設(shè)置驅(qū)動性問題鏈，促有機認(rèn)知模型建構(gòu)

貝偉浩　藍(lán)仁敏

[摘? ?要]文章以“鹵代烴的親核取代和β-消除反應(yīng)”教學(xué)為例，將核心知識設(shè)置成問題鏈，利用啟發(fā)性問題、挑戰(zhàn)性問題、發(fā)散性問題、反思性問題等來驅(qū)動學(xué)生思維進(jìn)程，通過互動、質(zhì)疑、建構(gòu)，讓學(xué)生體驗、感悟進(jìn)而理解認(rèn)知模型的功能價值，為破解高中化學(xué)尖子生有機學(xué)習(xí)思維困境提出教學(xué)對策，有效促進(jìn)學(xué)生有機化學(xué)認(rèn)知模型的形成。

[關(guān)鍵詞]有機化學(xué);驅(qū)動性問題;認(rèn)知模型

[中圖分類號]? ? G633.8? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]? ? A? ? ? ? [文章編號]? ? 1674-6058（2021）08-0064-03

一、問題的提出

化學(xué)奧林匹克競賽是化學(xué)尖子生的培養(yǎng)平臺，為國家選拔創(chuàng)新科研人才。有機化學(xué)在競賽試題中約占30%，常作為壓軸題，其重要性可見一斑。劉知新教授認(rèn)為，學(xué)習(xí)有機化學(xué)能夠夯實并深化物質(zhì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)知識，有利于學(xué)生了解化學(xué)對人類的突出貢獻(xiàn)，有利于系統(tǒng)訓(xùn)練科學(xué)方法和培養(yǎng)思維能力[1]。我校注重化學(xué)尖子生培養(yǎng)，多年來為國家輸送了一大批化學(xué)創(chuàng)新型人才。我們在教學(xué)過程中調(diào)查發(fā)現(xiàn)，絕大部分化學(xué)尖子生認(rèn)為有機化學(xué)內(nèi)容繁多、空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜、機理難于理解。這和有機化學(xué)知識的特點有關(guān)，顯然，許多學(xué)生并沒有形成有機化學(xué)認(rèn)知模型，從而缺失描述能力、解釋能力、預(yù)判能力。

本文以“鹵代烴的親核取代和β-消除反應(yīng)”教學(xué)為例，通過設(shè)置驅(qū)動性問題鏈，幫助學(xué)生形成有機化學(xué)認(rèn)知模型，嘗試構(gòu)建培養(yǎng)化學(xué)尖子生高階思維的教學(xué)新模式。

二、促進(jìn)認(rèn)知模型建構(gòu)的“鹵代烴的親核取代和β-消除反應(yīng)”的教學(xué)設(shè)計

1.教材分析

從教材編排上看，“鹵代烴的親核取代和β-消除反應(yīng)”位于烷烴之后，是烴的衍生物的開篇，具有承前啟后的作用。從教學(xué)功能上看，在碳骨架上引入鹵原子后能產(chǎn)生眾多官能團(tuán)的衍變反應(yīng)，由此有機物和有機反應(yīng)類型變得豐富，學(xué)習(xí)難度也逐漸加大。鹵代烴的親核取代和β-消除反應(yīng)的機理關(guān)系到電子效應(yīng)和立體效應(yīng)的綜合影響，兼具綜合性和抽象性的知識本身對學(xué)生的思維提出了更高的要求，如果不能采用恰當(dāng)?shù)挠?xùn)練方法幫助學(xué)生建構(gòu)有機化學(xué)認(rèn)知模型，必然會使學(xué)生的思維停留在對陳述性知識大量記憶的低階水平，不利于激發(fā)學(xué)習(xí)興趣和形成高階思維。

2.教學(xué)目標(biāo)

通過鹵代烴的教學(xué)，幫助學(xué)生建構(gòu)有機物和有機反應(yīng)的認(rèn)知模型（如圖1），并讓學(xué)生在具體的學(xué)習(xí)過程中實踐和感悟其價值，為后面的學(xué)習(xí)打下堅實的基礎(chǔ)。

3.教學(xué)過程

要有效地促進(jìn)學(xué)生思維的生長，就要將關(guān)鍵的思維點設(shè)計成問題活動[2]。本研究利用啟發(fā)性問題、挑戰(zhàn)性問題、發(fā)散性問題、反思性問題等來驅(qū)動學(xué)生思維進(jìn)程，讓學(xué)生在問題活動的體驗中理解認(rèn)知模型，實現(xiàn)知識能力的“再生”和“遷移”。

[環(huán)節(jié)一]在問題活動中體驗有機化學(xué)認(rèn)知模型。

問題1（啟發(fā)性問題）：比較烷烴和鹵代烴的結(jié)構(gòu)，找出相同點和不同點，請預(yù)測鹵代烴可能發(fā)生的反應(yīng)有哪些。

學(xué)生受高中有機化學(xué)知識的影響，認(rèn)為電負(fù)性X>C，X原子吸電子導(dǎo)致C—X易斷鍵，—X易被—OH所取代。這種理解與真實的反應(yīng)機理相去甚遠(yuǎn)，導(dǎo)致很多學(xué)生在書寫鹵代烴的水解方程式時仍以水作為試劑，并且往往會遺漏NaOH。造成這個誤區(qū)的根本原因是學(xué)生的認(rèn)識仍停留在簡單、片面的結(jié)構(gòu)上，沒有形成從電子效應(yīng)的角度來深刻理解有機物的結(jié)構(gòu)。

問題2（發(fā)散性問題）：電負(fù)性C>H，為什么不是C—H中的H被取代？

此時引入電子效應(yīng)中的誘導(dǎo)效應(yīng)。誘導(dǎo)效應(yīng)是指在分子中受到不同電負(fù)性取代基的影響，成鍵電子云按取代基的電負(fù)性所決定的方向而產(chǎn)生偏移的效應(yīng)[3]。誘導(dǎo)效應(yīng)以C—H鍵為標(biāo)準(zhǔn)，X原子電負(fù)性大于H原子，具有吸電子誘導(dǎo)效應(yīng)，使電子云沿著鍵軸向X原子移動，導(dǎo)致X原子帶局部負(fù)電荷（δ-），α-C原子帶局部正電荷（δ+），由于異性電荷相吸，帶δ+的C原子易受到親核試劑（Nu：）的進(jìn)攻。

設(shè)計意圖：讓學(xué)生體驗有機物和有機反應(yīng)的認(rèn)知模型的第一維度：從電子效應(yīng)（誘導(dǎo)效應(yīng)）分析化學(xué)鍵的極性及鍵與鍵之間的相互影響，預(yù)測可能發(fā)生的反應(yīng)。

問題3（挑戰(zhàn)性問題）：取代反應(yīng)的驅(qū)動力是什么？哪個基團(tuán)離去？

若形成C—Nu：鍵，則α-C上有五根鍵，必然要離去一個基團(tuán)。哪個基團(tuán)離去？這涉及反應(yīng)的驅(qū)動力，包括熱力學(xué)驅(qū)動和動力學(xué)驅(qū)動。熱力學(xué)驅(qū)動是指反應(yīng)朝著使產(chǎn)物能量降低（穩(wěn)定）的方向進(jìn)行，動力學(xué)驅(qū)動是指反應(yīng)活化能低或者過渡態(tài)勢能低的反應(yīng)優(yōu)先進(jìn)行。從鍵能角度看，C—H鍵的鍵能均大于C—X鍵，故從動力學(xué)角度看，是C—X鍵斷裂。若從離去基團(tuán)的穩(wěn)定性角度看，X原子以X-形式離去，H原子以H-形式離去，顯然X-在溶液中更常見也更穩(wěn)定。

設(shè)計意圖：讓學(xué)生體驗有機物和有機反應(yīng)的認(rèn)知模型的第二維度：從熱力學(xué)和動力學(xué)角度分析反應(yīng)的驅(qū)動力。

問題4（質(zhì)疑性問題）：以上分析推測出鹵代烴易發(fā)生親核取代反應(yīng)，與實驗事實是否相吻合？

教師展示實驗數(shù)據(jù)：鹵代烴與H2O反應(yīng)，測得三級鹵代烴反應(yīng)速率最快，一級鹵代烴反應(yīng)速率最慢，產(chǎn)物是一對外消旋體;若加入強堿，則一級鹵代烴的反應(yīng)速率大幅度提高，得到構(gòu)型翻轉(zhuǎn)的產(chǎn)物。這樣的實驗結(jié)果大大超出學(xué)生的預(yù)期，說明鹵代烴的親核取代反應(yīng)存在多種機理。

設(shè)計意圖：預(yù)測結(jié)果的簡單與實驗結(jié)果的復(fù)雜，使學(xué)生產(chǎn)生強烈的認(rèn)知沖突，激發(fā)學(xué)生的求知欲和探究欲。

接下來要解決最關(guān)鍵的反應(yīng)機理問題。有機物的立體結(jié)構(gòu)對其性質(zhì)有著非常重要的影響，比如眾所周知的鎮(zhèn)痛藥嗎啡，有多種旋光異構(gòu)體，但只有其中一種具有鎮(zhèn)痛作用[3]。因此，在分析有機反應(yīng)機理時必須考慮立體效應(yīng)，而很多學(xué)生缺乏這種空間想象的思維能力。為了幫助學(xué)生化抽象為具體，在講解兩種親核取代反應(yīng)的機理時，可以引入一個假想平面，將α-C放在該假想平面上來分析。

對于SN2反應(yīng)，底物鹵代烴的α-C采取sp3雜化，具有四面體構(gòu)型，親核試劑Nu：從C—X鍵的反向延長線方向進(jìn)攻帶部分正電荷的α-C，為了緩解該側(cè)基團(tuán)空間上的擁擠，α-C采取sp2雜化，形成一個平面型的過渡態(tài)，即R1、R2、R3位于假想平面上，未完全形成的C—Nu：鍵與未完全斷裂的C—X鍵垂直于該平面。最后，鹵素離子離去，為了再次緩解基團(tuán)的擁擠，α-C重新回到sp3雜化，R1、R2、R3從平面上方轉(zhuǎn)到平面下方，發(fā)生構(gòu)型的翻轉(zhuǎn)（如圖2）。

從SN2反應(yīng)的勢能圖（如圖3甲）可以看出，這是一個雙分子單步反應(yīng)（決速步與兩種物質(zhì)有關(guān)）。

SN1反應(yīng)則是分兩步進(jìn)行。首先底物鹵代烴解離成碳正離子和鹵素負(fù)離子，α-C由sp3雜化的四面體構(gòu)型轉(zhuǎn)變?yōu)閟p2雜化的平面構(gòu)型，這樣減少了三個基團(tuán)的擁擠，有利于碳正離子的形成，而且碳上還有一個垂直于平面的空p軌道用于成鍵。一旦成鍵，又恢復(fù)四面體構(gòu)型[3]（如圖4）。當(dāng)親核試劑Nu：進(jìn)攻碳正離子時，上下平面進(jìn)攻的概率相當(dāng)，因此，若α-C是手性碳，就會得到“構(gòu)型保持”和“構(gòu)型翻轉(zhuǎn)”占比相同的產(chǎn)物。從SN1反應(yīng)的勢能圖（如圖3乙）來看，這是一個單分子兩步反應(yīng)（決速步與一種物質(zhì)有關(guān)）。

設(shè)計意圖：從空間立體效應(yīng)角度對兩種反應(yīng)機理進(jìn)行剖析，讓學(xué)生體驗有機物和有機反應(yīng)認(rèn)知模型的第三維度：綜合考慮過渡態(tài)（中間體）和產(chǎn)物的三大選擇性（反應(yīng)選擇性、區(qū)域選擇性、立體選擇性）。

問題5（展望性問題）：請預(yù)測溴代新戊烷發(fā)生SN1反應(yīng)的產(chǎn)物有哪些。

大部分學(xué)生會得出圖5中“少”的產(chǎn)物為主要產(chǎn)物。此時教師應(yīng)解釋碳正離子的重排。碳正離子的空p軌道與烷基上的[C—H]鍵具有一定程度的重疊，導(dǎo)致電子離域，使碳正離子穩(wěn)定性增強[3]。烷基上[C—H]鍵個數(shù)越多越能有效穩(wěn)定碳正離子的正電荷。從熱力學(xué)驅(qū)動的角度看，1° C+和2° C+會通過負(fù)氫遷移和烷基遷移重排生成更穩(wěn)定的3° C+，得到重排產(chǎn)物。

設(shè)計意圖：碳正離子的重排很常見，在有機合成中必須注意，這也是大部分學(xué)生的易錯點。針對學(xué)生思維的未知點設(shè)置問題，可以有針對性地幫助學(xué)生突破易錯點。

通過上述5個問題活動，讓學(xué)生初步感知和體驗有機物和有機反應(yīng)的認(rèn)知模型。在幫助學(xué)生搭建有機物和有機反應(yīng)的認(rèn)知模型的“腳手架”之后，還需檢測學(xué)生的接收效果。為此，接下來要通過更進(jìn)一步的驅(qū)動性問題引導(dǎo)學(xué)生對鹵代烴的β-消除反應(yīng)展開討論。

[環(huán)節(jié)二]在問題解決中發(fā)展有機化學(xué)認(rèn)知模型。

問題6（反思性問題）：請把目光聚焦到β-C上，從電子效應(yīng)的角度分析化學(xué)鍵中還存在哪些“薄弱環(huán)節(jié)”。

學(xué)生很容易回答出：“X原子電負(fù)性強，β-C上電子云密度由于吸電子效應(yīng)下降而顯局部正電荷（δ δ+），造成β-H具有一定酸性，因而容易被親核試劑進(jìn)攻，發(fā)生消除反應(yīng)。”這說明學(xué)生已經(jīng)初步掌握分析有機物的切入點——從電子效應(yīng)分析化學(xué)鍵的極性以及鍵與鍵之間的相互影響。

問題7（還原性問題）：反-1，2-二溴環(huán)己烷發(fā)生消除反應(yīng)的產(chǎn)物有哪些？請分析產(chǎn)物的穩(wěn)定性。

設(shè)計意圖：讓學(xué)生暴露思維短板。這道題只有唯一的產(chǎn)物：1，3-環(huán)己二烯，因為形成共軛結(jié)構(gòu)能顯著降低體系能量。仍有部分學(xué)生的答案中出現(xiàn)“苯炔”結(jié)構(gòu)，但只要從空間效應(yīng)稍作分析，便能發(fā)覺 “苯炔”的張力很大，極不穩(wěn)定，進(jìn)而拓寬學(xué)生對有機物的空間效應(yīng)思考維度。

問題8（探索性問題）：請觀察E2消除反應(yīng)機理（如圖6），該反應(yīng)在立體化學(xué)上有何要求？

問題9（挑戰(zhàn)性問題）：三級鹵代烴在無堿時的消除是按單分子消除（E1）機理進(jìn)行的[3]。根據(jù)E1消除反應(yīng)機理（如圖7），并結(jié)合已有知識，你能說出為什么按該機理發(fā)生反應(yīng)嗎？

設(shè)計意圖：上述問題的回答需要學(xué)生運用有機物認(rèn)知模型的第二、第三維度。至此，已是學(xué)生第三次運用該認(rèn)知模型來解決問題，讓學(xué)生深入體會其功能價值，實現(xiàn)了學(xué)生思維的發(fā)展。

本節(jié)課學(xué)生的課堂反饋效果良好，階段性紙筆測試成績與往屆同期對比有所提高。通過實踐，總結(jié)得出破解化學(xué)競賽有機學(xué)習(xí)思維困境的對策，以及有效構(gòu)建有機化學(xué)認(rèn)知模型的教學(xué)策略：從熟悉的情境入手促進(jìn)學(xué)生認(rèn)知方式的轉(zhuǎn)變;針對學(xué)生思維的已知點、未知點和易錯點設(shè)置問題障礙，促進(jìn)學(xué)生認(rèn)知方式的轉(zhuǎn)變;教學(xué)問題的設(shè)置要有驅(qū)動性和難度梯度，并進(jìn)行恰當(dāng)?shù)淖穯枴ｋS后的有機教學(xué)實踐證明，學(xué)生能夠較好地利用有機物和有機反應(yīng)認(rèn)知模型分析和解決問題。

[? ?參? ?考? ?文? ?獻(xiàn)? ?]

[1]? 劉知新. 化學(xué)教學(xué)論[M]. 北京：高等教育出版社，1997.

[2]? 徐星，展軍顏，黃慧清.洞悉思維的基點 構(gòu)建思維型課堂：新課程理念下“物質(zhì)分類”的教學(xué)設(shè)計[J]. 中學(xué)化學(xué)，2017（9）：16-18.

[3]? 邢其毅，裴偉偉，徐瑞秋，等. 基礎(chǔ)有機化學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2005.

（責(zé)任編輯 羅 艷）