王彩榮，蘇靜，梁亞琴，孫凱

1 長治學院化學系，山西 長治 046011

2 煙臺大學化學化工學院，山東 煙臺 264005

問題導向PBL (Problem-based learning)教學模式以學生為中心，以問題為驅動，激發(fā)和引導學生通過自主探究、合作學習的方式共同解決問題[1]。此教學模式要求教師設置有效的問題情境，具有明確的目標性，使學生在思考、分析及解決問題的過程中完成知識的學習和積累，有助于學生掌握理論知識并解決實際問題，還可培養(yǎng)其自主學習、創(chuàng)造性思維、團隊協(xié)作等多方面能力。

有機化學實驗是高校化學、生物及相關本科專業(yè)學生的必修課程之一。該課程具有很強實踐性，對于鞏固、加深和拓展有機化學的基本理論知識，培養(yǎng)學生實驗操作能力、創(chuàng)新能力、綜合分析和解決問題的能力、科研能力等方面具有不可替代的作用[2,3]。常規(guī)的教學過程存在諸多的問題，如：學生預習不到位，抓不住要點，實驗過程中缺乏主動深入思考，經(jīng)常“照方抓藥”，實驗結果討論部分不能就自己的問題做出深入的分析，甚至不能自圓其說。為此，依托超星學習通教學平臺，結合信息化教育技術，將PBL教學模式引入有機化學實驗教學過程，以具體問題為驅動來調動學生參與實驗教學的主動性，提升實驗過程的針對性和有效性；通過教師有意識的引導和評價來構建知識的關聯(lián)度，拓展知識的寬度和應用性；在問題解決的過程中，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和合作意識。

本論文以“安息香縮合反應”為例，通過PBL模式進行教學設計，結合線上教學將實驗教學環(huán)節(jié)以問題的方式呈現(xiàn)，引導學生在熟練掌握基本操作的同時更好地鞏固理論知識，在分析和解決具體問題的過程中培養(yǎng)創(chuàng)新思維和自主學習能力，有意識地向學生滲透安全意識和綠色環(huán)保等化學核心素養(yǎng)，強化青年大學生的社會責任和使命擔當意識。

1 實驗教學目標

1.1 知識學習

學習苯甲醛在維生素B1(VB1)的條件下制備安息香(1,2-二苯基羥基乙酮)的原理和方法；鞏固安息香縮合的反應相關理論內容。

1.2 能力培養(yǎng)

鞏固回流、抽濾、洗滌、干燥等基本操作；引導學生歸納比較，構建知識體系，融會貫通；培養(yǎng)學生善于獨立思考，運用理論知識分析和解決實際問題的能力。

1.3 素質目標

培養(yǎng)學生具有良好的創(chuàng)新意識、團隊合作意識和求實的科學態(tài)度；強化學生的學科素養(yǎng)、人文素養(yǎng)和職業(yè)素養(yǎng)；引導青年大學生樹立高度的社會責任感和使命感。

2 教學設計

安息香(Benzoin)縮合反應是指芳醛(不含α-活潑氫)在含水乙醇中以氰化鈉或氰化鉀為催化劑，加熱自身縮合，生成α-羥基酮的反應。從反應名稱看，安息香縮合是不以發(fā)明人命名的人名反應；從催化劑發(fā)展看，該反應使用VB1進行催化，有效避免了氰化物的劇毒性；從理論角度分析，該縮合反應機理中包含反極性策略的應用；該實驗操作步驟不繁瑣，但總會有一些學生最終得不到產(chǎn)品而導致實驗失敗。羥醛縮合反應(Aldol)反應、安息香(Benzoin)反應、珀金(Perkin)反應、康尼扎羅(Cannizzaro)反應，都是以苯甲醛為原料的縮合反應，這四個反應原理均包含在我校使用的《有機化學實驗》教材(后文簡稱“教材”)[4]的第三部分——有機化合物的制備中，分別對應實驗內容3-14，3-16，3-18和3-35部分。學生對這些反應理解不夠深入，對于羰基上的親核加成反應很難形成完整的知識體系。

基于上述分析，該實驗采用PBL教學模式，其教學設計思路和教學實施過程分別見表1和圖1。教師在不同的教學環(huán)節(jié)有針對性地設置問題，并通過相應教學活動有效驅動學生參與教學的積極性，成為教學活動的主體；教師適時給予靈活、客觀的指導與評價，在傳授顯性知識同時，進一步引導學生探究反應本質，體現(xiàn)理論與實踐的互相促進，提升學生創(chuàng)新思維能力；教學過程融入課程思政，提升學生綜合素養(yǎng)。

最早的安息香(Benzoin)為安息香科植物白花樹Styrax tonkinensis (Pierre) Craib ex Hart.的干燥樹脂，呈球形顆粒壓結成的團塊。安息香主要藥理活性為開竊清神，化濁解毒，行氣活血，主治中暑、中風及溫病痰熱；具有抗炎解熱、抗腫瘤、保護血腦屏障和促進雌性激素分泌等功效[5]。其化學成分為香脂酸類，三萜類物質及少量木脂素類物質，而安息香酸即苯甲酸(Benzoin acid)在安息香中總含量達10%-20%[6]。本實驗的合成產(chǎn)物安息香(Benzoin)又稱苯偶姻、二苯乙醇酮、2-羥基-2-苯基苯乙酮或2-羥基-1,2-二苯基乙酮，是一種無色或白色晶體。它是重要的醫(yī)藥中間體及有機化工原料，廣泛用作感光性樹脂的光敏劑、染料中間體等[7]，而它并非安息香樹脂的組成成分。探究自然界中作為中藥的安息香與化工原料安息香兩者的關系，還需要溯源到“安息香縮合反應”的發(fā)現(xiàn)。

圖1 安息香縮合反應的教學實施過程

3 教學實施案例

3.1 課程的導入

問題1. 探究實驗標題中“安息香”的由來。

問題2. 該反應最早如何被發(fā)現(xiàn)和認識？

問題3. 探究中藥安息香與本實驗產(chǎn)物安息香的親緣關系。

1832年，德國化學家維勒(F. W?hler，1800-1882)和李比希(J. von Liebig，1803-1873)在用堿洗滌苦杏仁油來提取其中的酸性成分時，意外得到熔點為132-136 °C的結晶，即安息香。后經(jīng)嚴謹?shù)奶骄糠治霰砻鳎喊蚕⑾愕男纬稍蛟从诳嘈尤手写嬖诘目嘈尤受?，堿性條件下可以水解成氫氰酸和苯甲醛[8]。當年，維勒和李比希兩位化學家在《關于安息香酸基的研究》一文中最早對基團理論作出了重要解釋[9]，認為有機化學的任務就是不斷發(fā)現(xiàn)基，尋找基與基之間的關聯(lián)，苯甲醛可以轉變?yōu)榘蚕⑾闼?、安息香酰氯和安息香酰胺等化合物，這些分子中都包含一個復合基“苯甲?；?Benzoyl)。1834年，米希爾里希(E. E. Mitscherlich，1794-1863)通過加熱安息香和石灰的混合物蒸餾得到一種無色油狀液體，當時命名為Benzene (譯音：安息油，即“苯”)。顯然Benzoin (安息香)，Benzoin acid(安息香酸)，Benzene (安息油)名稱的沿用也正是當時“基團”背景下化學衍生的一種證據(jù)[10]。這也是現(xiàn)代有機化學中官能團的最早雛形。

課前預習以問題為驅動，要求學生課前通過文獻查閱的方式尋找答案。課堂上，教師通過提問檢查學生的預習情況，通過PPT展示藥物安息香科植物的形態(tài)、安息香樹脂的外形以及化學試劑安息香化學結構和形態(tài)，對概念“安息香”進行溯源與剖析(圖2)。一方面結合學生預習情況進行歸納點評，讓學生對“安息香”這一概念形成正確完整的認識；另一方面通過切入化學史，拓展學生的視野，讓學生真正感受化學源于自然，以及化學家在認識自然和改造自然的科學研究過程中體現(xiàn)出的探索精神和創(chuàng)新精神。

圖2 關于“安息香”的朔源與剖析

3.2 反應催化劑的研究進展

問題4. 傳統(tǒng)的安息香縮合反應中，催化劑CN-在反應過程中的作用如何？

問題5. 了解安息香縮合反應催化劑及合成方法的研究進展。

問題6. 本實驗中VB1如何催化安息香縮合反應？

學生課前進行線上文獻導讀，弄清CN-在反應過程中的三方面作用；同時要求學生關注催化劑的改進及新合成技術方法的應用。

安息香縮合反應最早1832年使用的催化劑是有劇毒氰化物[8]，1943年Ukai等[11]發(fā)現(xiàn)VB1也可以催化該縮合反應，VB1價廉易得，操作安全，效果良好。1958年Breslow[12]提出了VB1作為噻唑環(huán)催化該反應的機理。近年來，一些高效合成手段的介入安息香縮合反應：采用相轉移催化-VB1法、超聲波-VB1法、微波-VB1法、金屬催化法、生物催化法等，進一步減少有毒催化劑的使用，提高反應的產(chǎn)率[13-15]，并拓展了反應的適用范圍及其在化學和醫(yī)藥等領域的應用價值。

課堂上向學生講授安息香縮合反應機理(圖3)的同時，引導學生認識反應機理中包含的“反極性策略”。通過講解該反應催化劑的研究進展以及現(xiàn)代有機合成新方法新技術的應用，向學生滲透環(huán)境保護意識和綠色可持續(xù)發(fā)展理念，引導學生要樹立敢于創(chuàng)新，積極進取的科學精神，激發(fā)學生的專業(yè)認同感和社會責任感。

圖3 安息香縮合反應的機理及VB1的結構

3.3 實驗操作環(huán)節(jié)

在講解實驗步驟過程中，從分析VB1的結構和催化機理入手，通過課堂設置問題啟發(fā)學生進行分析思考，設計教學思路，使學生對知識點的掌握環(huán)環(huán)相扣，一脈相承。引導學生抓住反應操作過程的關鍵環(huán)節(jié)，確保實驗取得成功。

問題7. 分析VB1的分子結構對反應體系的pH和反應的溫度有何要求？

問題8. 反應投料順序(NaOH的用量滴加細節(jié))有何要求？

問題9. 分析整個反應過程要求反應體系的pH保持在9-10的原因。

問題10. 實驗過程涉及的基本操作有哪些？各操作注意事項如何？

問題11. 實驗結果處理及分析。

首先VB1分子中噻唑環(huán)上N原子和S原子之間C上的活潑H和NaOH作用產(chǎn)生親核位點，然后才能進攻苯甲醛進行安息香縮合反應。同時，強堿條件會導致VB1的噻唑環(huán)易開環(huán)而失去催化活性，也會導致苯甲醛發(fā)生歧化反應。在剖析問題的基礎上引導學生認識“投料”是該實驗成敗的關鍵環(huán)節(jié)：10%的NaOH與VB1混合時的物質的量要求(約1 : 1)，滴加的低溫條件(兩者均冰水浴中充分冷卻)，滴加的速度控制(逐滴)，滴加的順序(前兩者混合后加入苯甲醛)。另外，由于體系可能含有少量苯甲酸，或者副反應(苯甲醛的歧化)會生成的少量苯甲酸都可能會消耗部分NaOH用量，從而會影響反應體系的pH，因此反應回流過程應實時監(jiān)測體系pH (9-10)，必要時需滴加10% NaOH溶液。本實驗過程涉及的基本操作有：回流、結晶、抽濾、洗滌、干燥、重結晶等，在具體的操作過程中，教師現(xiàn)場糾錯、指導和評價，力求學生操作過程規(guī)范準確。

在實驗操作教學環(huán)節(jié)，除了規(guī)范操作外，要求學生學會收集整理數(shù)據(jù)，并能結合數(shù)據(jù)進行客觀理性的分析是實驗教學的基本要求。問題11有意識地強調結果分析的重要性，教師對于小組的實驗結果進行檢查、評價與分析，引導學生從操作過程、分離純化過程等角度具體分析，符合邏輯，實事求是。正是由于VB1催化該反應的產(chǎn)率不高，且pH要求導致目前無法實現(xiàn)工業(yè)化的推廣。

總之，PBL教學模式貫穿有機化學實驗課堂教學，能夠啟發(fā)學生積極思考、主動探索實驗現(xiàn)象后面隱含的本質、對操作內容有透徹的理解，避免照方抓藥的現(xiàn)象，實驗過程能體現(xiàn)學生參與的主體性，培養(yǎng)學生思維的積極性、邏輯性與創(chuàng)新性，提升學生的化學核心素養(yǎng)。

3.4 課后整理與反思：對于苯甲醛關聯(lián)反應的架構整合

問題12. 安息香縮合、羥醛縮合反應、珀金反應和康尼扎羅(歧化)反應之間的關聯(lián)如何？

苯甲醛是一種常見的有機合成原料。安息香縮合反應、羥醛縮合反應、珀金反應、康尼扎羅反應都是以苯甲醛為原料的縮合反應，與這四個縮合反應相關的制備均包含在教材《有機化學實驗》的第三部分——有機化合物的制備中，分別對應實驗內容3-14，3-16，3-18和3-35部分。四個縮合反應本質都是在堿性條件下，不同親核試劑對苯甲醛中羰基的親核加成反應，同時各有特點，各不相同。為了進一步鞏固有機化學理論內容，有意識引導學生將相關知識點創(chuàng)新性進行融合，強化知識的遷移與應用能力的培養(yǎng)，要求學生在課后構建以苯甲醛為核心的一個知識模塊，通過開展小組討論，以論文的形式提交。

教師在對學生提交作業(yè)進行評價的基礎上，將相關內容整合成以苯甲醛為反應中心的知識模塊(圖4)。首先苯甲醛分子中不含有α-H，作為反應底物容易接受不同親核試劑的進攻：與具有α-H的丙酮發(fā)生羥醛縮合反應，制得α,β不飽和羰基化合物(A)；與乙酸酐在乙酸鹽存在下發(fā)生珀金反應，制得肉桂酸(C)。這兩個反應的實質沒有區(qū)別，珀金反應可以理解為羥醛縮合反應的拓展；苯甲醛在CN-或VB1的催化作用下發(fā)生安息香縮合反應，得到苯偶姻(B)；若苯甲醛濃堿中被HO-進攻，則發(fā)生分子間的歧化反應，產(chǎn)物為苯甲醇和苯甲酸(D)。引導學生比較兩種親核試劑CN-和HO-的結構差異性，導致兩種反應機理的差異性。

圖4 以苯甲醛為反應中心的知識模塊

教師設計過程中將多個相關知識點梳理并構建知識框架，避免學生對知識點死記硬背、張冠李戴現(xiàn)象，能更好掌握知識之間的內在聯(lián)系。要求學生對安息香縮合的產(chǎn)物(B)進行拓展和延伸(圖5)，將化合物(B)進一步還原和氧化分別得到具有對稱結構的1,2-二醇(E)和1,2-二酮(F)，然后化合物(E)在酸的條件下發(fā)生頻哪醇重排反應得到化合物(G)，而化合物(F)在堿作用下發(fā)生二苯基羥乙酸的重排反應得到化合物(H)。學生經(jīng)過比較分析方便將零散的使知識點串起來，鞏固有機化學的基本理論。通過小組討論，也增強了學生的團隊意識和協(xié)作精神。

圖5 安息香反應的延伸與拓展

問題13. 通過實例啟發(fā)學生思考：分子內歧化反應與二苯基羥乙酸的重排反應的同一性。

將圖5中(F)分子的一個苯環(huán)替換為氫原子得到化合物(I)，(I)在濃堿條件下會如何進行反應呢？

分子(I)轉化為(J)可以理解為(H)轉化為(F)過程中氫原子替換苯環(huán)帶電子對遷移的二苯基羥乙酸的重排，也可以從(I)在強堿條件下分子內歧化反應的視角去分析，其中分子中的醛基被氧化，而酮羰基被H-還原為醇。通過分析驗證兩種反應思路實質是統(tǒng)一的。綜合分析：上述反應的核心都是親核加成反應，而底物羰基的活性、試劑的親核能力、基團的離去能力是直接影響反應類型的原因。理解反應理論關聯(lián)性，對于掌握有機化學理論，合成或構建有機化合物具有重要意義。該環(huán)節(jié)在歸納過程中，適時融入結構決定性質的化學思想及透過現(xiàn)象揭示本質的哲學思維，提升學生綜合素質。

4 教學評價

有機化學實驗教學中引入PBL教學模式，將學生的學習活動設置到問題情景中，通過自主探究和合作來解決問題，調動了學生參與實驗教學的積極性和主動性，提高了學生完成任務的針對性和有效性；通過學習隱含在問題背后的知識，鍛煉學生解決問題的技能和自主學習的能力。教學實踐表明，以問題為驅動的學習模式，改變了以往學生對待實驗教學的態(tài)度，課前課后的任務不只停留在預習報告和實驗報告中實驗要素的重復書寫。問題驅動下，文獻閱讀、資料查找、自主學習、小組討論、相互交流和課后反饋等多種方式的交互，很大程度上提高了學生的學習興趣；實驗過程改變了學生以往“照方抓藥”式的教條，遇到問題不是被動向老師索要方法或答案，而是主動思考，大膽實踐，探究解決問題的方法，或通過組間協(xié)助得到解決。通過PBL模式的實驗教學實踐，學生實驗操作技能有了明顯提高，目前參加教師科研訓練和大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽的學生人數(shù)也呈現(xiàn)增長的趨勢；學生理論知識的掌握更加系統(tǒng)扎實，真正實現(xiàn)了有機化學理論教學與實驗教學的有效銜接和相互促進。問題設計過程中充分融入課程思政，在傳授專業(yè)知識和培養(yǎng)能力過程中，學生的價值觀念、人文素養(yǎng)、安全意識、環(huán)保理念有了更大的提升，進一步增強了當代大學生的責任意識和使命擔當。

5 結語

運用問題導向PBL教學模式進行有機化學實驗教學，并在教學設計過程中充分融入課程思政，將育人理念內化到課程教學過程的各環(huán)節(jié)，體現(xiàn)了“問題為基礎，學生為主體，教師為主導，育人為目標”的教育理念，教學實踐取得了一定的教學效果。當然，作為一種新的教學模式，每個實驗項目中“問題”的建構與設計，以及問題對學生后續(xù)學習過程的有效“驅動”，都對教師自身的專業(yè)素養(yǎng)，教學技能，組織管理能力提出更高的要求。因此基于PBL教學模式的有機化學實驗教學改革任重而道遠。