基于“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”的高中有機(jī)化學(xué)教學(xué)

黃依萌

【摘要】本文以高中化學(xué)選擇性必修3《有機(jī)合成》為例，在任務(wù)驅(qū)動下，通過課前復(fù)習(xí)與整理、課中反饋與補(bǔ)充、課后實踐與應(yīng)用，完成“初建模型、完善模型、應(yīng)用模型”的建模過程，形成合成簡單有機(jī)化合物的一般思路，發(fā)展學(xué)生“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

【關(guān)鍵詞】有機(jī)合成;模型認(rèn)知

一、問題的提出

2017版《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》中強(qiáng)化了學(xué)科的育人功能，提出了五大化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，其中，“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”旨在培養(yǎng)學(xué)生“基于證據(jù)對物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)及其變化提出可能的假設(shè)，通過分析推理加以證實或證偽，建立并運(yùn)用模型解釋化學(xué)現(xiàn)象，揭示現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律”的能力[1-2]。

本文以有機(jī)合成第1課時—有機(jī)合成的主要任務(wù)為例進(jìn)行分析。該課既是對前面所學(xué)的烴及烴的衍生物內(nèi)容的復(fù)習(xí)，又為之后有機(jī)合成路線的設(shè)計奠定基礎(chǔ)。然而，學(xué)生在進(jìn)行有機(jī)合成時主要存在的問題有：一不能熟練調(diào)用常見官能團(tuán)的性質(zhì);二沒有系統(tǒng)地建立官能團(tuán)之間的關(guān)系;三沒有形成解決該類問題的思維模型;四無法準(zhǔn)確地提取新信息中有效的內(nèi)容，缺乏對已有知識整合并重組為新知識的思維能力。[3]因此，如何提升學(xué)生的思維能力，如何給予適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)，由學(xué)生主動構(gòu)建合成簡單有機(jī)化合物的思維模型，如何達(dá)成發(fā)展學(xué)生“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”核心素養(yǎng)的目標(biāo)，是筆者設(shè)計本節(jié)課時所思考的問題。

二、教學(xué)設(shè)計思路

基于以上分析，筆者將本節(jié)課定位為有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)模塊復(fù)習(xí)課，以醫(yī)用膠的合成作為情境素材，對有機(jī)合成的兩大主要任務(wù)—碳骨架的構(gòu)建與官能團(tuán)的引入展開討論，發(fā)揮學(xué)生主觀能動性，形成系統(tǒng)的知識框架與思維模型，體會有機(jī)合成對生產(chǎn)生活的重大貢獻(xiàn)。本課采用任務(wù)驅(qū)動的形式，課前發(fā)放導(dǎo)學(xué)案，布置小組任務(wù);課中以4個小組活動為驅(qū)動，以學(xué)生展示課前討論結(jié)果，教師輔以引導(dǎo)補(bǔ)充的形式，環(huán)環(huán)相扣，構(gòu)建知識網(wǎng)絡(luò)，形成認(rèn)知模型;課后回扣醫(yī)用膠，以新型醫(yī)用膠的合成路線設(shè)計為切入點(diǎn)，讓學(xué)生在思考中回顧課堂內(nèi)容，并為第2課時有機(jī)合成的路線設(shè)計奠定基礎(chǔ)。

三、教學(xué)實踐過程

1.初建模型—尋找有機(jī)合成的關(guān)鍵

[情境創(chuàng)設(shè)]醫(yī)用膠也稱醫(yī)用粘合劑，它與我們?nèi)粘Ｓ玫哪z水一樣，具有粘合作用，但其粘合對象是皮膚等人體組織。在外科手術(shù)中常使用醫(yī)用膠代替手術(shù)縫合線，這樣既能減輕患者的痛苦，又能使傷口愈合后保持美觀。

[觀察與思考]通過對神奇的醫(yī)用膠的介紹，引起學(xué)生興趣，隨后展示504醫(yī)用膠的合成路線，讓學(xué)生自主觀察，引導(dǎo)他們發(fā)現(xiàn)有機(jī)合成的兩大主要任務(wù)—碳骨架的構(gòu)建和官能團(tuán)的引入。

[設(shè)計意圖]

通過對合成路線的觀察，讓學(xué)生自行發(fā)現(xiàn)有機(jī)合成的兩大關(guān)鍵任務(wù)，初步建立模型。

2.完善模型

（1）探尋構(gòu)建碳骨架的路徑

[活動1]

[教師活動]布置任務(wù)，要求學(xué)生寫出4個方程式對應(yīng)的產(chǎn)物，并觀察反應(yīng)前后碳骨架的變化情況。

[學(xué)生活動]寫出4個反應(yīng)的產(chǎn)物，觀察反應(yīng)前后碳骨架的變化。被抽中學(xué)號的學(xué)生上臺寫出自己的答案，并針對反應(yīng)類型與反應(yīng)前后碳骨架的變化情況進(jìn)行講解。

①碳鏈的增長：

②碳鏈的縮短：

③開環(huán)：

④閉環(huán)：

[設(shè)計意圖]①檢測學(xué)生對所學(xué)內(nèi)容的掌握情況。

②通過對比觀察，明確碳骨架的4種構(gòu)建形式，形成基本框架。

[模型建構(gòu)1]碳骨架的4種構(gòu)建形式

[活動2]

[教師活動]課前發(fā)布導(dǎo)學(xué)案，讓學(xué)生以小組為單位，聯(lián)系所學(xué)內(nèi)容，盡可能多地寫出能夠增長碳鏈的方程式，課中隨機(jī)抽取小組上臺投影展示討論結(jié)果，其余小組在此基礎(chǔ)上進(jìn)行補(bǔ)充。

[學(xué)生活動]課前完成導(dǎo)學(xué)案，組長負(fù)責(zé)將本組的答案匯總形成小組成果;課中被抽中的小組上臺投影展示并講解本組尋找到的增長碳鏈的方法，其余小組認(rèn)真聆聽并做好記錄，待展示的小組講解完后，各小組進(jìn)行補(bǔ)充，形成方法模型。

[設(shè)計意圖]①檢驗學(xué)生課前導(dǎo)學(xué)案的完成情況。

②通過自主整理，幫助學(xué)生回顧已學(xué)知識。

③通過課堂展示與分享，鍛煉學(xué)生表達(dá)能力，提高學(xué)生自信心。

④通過其他小組與教師的補(bǔ)充，完善方法模型。

[模型建構(gòu)2]增長碳鏈的常見方法

[活動3]如何以乙醛為原料合成巴豆醛呢？

[分析]通過對比原料與產(chǎn)物的組成與結(jié)構(gòu)的差異，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)后，碳鏈增長且引入了新的官能團(tuán)，故而先考慮該如何以乙醛為原料增長碳鏈，通過模型可知，兩分子乙醛發(fā)生羥醛縮合反應(yīng)可將碳鏈增長，形成α-羥基醛，隨后加熱脫水，引入碳碳雙鍵，合成路線如下：

[設(shè)計意圖]通過簡單的合成路線設(shè)計活動，在應(yīng)用“增長碳鏈”模型的基礎(chǔ)上，將“對比”的思想滲透其中，進(jìn)一步完善思維模型。

[模型建構(gòu)3]對比原料與產(chǎn)物組成與結(jié)構(gòu)的差異

[小結(jié)]進(jìn)行有機(jī)合成時，先觀察反應(yīng)前后原料與產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)差異，明確合成的關(guān)鍵是增長碳鏈還是縮短、開環(huán)、閉環(huán)，再選擇合適的方法進(jìn)行路線設(shè)計。

（2）探尋引入官能團(tuán)的路徑

[活動4]

[教師活動]課前布置小組討論任務(wù)，讓學(xué)生運(yùn)用所學(xué)反應(yīng)，思考引入碳碳雙鍵、羥基、羧基、酯基、碳鹵鍵以及醛基的方法，課中抽取小組上臺投影展示，其余小組做好記錄并進(jìn)行補(bǔ)充。

[學(xué)生活動]課前完成導(dǎo)學(xué)案，組長負(fù)責(zé)將本組的答案匯總形成小組成果;課中小組上臺投影展示并講解各類官能團(tuán)的引入方法，其余小組認(rèn)真聆聽并做好記錄，待展示的小組講解完后，各小組進(jìn)行補(bǔ)充，形成方法模型。

[設(shè)計意圖]①檢驗學(xué)生課前導(dǎo)學(xué)案的完成情況。

②更換角度，以官能團(tuán)進(jìn)行分類，通過自主整理，幫助學(xué)生回顧已學(xué)知識。

③通過課堂展示與分享，鍛煉學(xué)生表達(dá)能力，提高學(xué)生自信心。

④通過其他小組與教師的補(bǔ)充，完善方法模型。

[模型建構(gòu)4]官能團(tuán)的引入方法

[活動5]

[教師活動]官能團(tuán)的引入是通過官能團(tuán)的轉(zhuǎn)化實現(xiàn)的，因此在歸納了各類官能團(tuán)的引入方法后，教師給學(xué)生布置任務(wù)—完成官能團(tuán)間的轉(zhuǎn)化關(guān)系圖。

[學(xué)生活動]基于前面討論的引入官能團(tuán)的方法模型，完成官能團(tuán)之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系圖，被抽取的小組上臺展示，其余小組認(rèn)真傾聽并做好記錄，待展示的小組講解完后，各小組進(jìn)行補(bǔ)充，形成轉(zhuǎn)化模型。

[設(shè)計意圖]對官能團(tuán)之間的聯(lián)系整理加工，將零散的知識系統(tǒng)化，為后續(xù)有機(jī)合成路線的設(shè)計奠定基礎(chǔ)。

[模型建構(gòu)5]官能團(tuán)間的轉(zhuǎn)化關(guān)系

圖1 官能團(tuán)間的轉(zhuǎn)化關(guān)系圖

[活動6]

[教師活動]開展小組活動，討論如何將丙烯醛轉(zhuǎn)變?yōu)楸坎⒔o予適當(dāng)?shù)奶崾荆?/p>

[學(xué)生活動]思考如何將丙烯醛轉(zhuǎn)化為丙醛，與小組成員討論，隨后呈現(xiàn)小組討論方案。

[分析]通過對比原料與產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)差異發(fā)現(xiàn)，丙烯醛的碳碳雙鍵轉(zhuǎn)變?yōu)榱吮瑢W(xué)生能立馬想到可以通過碳碳雙鍵與氫氣的加成實現(xiàn)這一轉(zhuǎn)變，但是問題隨之而來，氫氣不僅能與碳碳雙鍵加成，還能與碳氧雙鍵加成，將醛基還原。因此，在進(jìn)行碳碳雙鍵的加成之前，需將醛基保護(hù)起來，可用乙二醇與醛基反應(yīng)，形成縮醛，待碳碳雙鍵加成完畢后，再將縮醛水解，還原出原來的醛基。合成路線如下：

[設(shè)計意圖]該反應(yīng)通過形成認(rèn)知沖突，讓學(xué)生強(qiáng)烈地意識到，在對含有多官能團(tuán)化合物進(jìn)行有機(jī)合成時，非目標(biāo)官能團(tuán)可能會受到影響，此時需要先將官能團(tuán)保護(hù)起來，反應(yīng)后再復(fù)原，從而形成官能團(tuán)的保護(hù)模型。

[模型建構(gòu)6]官能團(tuán)的保護(hù)

3.應(yīng)用模型

[學(xué)以致用1]如何以苯甲酸為原料合成苯乙酸苯甲酯呢？

[分析]通過前期討論可知，有機(jī)合成問題首先要對比原料與產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)差異，通過觀察可發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)后增長了碳鏈，引入了官能團(tuán)酯基，因此可先將酯基解開，尋找到兩個重要的中間體—苯乙酸與苯甲醇，進(jìn)而思考，如何以甲苯為原料合成苯乙酸呢？通過什么反應(yīng)能夠以甲苯為原料引入醇羥基形成苯甲醇呢？利用已構(gòu)建的碳鏈增長模型與官能團(tuán)的引入模型，便可將此問題解決。合成路線如下：

[學(xué)以致用2]

研究發(fā)現(xiàn)，504醫(yī)用膠酯基上的正丁基發(fā)生變化時會影響其耐水性、柔韌性和降解性，同時，還要考慮醫(yī)用膠在粘合過程中單體的聚合熱以及產(chǎn)生的聚合物等是否會對人體造成傷害，由此可見，改進(jìn)與修飾504醫(yī)用膠的結(jié)構(gòu)能夠更好地滿足人們對醫(yī)用膠的需求。因此，本課最后設(shè)置了一個設(shè)計新型醫(yī)用膠合成路線的思考題，其作用是對模型的遷移應(yīng)用，也為下節(jié)有機(jī)合成路線的設(shè)計做了鋪墊。

四、結(jié)語

在解決簡單的有機(jī)合成問題時，首先應(yīng)該對比原料與產(chǎn)物組成與結(jié)構(gòu)的差異，明確合成的主要任務(wù)是碳骨架的構(gòu)建和官能團(tuán)的引入，再選擇合適的方法進(jìn)行合成。除此之外，在多官能團(tuán)化合物合成的過程中，還需要考慮某一步的轉(zhuǎn)化是否會對其他官能團(tuán)造成影響，必要時還應(yīng)施以適當(dāng)?shù)墓倌軋F(tuán)保護(hù)手段。這樣，在進(jìn)行有機(jī)合成路線設(shè)計時，便能依據(jù)模型，按圖索驥，水到渠成。

【參考文獻(xiàn)】

[1]中華人民共和國教育部.普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn) （2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018：2-3.

[2]牛彩霞.基于“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”的有機(jī)化學(xué)教學(xué)—以“醇的化學(xué)性質(zhì)”為例[J].化學(xué)教與學(xué)，2020（08）.

[3]許文學(xué).促進(jìn)學(xué)生建立思維模型的有機(jī)合成復(fù)習(xí)教學(xué)研究[J].化學(xué)教與學(xué)，2018（04）.

【基金項目】本文系海南省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2019年度重點(diǎn)課題—基于問題解決的課堂教學(xué)實證研究（課題編號：QJZ20191004）階段性成果。