依托有序思維，構(gòu)建認(rèn)知模型
——以“限定條件下同分異構(gòu)體的數(shù)目確定”微專題教學(xué)為例

江蘇 屈春蕓

同分異構(gòu)是有機(jī)物分子中非常普遍的一種現(xiàn)象，同分異構(gòu)體在生命、醫(yī)藥等領(lǐng)域有著廣泛的研究及應(yīng)用。了解同分異構(gòu)體有助于學(xué)生深刻認(rèn)識有機(jī)分子的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，也有助于學(xué)生建立“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)決定變化”的基本學(xué)科觀念，形成基于官能團(tuán)、化學(xué)鍵及反應(yīng)類型認(rèn)識有機(jī)化合物的一般思路，發(fā)展學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。

歷年的高考真題中充分體現(xiàn)了同分異構(gòu)體知識的重要性。研究近年高考全國卷和江蘇卷，可以發(fā)現(xiàn)同分異構(gòu)體的書寫幾乎在每一份試卷中都有考查。在新的高考模式下，江蘇依然保留了自主命題的風(fēng)格，但是也逐步向全國卷的一些考查方式和角度平穩(wěn)過渡，給教師們帶來了引導(dǎo)教學(xué)的作用。

一、江蘇卷與全國卷的命題角度對比

表1 2018—2020年江蘇卷同分異構(gòu)體書寫的考查角度

從近年高考江蘇卷的情況來看，同分異構(gòu)體的考查具有以下幾個特點(diǎn)：①真實(shí)性。江蘇高考卷基于真實(shí)情境，選擇某種藥物的合成路徑作為載體形成題目的流程圖，同分異構(gòu)體的書寫對象基本上來源于流程中的某種物質(zhì)，即考查對象真實(shí)而明確。②基礎(chǔ)性。江蘇卷立足物質(zhì)的基本性質(zhì)進(jìn)行考查，尤其是酯基、醛基、酚羥基等的性質(zhì)被多次考查到。所考查的物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)中都有苯環(huán)，但苯環(huán)結(jié)構(gòu)一般保持不變，這既是基于在真實(shí)的化學(xué)反應(yīng)中，苯環(huán)結(jié)構(gòu)具有一定的穩(wěn)定性，在一定程度上體現(xiàn)了江蘇卷對常見官能團(tuán)之間的相互轉(zhuǎn)化的關(guān)注，也是立足學(xué)科基本知識，培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)變化觀念的重要體現(xiàn)。③典型性。江蘇卷關(guān)注有機(jī)化合物的基本結(jié)構(gòu)，基于核磁共振氫譜這一現(xiàn)代結(jié)構(gòu)測定手段考查有機(jī)分子的結(jié)構(gòu)，而且一般選擇核磁共振氫譜的峰組數(shù)不多也就是分子對稱性比較高的物質(zhì)作為切入點(diǎn)，具有一定的典型性。

表2 2021年全國卷同分異構(gòu)體的考查角度

通過分析2021年全國卷，筆者發(fā)現(xiàn)限定條件下的同分異構(gòu)體書寫也是全國卷的必考點(diǎn)之一。研究全國卷的考查角度，也可以發(fā)現(xiàn)與江蘇卷的相似之處：全國卷同樣依托真實(shí)情境，選取流程中某個物質(zhì)作為研究對象去書寫其同分異構(gòu)體，也有對有機(jī)物質(zhì)結(jié)構(gòu)和官能團(tuán)性質(zhì)的考查。但是全國卷最突出的考查特點(diǎn)是對同分異構(gòu)體的數(shù)量有明確的要求。其實(shí)不只2021年，近幾年高考全國卷多次出現(xiàn)對同分異構(gòu)體的數(shù)量考查，或者要求寫出多種符合條件的同分異構(gòu)體的情況。與2021年不同的是，2020年有三份全國高考理綜卷，但是從考核要求上體現(xiàn)了與2021年同樣的特點(diǎn)，這既體現(xiàn)了高考卷對學(xué)科核心知識的持續(xù)關(guān)注，同時也體現(xiàn)了全國卷對思維的全面性與物質(zhì)多樣性的關(guān)注，這一點(diǎn)與江蘇卷有明顯不同。

二、構(gòu)建思維模型，正確書寫限定條件下的同分異構(gòu)體

模型建構(gòu)屬于“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”中的高層次能力，《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》(以下簡稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》)基于“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”素養(yǎng)的培養(yǎng)要求，倡導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用模型解決實(shí)際問題，針對復(fù)雜、陌生的問題，建構(gòu)化學(xué)模型。在同分異構(gòu)體教學(xué)中，面對層出不窮的新情境和變化多樣的新物質(zhì)，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生通過對已知的化學(xué)事實(shí)進(jìn)行梳理和排序，對解題方法和思路進(jìn)行歸納和概括，最終形成完整的思維方法。

在同分異構(gòu)體書寫的具體解題過程中，學(xué)生需要了解常見的官能團(tuán)及其主要性質(zhì)，需要會辨析不同化學(xué)環(huán)境的氫原子，還要能結(jié)合題目要求進(jìn)行綜合推斷分析最終確定分子結(jié)構(gòu)。在需要加工和處理的信息比較多的情況下，條理化、系統(tǒng)性的思維方式有助于學(xué)生順利厘清思路，解決疑難。在教學(xué)實(shí)踐的基礎(chǔ)上，筆者總結(jié)出了如圖所示的解決同分異構(gòu)體書寫類問題的思維模型。

同分異構(gòu)體書寫類問題的思維模型

【例1】(2020·江蘇卷·17節(jié)選)

①能與FeCl3溶液發(fā)生顯色反應(yīng)。

②能發(fā)生水解反應(yīng)，水解產(chǎn)物之一是α-氨基酸，另一產(chǎn)物分子中不同化學(xué)環(huán)境的氫原子數(shù)目比為1∶1且含苯環(huán)。

由以上分析可知，書寫滿足限定條件的某個同分異構(gòu)體時，綜合利用已知條件并形成思維流程非常重要，所以根據(jù)上述思維模型我們確定了“不飽和度分析→官能團(tuán)分析→對稱性分析”的大體思維流程，具體而言，先通過不飽和度分析出官能團(tuán)的大體類型和數(shù)量，再根據(jù)物質(zhì)的性質(zhì)進(jìn)一步確認(rèn)初步結(jié)論，然后從對稱性角度去分配、排布各個基團(tuán)寫出符合條件的物質(zhì)，最后進(jìn)行驗(yàn)證。

三、利用有序思維，確定同分異構(gòu)體的數(shù)量

有序思維指的是在解決問題的過程中，學(xué)生的思維是沿著由低到高、由淺到深、由近到遠(yuǎn)的優(yōu)化程序步步向前推進(jìn)，直至有效地完成任務(wù)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。這種思維活動能夠使學(xué)生有條理地考慮問題，既不重復(fù)，也不遺漏。這種思維方式還能夠優(yōu)化思維過程，使學(xué)生既能掌握基礎(chǔ)知識，又能理解知識發(fā)生、發(fā)展的具體過程，有助于提高學(xué)生思維的敏捷性、系統(tǒng)性和完整性，更好地發(fā)展學(xué)生的思維能力。

1.含有苯環(huán)的有機(jī)物的同分異構(gòu)體的書寫

從這個題目中可以看到環(huán)狀物質(zhì)尤其是含有苯環(huán)的物質(zhì)的同分異構(gòu)體的書寫，往往可以通過找到特例物質(zhì)，然后在此基礎(chǔ)上，通過基團(tuán)在環(huán)上按照一定的規(guī)則有序移動而得到其他同分異構(gòu)體。依據(jù)基本完全相同的思路流程，可以順利地解出2021年全國甲卷同分異構(gòu)體的書寫問題。

a.含苯環(huán)的醛、酮。b.不含過氧鍵(—O—O—)。c.核磁共振氫譜顯示四組峰，且峰面積比為3∶2∶2∶1。

A.2個 B.3個 C.4個 D.5個

【答案】C

2.不含苯環(huán)的鏈狀有機(jī)物的同分異構(gòu)體書寫

(a)4 (b)6 (c)8 (d)10

【答案】c

【題目分析】2020年全國卷Ⅱ的題目通過簡單推導(dǎo)可以確定結(jié)構(gòu)，然后梳理3個題給限定條件可以發(fā)現(xiàn)物質(zhì)的主體框架(即官能團(tuán)種類和數(shù)量)基本沒有變化，所以首先寫好碳鏈結(jié)構(gòu)，然后酮羰基和碳碳雙鍵兩個官能團(tuán)先固定一個的位置，讓另一個在碳鏈上移動。下列示例就是固定酮羰基的位置，讓碳碳雙鍵在碳鏈上移動的情況。具體的思維過程如下：

第二種主鏈為5個碳，按照以上步驟的有序思維，第一步先確定主體碳架結(jié)構(gòu)，接著羰基和碳碳雙鍵需要確定兩個官能團(tuán)的位置，利用控制變量的思想，先固定一個官能團(tuán)的位置，然后再通過讓另一個官能團(tuán)在碳鏈上移動的方法來確定不同結(jié)構(gòu)的同分異構(gòu)體的個數(shù)。具體的思路流程如表4：

表4

主鏈為4個碳及以下的結(jié)構(gòu)經(jīng)判斷不能滿足題給條件，所以滿足條件的同分異構(gòu)體的數(shù)目為8種。

總結(jié)以上分析過程，對于鏈狀有機(jī)物同分異構(gòu)體的數(shù)量確定問題，基本上按照“主鏈由長到短，位置由心到偏，結(jié)構(gòu)由整到散”的思路先確定碳架結(jié)構(gòu)，然后再用控制變量的思想，固定一個官能團(tuán)的位置，讓另一個官能團(tuán)在碳鏈上移動去確定同分異構(gòu)體的數(shù)量。這樣的分析過程看似比較復(fù)雜，但是它立足的基本方法，是對學(xué)生構(gòu)建思維過程系統(tǒng)性和有序性的一個有效培養(yǎng)，也有助于學(xué)生完整不遺漏地解決此類問題。