基于发散思维策略的化工类专业有机化学教学探索
——以“烯烃”教学为例

＊郑卫新 郑辉

（杭州师范大学材料与化学化工学院 浙江 311121）

1.引言

发散思维（Divergent Thinking）是指一种扩散状态的思维模式，表现为思维视野广阔，思维呈现出多维发散状。发散思维是创造性思维最主要的特点，是测定创造力的主要标志之一[1]。吉尔福特（Guilford）在对创造力所涉及的思维能力进行实证研究后指出，训练人的发散思维能力是培养创造力的一种有效方法[2]。思维导图是一种表达发散性思维的有效图形思维工具，可以把各级主题的关系用相互隶属与相关的层级图表现出来[3]。近年来华东师大刘濯源带领的思维可视化研究团队基于学科知识的特性，把概念图、知识树、问题树等图示方法的优势特性相结合[4]，深入知识本质，挖掘规律，完成“学科思维导图”体系的构建[5]。“学科思维导图”作为一种“基于系统思考的知识建构策略”，更有利于高学段学生在学习过程中的“理解性记忆”和“结构化思考”。因此，基于学科思维导图策略开展课程教学不仅利于学生加深知识理解及规律掌握，同时也促进通过发散式思维的多方法、多角度分析与解决问题。

2.学情分析

有机化学是高分子材料与工程专业及其它化工类专业的基础理论课程。然而，在教学过程中学生学习该课程困难重重，究其原因主要有以下几个方面：首先，有相当比例的学生进入大学依然还未形成符合化学学科特点的“理解性记忆”学习方法而导致缺乏应该具备的“结构化思考”思维与能力，因此无法适应有机化学甚至其他大学课程的学习。再者，有机化学课程教学内容体系庞大，知识结构复杂。此外，工科类学生对基础理论课程的重视程度不够也是导致学习困难的原因之一。而近年来随着人才培养目标向通识化教育方向转变，有机化学的课程学时不断缩减的情况下教学要求却不能降低，导致学生学习强度增大。

有机化学课程内容以有机化合物的骨架与官能团种类为主线组织教学内容，分两个学期讲授。与化合物相关章节内容主要包括化合物结构、性质及物质转化规律。根据有机合物之间的相互转化关系，不同章节内容之间存在紧密联系，学生即使学到最后一章也可能会用到第一章的内容。例如“烯烃”是有机化学课程第三章内容，但是几乎所有章节都会涉及到这部分知识点。因此，当学生面临一个实际有机化学问题时（如合成、性质区别、结构鉴定与推导等），要查阅的内容可能会分散在多个章节中，学生会感觉到内容多到无从下手。

因此，如何在有限的时间与精力范围内实现高效率教学是我们迫切需要解决的问题。具有碳-碳双键的烯烃是合成聚烯烃类高分子材料的重要工业原料，以“烯烃”教学为例，开展基于发散思维策略的化工类专业有机化学教学探索。

3.实施方案及创新

以“烯烃”教学为例，在教材章节以有机化合物官能团教学体系的基础上，将知识点以反应类型、试剂功能等为次级体系进行重构，根据学生学习进度推进，将课程教学过程分为初始、中期、后期三个阶段，在不同阶段分别开展基于矩阵图、关联图和思维导图策略的发散思维教学，将有机化学知识以多维度形式表现，针对学生学习困难开展有机化学教学。

(1)初始阶段—基于矩阵图的知识框架

重点掌握烯烃化学键性质与结构特点，在理解结构性质的基础上掌握最基本的化学反应及反应机理。这一阶段学生掌握的知识在整个体系中的比重较小，引导学生逐渐建立起基本学习思路，逐渐形成个性化学习方法是最重要的任务。

由教师指导学生设计、完成课程知识框架矩阵图（如图1），通过简洁表达方式，帮助学生理解相同类型与不同类型反应的内在联系与本质区别，旨在掌握“规律”而非“表象”。

图1 “烯烃”教学中的知识矩阵图Fig.1 Knowledge matrix diagram in "Alkene" teaching

图1是教师在课堂教学中提供的知识矩阵图。在该阶段，教师以烯烃与炔烃的共同官能团碳-碳重键为核心，以矩阵图形式为学生提供具有类似结构化合物的有机反应要点，该矩阵图展示的是不饱和化合物中键的反应。从反应机理来看，图中反应可分为离子型反应（亲电加成）、自由基反应和协同反应，突出反应类型差异的同时，关注同为离子型反应的亲电加成反应的共同特征，探寻物质转化的基本规律，引导学生在学习有机反应时应关注共价键断裂与形成的不同特征及电子转移的不同方式。图中空白处是该章节中的关键知识结点，部分由教师提供作为示例，其余空格由学生在学完新课后填写。表格不仅有助于学生课后复习，更是要引导学生理解知识框架与结点，逐渐形成有机化学学科思维及合理的个性化学习方法。

(2)中期阶段—化合物关联图

有机化学课程分两个学期教授，学生在第一学期中完成包括烷烃/环烷烃、烯烃/炔烃、芳烃、卤代烃等类型化合物结构与性质学习，已经具备一定的有机化学知识储备，初步建立起多种类型化合物之间的关联，但同时也会因庞大的有机物反应体系而感受到学习有机化学的巨大挑战。此时是学生建立起有机化学学科思维的关键时期，若能顺利完成将惠及后续的课程学习，反之则无法适应更深层次的学习而导致学习障碍。因此，在该阶段学生在掌握知识的同时，应逐步树立将知识融会贯通的意识，“有机化合物关联图”（图2）可以帮助学生在这一阶段的学习。

图2的关联图包含有机化学I所学的章节内容。在该阶段，学生已经掌握化合物之间的互相转化方法不是唯一的，即使无法直接转化，如从烯烃至炔烃，可以通过卤代烃的合成与反应来实现。此外，箭头的疏密亦可反映出化合物的反应活性。该关联图可以随着教学进度推进而不断扩充，不仅可以作为课堂教学提纲通过板书展示，学生在课外通过完成关联图中的反应路线，对不同物质的相同类型反应进行横向比较，脱离教材结构而以发散式思维方式加深理解式记忆，有利于进一步深入思考、掌握物质转化的规律并将知识应用于解决问题。在不同教学进度中，关联图中部分物质间转化是单向，可以激发部分程度较好的学生在课外进行探究与自主学习，超越课程教学进度。

(3)后期阶段—基于解决问题的发散式思维导图

图2 有机化合物关联图（有机化学l）Fig.2 Association diagram of organic compounds (Organic Chemistry l)

当学生完成羰基化合物及含氮化合物学习后，学生已经掌握并熟悉以发散式思维理解导向知识运用的课程多级体系及知识体系的横向重构，可以完成脱离教学进度的次级知识体系的思维导图，将有机化学知识应用于解决问题中。以烯烃类化合物合成为例（图3），碳-碳双键的选择性构建是合成烯烃的关键步骤。根据碳骨架构建的基本思路，碳链是否增长是形成不饱和碳-碳键的核心问题。因此，以解决这一问题为导向，可绘制如图3的关于碳-碳双键形成的思维导图。

图3 “碳-碳双键形成”思维导图Fig.3 Mind map of“Formation of carbon-carbon double bond"

图3中构建碳-碳双键有两种方式，分别是碳原子数不变与碳原子数增加（即形成双键的同时有新的碳-碳键生成）。其中除了季铵碱热解，其余碳原子数不变的方法学生在中学阶段就有所接触，先入为主的深刻记忆在一定程度上阻碍对其他方法的掌握。尤其是碳原子数增加的反应，由于涉及到不同化合物的分子间反应，学生往往较难掌握并运用。通过“碳-碳双键形成”这一合成目标为导向，以发散思维模式梳理所有关于该专题反应，对知识点进行次级横向重构，学生可以在理解式记忆的基础上开展基于结构化思考，激发潜在的创造力，在多维思维模式中不断提高创新能力。

发散思维可以为解决某一具体问题的收敛思维提供尽可能多的解决方案，与传统有机化学教学相比，在不同阶段基于发散思维教学不尽相同，主要有以下特点：

首先，在初期的“矩阵图”阶段，学生刚刚开始有机化学学习，首次接触到大量的有机反应与机理，将知识框架用矩阵图的方式进行表达非常有利于学生对学习重点的把握，大部分学生愿意这种简洁方式对知识进行梳理，也利于学生发现同类化合物不同反应的共性与个体差异。

其次，“矩阵图”的方式针对每章节的同类型化合物的教学具有优势，但是在体现不同化合物之间的相互关系却略显不足，多种有机化合物相互之间的“网状”转化关系无法体现。因此在学生完成五种以上化合物的学习后，应该进入相应的“关联图阶段”。与传统教学相比，在这一阶段能继续参与的学生数量有所下降，部分学生开始为不同类型反应的选择性所困扰。但是这阶段能坚持思维导图的学生开始在学习能力与学习深度上开始与其他学生拉开距离。以化学类182班（共34人）有机化学I为例，期中考试90分以上的学生仅1人，但是期末考试为8人。有机化学I、Ⅱ两个学期共有四次全年级平行考试，每次考试内容均会覆盖之前的所有教学内容，因此越往后难度会越大。分析这些明显进步的学生，大部分是能够用图表或思维导图方式进行学习与知识梳理的学生。由此可知，发散思维策略在有机化学教学中是有效的。

以“烯烃”内容为例，同样可将发散思维教学策略应用于羰基化合物、含氮化合物等以官能团分类的常见有机化学教材体系知识点教学。更重要的是，发散思维还可以反应类型（如亲核加成、亲电加成等）、试剂功能（如还原剂、氧化剂等）、有机合成砌块（如C1、C2、C3合成砌块及等当体等）为核心主题对相关内容进行次级知识体系梳理，为学生在解决具体有机化学问题时寻求多种创造性方案提供思路与依据，在解决问题的同时不断加深对知识的理解，实现理解性记忆-结构化思考-多方案解决问题的良性学习循环，逐渐在学习与思考中形成学科思维，具备良好的基本学科素养、自主学习能力与创造力。

4.结语

在互联网与信息技术快速发展的时代，课堂不再是学生获得新知识的唯一途径，大学课堂除了传授学科知识，更要注意培养学生的学科思维与综合素养。引导学生在学习过程中形成符合学科特征的个性化学习方法与思路，在获得自我成长的过程中树立学习自信，具备自主学习、创新能力并逐渐形成终身成长能力，是当前高等教育在新时代关注的重要培养目标。开展基于发散思维策略的化工类专业有机化学课程教学可以使学生在大学低年级阶段理论课程学习中逐渐养成自主学习意识，通过“理解性记忆”掌握理论课程学习方法与基础知识，为开展具有化工学科特色的“结构化思考”以解决实际问题打下扎实基础，在学习过程中激发潜在的创造力，提升创新意识与综合素养。