基于證據(jù)推理的有序思維在有機(jī)推斷復(fù)習(xí)中的應(yīng)用

馮洪明 駱無忌

摘要：以浙江選考有機(jī)推斷題為例，闡述了基于證據(jù)推理的有序思維在有機(jī)推斷上的應(yīng)用，具體包括快速準(zhǔn)確地推斷有機(jī)結(jié)構(gòu)和書寫同分異構(gòu)體的方法，并對有序思維的一般思維步驟進(jìn)行了概括和歸納，有助于學(xué)生養(yǎng)成良好的思維習(xí)慣應(yīng)對高考。

關(guān)鍵詞：有序思維;有機(jī)推斷;證據(jù)推理

中圖分類號：G633.8? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ?文章編號：1992-7711（2018）09-0116

一、有序思維

所謂有序思維，不同文獻(xiàn)[1][2]中的表述有所不同，但其核心觀點是一致的，即按一定的邏輯順序和規(guī)律，整合有效信息、逐步思考問題直至解決問題的思維方法和過程。這種思維的優(yōu)勢在于復(fù)雜情境中快速、準(zhǔn)確地解決問題，避免用經(jīng)驗解題造成的隨機(jī)性和無序性。特別是在高三化學(xué)復(fù)習(xí)考試中，不少學(xué)生存在忽高忽低的得分現(xiàn)象，與其歸因于考試的運氣、做題的感覺這些虛無縹緲的因素，倒不如說是因為題海戰(zhàn)中形成的經(jīng)驗有沒有在考題中重復(fù)出現(xiàn)。

化學(xué)中的“序”，即化學(xué)的學(xué)科思想。文獻(xiàn)[3][4]指出，學(xué)科思想就是指對學(xué)科發(fā)展和學(xué)習(xí)具有核心價值作用的思想觀念，并從化學(xué)學(xué)科思想方法的高度對高考命題的思路和落腳點進(jìn)行了分析解讀。隨著對學(xué)科核心價值的深入研究，化學(xué)學(xué)科的13個子思想方法被重組、整合成五大化學(xué)學(xué)科的核心素養(yǎng)。高考化學(xué)試題正是以化學(xué)學(xué)科知識與技能為載體，來考查學(xué)生化學(xué)學(xué)科的核心素養(yǎng)。

二、有序思維在有機(jī)推斷復(fù)習(xí)中運用

浙江選考有機(jī)大題以反應(yīng)的多樣性、結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、條件的隱蔽性、信息的新穎性為廣大選考考生設(shè)置了很好的區(qū)分度，也是難度最大的題型之一。主要考查了學(xué)生是否具有證據(jù)意識，能否根據(jù)物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)及其變化提出可能假設(shè)，通過分析推理加以證實或證偽。筆者（本文第一作者，下同）以2017年浙江選考32題為例，運用有序思維準(zhǔn)確、快速地進(jìn)行解題，并建立了有序思維的一般模型。

1. 試題呈現(xiàn)

（2017年11月浙江選考32題 節(jié)選）某研究小組按下列路線合成藥物胃復(fù)安：

2. 試題解析

該題共有5個設(shè)問，可分為基于有機(jī)推斷的前四個小題（共7分），和不基于有機(jī)推斷的同分異構(gòu)體書寫（共3分），可以說浙江有機(jī)32題集中考查了學(xué)生是否具有證據(jù)意識，根據(jù)有機(jī)物組成或結(jié)構(gòu)變化、反應(yīng)條件、反應(yīng)類型、斷鍵與成鍵等信息進(jìn)行合理推斷。整道有機(jī)大題思維容量相當(dāng)之大，既有對《有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)》教材的全面考查，又有對有機(jī)新信息的接收、分析和整合能力的考查。文獻(xiàn)[5]指出：有機(jī)化學(xué)將主要從“宏觀辨識與微觀探析”“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”“實驗探究與創(chuàng)新能力”等三個維度綜合考查學(xué)生的核心素養(yǎng)。從本題來看，在宏觀辨識與微觀探析上，要求學(xué)生知曉結(jié)構(gòu)與性質(zhì)之間的聯(lián)系，根據(jù)有機(jī)物的結(jié)構(gòu)推斷其所具有的性質(zhì)、根據(jù)分子組成和反應(yīng)條件推斷反應(yīng)類型和有機(jī)物結(jié)構(gòu)的變化;在證據(jù)推理與模型認(rèn)知上，要求學(xué)生運用類比、歸納、演繹等方法判斷、推理有機(jī)物的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，利用核磁圖譜和紅外光譜的數(shù)據(jù)推理有機(jī)物的碳架結(jié)構(gòu)和官能團(tuán)等;在實驗探究與創(chuàng)新能力上，要求學(xué)生能對新合成的物質(zhì)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，設(shè)計步驟少、轉(zhuǎn)化率高、條件溫和為特征的新型綠色合成路線。雖然三大核心素養(yǎng)均有所體現(xiàn)，但從題型特征上來看可以認(rèn)為側(cè)重考查證據(jù)推理。

下面以F的結(jié)構(gòu)簡式推斷和E的同分異構(gòu)體書寫為例，闡述基于證據(jù)推理的有序思維具體方法和過程。

任務(wù)一：有機(jī)結(jié)構(gòu)簡式F的推斷

提取信息1：F到胃復(fù)安的反應(yīng)條件為H₂O。

問題表征1：哪些反應(yīng)或過程需要水？這些反應(yīng)或過程在結(jié)構(gòu)上有何變化？

窮舉法1：加成反應(yīng)或水解反應(yīng)。

排除法1：加成反應(yīng)后產(chǎn)物里有-OH，而胃復(fù)安中沒有。

階段性結(jié)論1：該反應(yīng)為水解反應(yīng)。

問題表征2：哪些官能團(tuán)能發(fā)生水解？水解反應(yīng)前后有機(jī)物在結(jié)構(gòu)上有何變化？

窮舉法2：能水解的官能團(tuán)有酯基、肽鍵、鹵素原子。

排除法2：鹵素原子水解后有羥基、酯基水解后有羥基或羧基，而胃復(fù)安中沒有。

階段性結(jié)論2：該反應(yīng)是從肽鍵變成氨基，即F的結(jié)構(gòu)簡式為：

以上推理過程可概括為四個步驟，即“提取信息→問題表征→階段性結(jié)論→問題解決”，其中問題表征的方法一般可以采用窮舉法和排除法相結(jié)合，問題解決不是一蹴而就的，有時只能得到階段性結(jié)論。正如本道試題，需要學(xué)生將階段性結(jié)論1作為信息繼續(xù)進(jìn)行推理，運用結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)思想確定F的大部分結(jié)構(gòu)（R-還沒有確定），以此階段性結(jié)論2再次作為信息進(jìn)行推理：對比E、F的組成，可分解出E的完整結(jié)構(gòu)為NH₂CH₂CH₂N（C₂H₅）₂，有-NH₂。

提取信息3：已知信息中-NH₂和酯基反應(yīng)生成肽鍵，且E有-NH₂、F有肽鍵。

問題表征3：F有幾個肽鍵？哪個肽鍵是D+E生成的？

窮舉法3：F有兩個肽鍵。

排除法3：根據(jù)E的位置可確定位于甲氧基鄰位的肽鍵是D+E生成的。

階段性結(jié)論3：D分子中甲氧基鄰位有酯基，結(jié)構(gòu)簡式大致為：

提取信息4：D的分子式C₁₁H₁₂ClNO₄和D的大致結(jié)構(gòu)簡式。

問題表征4：結(jié)構(gòu)簡式和分子式相比少了哪些原子？R-和R₁-基團(tuán)由哪些反應(yīng)得來？

窮舉法4：-R和-R₁合起來為C₂H₆，有且只有三種情況-R為-H、-R₁為-C₂H₅;-R為-CH₃、-R₁為-CH₃;-R為-C₂H₅、-R₁為-H。

排除法4：A到B為取代反應(yīng)提供一個甲氧基-OCH₃，B到C為取代反應(yīng)，提供一個乙?；?COCH₃，可知前兩步反應(yīng)后的結(jié)構(gòu)中存在兩個甲基，沒有乙基。

問題解決：-R和-R₁均為-CH₃。

至此，F(xiàn)的結(jié)構(gòu)簡式已經(jīng)推出。其余結(jié)構(gòu)簡式讀者可自行運用有序思維進(jìn)行推理。

有序思維的一般模型是：

有的時候，用窮舉法時情況太多，這就需要分類討論，例如同分異構(gòu)體的書寫。

任務(wù)二：E的同分異構(gòu)體

窮舉法1：嘗試書寫幾個同分異構(gòu)體，發(fā)現(xiàn)根本寫不完，于是運用分類思想，分析題給條件，發(fā)現(xiàn)N-H鍵最難控制，最多4個N-H鍵，最少1個N-H鍵，據(jù)此可分為四大類情況：A4個N-H鍵，B3個N-H鍵，C₂個N-H鍵，D1個N-H鍵。

排除法1：A即為兩個-NH₂，分子組成為C₆H₁₂（NH₂）₂，可看成己烷分子中兩個H被-NH₂所代替，畫出碳骨架，分別用兩個-NH₂去取代，只有一個結(jié)構(gòu)符合三種氫的要求，即（CH₃）₃C-C（NH₂）₂-CH₃，但不符合條件②，排除;B即為一個-NH₂和一個-NH-，剩下來-C₆H₁₃不可能只有一種氫（最對稱的己基有三種氫），排除。

階段性結(jié)論1：只剩下C、D兩種情況。

提取信息2：C大類中兩個N-H鍵。

窮舉法2：兩個N-H鍵在同一個氮（標(biāo)為C₁情況），即一個-NH₂和一個叔氮原子;兩個N-H鍵在不同氮上（標(biāo)為C₂情況），即兩個亞氨基（-NH-）。

排除法2：C₁情況，嘗試書寫幾個結(jié)構(gòu)簡式，發(fā)現(xiàn)不對稱的結(jié)構(gòu)中氫原子種類遠(yuǎn)多于三種，排除。

階段性結(jié)論2：C₁情況中的分子結(jié)構(gòu)必須非常對稱。

窮舉法3：為了使分子盡量對稱（越對稱H種類越少），這兩個氮原子必須在對稱軸上，設(shè)軸上碳原子數(shù)為x，軸兩邊每邊碳原子數(shù)為y，則x+2y=6且y≠0，有且只有三組整數(shù)解。

排除法3：以叔氮原子與氨基連線為對稱軸，分別畫出結(jié)構(gòu)，排除多于三種H的結(jié)構(gòu)。

階段性結(jié)論3：x=0、y=3時的一種結(jié)構(gòu)符合題意，即NH₂-N（CH（CH₃）₂）₂。

排除法4：C₂情況，可以看成原有碳骨架中“插入”-NH-，用數(shù)學(xué)排列組合中的“插空法”，嘗試書寫幾個結(jié)構(gòu)簡式，可以發(fā)現(xiàn)不對稱地插入兩個亞氨基（-NH-）會破壞原有碳骨架的對稱軸，導(dǎo)致氫原子種類遠(yuǎn)多于三種，排除。

階段性結(jié)論4：C₂情況中兩個亞氨基（-NH-）必須對稱插入。

窮舉法5：用“減碳法”寫出己烷C₆H₁₄的所有碳骨架，分別根據(jù)對稱軸插入兩個亞氨基（-NH-）。

排除法5：原有己烷骨架中H種類多于3種的，插入-NH-后H原子種類必定多于三種，排除。

階段性結(jié)論5：2，3-二甲基丁烷原有兩種H，在中間位置對稱插入兩個-NH-時，剛好為三種H。即（CH₃）₂CH-NH-NH-CH（CH₃）₂

提取信息6：D大類有1個N-H鍵和1個叔氮原子。

窮舉法6：嘗試書寫若干個結(jié)構(gòu)簡式。

排除法6：發(fā)現(xiàn)不對稱的結(jié)構(gòu)中氫原子種類遠(yuǎn)多于三種，排除。

階段性結(jié)論6：這兩個氮原子必須在對稱軸上。

窮舉法7：以兩個氮原子的連線為對稱軸，設(shè)軸上碳原子數(shù)為x，軸兩邊每邊碳原子數(shù)為y，則x+2y=6且x≥1、y≥1（否則N-H鍵多于一個，重復(fù)討論），共兩組解。

排除法7：y=2時H原子種類多于三種。

階段性結(jié)論7：x=4、y=1時有一種結(jié)構(gòu)符合題意，即（CH₃）₂N-NH-C（CH₃）₃。

這樣，E的所有符合條件的三個同分異構(gòu)體的結(jié)構(gòu)簡式分別為即NH₂-N（CH（CH₃）₂）₂、（CH₃）₂CH-NH-NH-CH（CH₃）₂和（CH₃）₂N-NH-C（CH₃）₃。

3. 試題反思

筆者在引導(dǎo)學(xué)生分析試題的時候，發(fā)現(xiàn)學(xué)生運用有序思維時主要存在兩大問題：一是知識儲備不足，例如說不全能發(fā)生水解反應(yīng)的官能團(tuán)、說不全能與羧基反應(yīng)的官能團(tuán)……需要進(jìn)一步通過習(xí)題引導(dǎo)學(xué)生自行小結(jié);二是分類討論時分類不能達(dá)到“非此即彼”的效果，例如C大類直接認(rèn)為是兩個亞氨基而忽略了另一種情況，筆者用“男人、女人”的分類和“男人、非男人”的分類類比了這一問題，學(xué)生會心一笑，知道了分類討論要避免想當(dāng)然，要審查分類依據(jù)在邏輯上的嚴(yán)密性。

往近了看，考生只有勤練有序思維，才能在題海中重思維而輕經(jīng)驗、重方法而輕結(jié)果，逐步形成證據(jù)意識，建立觀點、結(jié)論和證據(jù)之間的聯(lián)系，在選考中脫穎而出;往遠(yuǎn)了看，儲存、記憶和計算終將被機(jī)器所代替，而良好的思維方法卻終生受用。在分類討論中根據(jù)分類方法的不同，思維過程和階段性結(jié)論也會不同，更重要的是，在有序思維的有序循環(huán)中，思考者在不停地審視邏輯上的嚴(yán)密性，這就為創(chuàng)新思維的迸發(fā)提供了契機(jī)，而后者也正是新時代社會對人才的必然要求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳志遠(yuǎn).有序思維規(guī)律與高三化學(xué)教學(xué)[J].化學(xué)教學(xué)，2007（11）.

[2] 朱海成.有序思維在有機(jī)化學(xué)解題中的應(yīng)用[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2007（7）.

[3] 邱慧芬.基于學(xué)科思想方法的高考化學(xué)命題[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2015（9）.

[4] 王后雄，孫建明.基于學(xué)科思想方法整合的高考化學(xué)命題研究[J].課程教材教法，2014（3）.

[5] 單旭峰.高考中有機(jī)化學(xué)考查方式的變遷與展望[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2017（6）.