)習(xí)通“統(tǒng)計(jì)”中及時(shí)跟蹤學(xué)生的學(xué)習(xí)、練習(xí)情況，并通過(guò)QQ群和學(xué)習(xí)通進(jìn)行督學(xué)，發(fā)布學(xué)習(xí)進(jìn)展，提醒學(xué)生及時(shí)完成學(xué)習(xí)任務(wù)，營(yíng)造你追我趕、團(tuán)結(jié)互助的學(xué)習(xí)氛圍。

發(fā)放問(wèn)卷進(jìn)行調(diào)查，主要調(diào)查學(xué)生對(duì)所提供資料的看法，對(duì)練習(xí)題的題量、難度的感受，對(duì)這種混合式教學(xué)方法的意見(jiàn)或建議，然后根據(jù)學(xué)生的反饋進(jìn)行調(diào)整，真正實(shí)現(xiàn)以學(xué)生為中心的教學(xué)。

6 結(jié)語(yǔ)

雖然目前已有較多學(xué)校的有機(jī)化學(xué)教學(xué)采用混合式[18-21]，但對(duì)于p-π共軛這一知識(shí)模塊的混合式教學(xué)并未見(jiàn)報(bào)道。我校有機(jī)化學(xué)課程組已經(jīng)進(jìn)行了以學(xué)生為中心的藥學(xué)有機(jī)化學(xué)模塊化混合式教學(xué)實(shí)踐，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)之后設(shè)計(jì)此混合式p-π共軛教學(xué)方案。p-π共軛在《有機(jī)化學(xué)》[22]第四章“炔烴和二烯烴”中就出現(xiàn)了，基本貫穿在后繼章節(jié)中，如果在初學(xué)時(shí)抓住其本質(zhì)，把部分后繼課程中涉及的p-π共軛知識(shí)提前以應(yīng)用的方式讓學(xué)生先學(xué)、先用，連續(xù)化、系統(tǒng)化地讓學(xué)生學(xué)習(xí)，既有利于學(xué)生的理解、應(yīng)用，又有利于培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，還能推動(dòng)、調(diào)動(dòng)學(xué)生積極、主動(dòng)的學(xué)習(xí)熱情。