整體設(shè)計能力發(fā)展進(jìn)階培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識素養(yǎng)

徐敏　張麗麗

摘要： 以苯的同系物、鹵代烴、醇類、酚類為代表物，分析“有機(jī)物分子中基團(tuán)間相互作用”與“創(chuàng)新意識”素養(yǎng)之間的關(guān)系，對學(xué)生認(rèn)識“基團(tuán)間相互作用”的能力發(fā)展進(jìn)行整體規(guī)劃，闡述與“基團(tuán)間相互作用”相關(guān)內(nèi)容的教學(xué)關(guān)鍵活動設(shè)計，培養(yǎng)學(xué)生在有機(jī)化學(xué)領(lǐng)域的創(chuàng)新意識素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞： 能力發(fā)展進(jìn)階; 創(chuàng)新意識素養(yǎng); 基團(tuán)間相互作用

文章編號： 1005-6629（2019）5-0050-04 ? ? ? ? ? ?中圖分類號： G633.8 ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

1 ?問題的提出

有機(jī)物分子中基團(tuán)間存在相互作用，體現(xiàn)了“普遍聯(lián)系”的哲學(xué)思想。事物內(nèi)部諸要素之間以及事物之間存在相互影響、相互制約和相互作用。聯(lián)系是世界上一切事物的客觀本性[1]。有機(jī)化合物的性質(zhì)不是分子中各個基團(tuán)性質(zhì)的簡單加和，而是基團(tuán)間相互作用、相互影響的結(jié)果。如果缺失了這一基本的認(rèn)識，那么創(chuàng)新將無從談起，因為創(chuàng)新本身就是發(fā)現(xiàn)不同事物之間新的聯(lián)系的過程。從方法論的角度看，用聯(lián)系的觀點(diǎn)分析有機(jī)物結(jié)構(gòu)、性質(zhì)是有機(jī)化學(xué)創(chuàng)造的基礎(chǔ)。要想培養(yǎng)學(xué)生在有機(jī)化學(xué)領(lǐng)域的創(chuàng)新意識素養(yǎng)，必須將“有機(jī)物分子中基團(tuán)間存在相互作用”轉(zhuǎn)化為一種思維方式根植于學(xué)生的頭腦中。

張麗麗、徐敏[2]等提出，在苯的同系物一節(jié)教學(xué)中建立“有機(jī)物分子中基團(tuán)間相互作用的思維模型”，揭示其實質(zhì)是影響了化學(xué)鍵的極性;在苯酚教學(xué)中運(yùn)用思維模型對基團(tuán)間相互作用進(jìn)行預(yù)測，設(shè)計實驗驗證?；趯W(xué)生表現(xiàn)的觀察，本研究認(rèn)為需要在三個方面加以改進(jìn)： （1）思維模型以苯的同系物、鹵代烴、醇類學(xué)習(xí)為載體建立更符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律。因為思維模型建立是一個概括事實形成本質(zhì)認(rèn)識的過程，需要一定量的事實為基礎(chǔ)。另一方面，甲苯分子中存在供電誘導(dǎo)效應(yīng)和超共軛效應(yīng)，原理過于復(fù)雜，且超出課程標(biāo)準(zhǔn)的要求。在此處揭示基團(tuán)間相互作用的實質(zhì)，學(xué)生只能被動接受。而溴乙烷和乙醇分子中基團(tuán)間相互作用在教材中均有相應(yīng)的解釋，而且原理簡單，有利于學(xué)生理解基團(tuán)間相互作用對化學(xué)鍵極性的影響。（2）思維模型還需要進(jìn)一步概括，應(yīng)將基團(tuán)間相互作用的多種外在表現(xiàn)，歸納為反應(yīng)活性及活性位置的兩類變化。（3）苯酚教學(xué)中還需要進(jìn)一步將思維模型轉(zhuǎn)化為實驗探究的一般思路和方法，建立起實驗證據(jù)與基團(tuán)間相互作用的外在表現(xiàn)之間的聯(lián)系。

縱觀目前關(guān)于基團(tuán)間相互作用的教學(xué)研究，主要局限于對某一個或幾個有機(jī)物，缺乏對整個《有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)》模塊學(xué)生所認(rèn)識的基團(tuán)間相互作用的能力發(fā)展規(guī)劃，缺乏如何將能力進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為“創(chuàng)新意識”素養(yǎng)的研究。

2 ?認(rèn)識“有機(jī)物分子中基團(tuán)間相互作用”的能力發(fā)展進(jìn)階

素養(yǎng)的培養(yǎng)依賴于能力的發(fā)展，“創(chuàng)新意識”素養(yǎng)是能力發(fā)展到一定水平的結(jié)果?；诟咧谢瘜W(xué)選修5《有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)》[3]模塊內(nèi)容，選取并補(bǔ)充了與“基團(tuán)間相互作用”密切相關(guān)的教學(xué)內(nèi)容，對學(xué)生認(rèn)識“基團(tuán)間相互作用”的能力發(fā)展進(jìn)行了整體規(guī)劃（見表1），以期逐步實現(xiàn)將“基團(tuán)間相互作用”由觀念→能力→創(chuàng)新意識素養(yǎng)的發(fā)展進(jìn)階。

3 ?教學(xué)關(guān)鍵活動設(shè)計

3.1 ?以苯的同系物教學(xué)為載體建立“基團(tuán)間相互作用”的觀念性認(rèn)識

“將各基團(tuán)的性質(zhì)進(jìn)行簡單加和”是學(xué)生認(rèn)識有機(jī)物性質(zhì)的初始思維方式，欲將之轉(zhuǎn)變?yōu)橄到y(tǒng)、聯(lián)系的方式最好的辦法就是制造認(rèn)知沖突，并給予學(xué)生充分體悟的時間和空間。

關(guān)鍵活動1： 學(xué)生先預(yù)測甲苯的性質(zhì)，暴露其“簡單加和”的思維方式。然后學(xué)生進(jìn)行實驗，發(fā)現(xiàn)異常形成認(rèn)知沖突。

關(guān)鍵活動2： 要求學(xué)生依據(jù)實驗事實，對比分析甲烷、甲苯、苯的性質(zhì)差異，思考從中獲得什么啟示？教師不要急于給出答案，應(yīng)在學(xué)生充分表達(dá)的基礎(chǔ)上，引發(fā)學(xué)生思考生活中或其他學(xué)科領(lǐng)域中相類似的現(xiàn)象。例如： 同學(xué)之間相互影響，人體各器官之間的相互聯(lián)系等，讓學(xué)生深刻領(lǐng)悟到事物間的普遍聯(lián)系，初步達(dá)到建立觀念的目的。

3.2 ?以鹵代烴和醇類的教學(xué)為載體建立“基團(tuán)間相互作用”的思維模型

鹵代烴和醇類的教學(xué)目標(biāo)定位于學(xué)生能夠認(rèn)識基團(tuán)間相互作用的本質(zhì)（化學(xué)鍵極性發(fā)生改變），并建立思維模型。

關(guān)鍵活動1： 鹵代烴教學(xué)時，采取分析解釋型的學(xué)習(xí)任務(wù)，在學(xué)生實驗發(fā)現(xiàn)溴乙烷可發(fā)生消去反應(yīng)的基礎(chǔ)上思考： 與乙烷相比為什么溴乙烷中的β C—H鍵容易斷裂？教師啟發(fā)學(xué)生從鹵素原子的吸電子能力強(qiáng)的角度解釋原因，初步建立誘導(dǎo)效應(yīng)理論。

關(guān)鍵活動2： 當(dāng)進(jìn)行乙醇的教學(xué)時，采用預(yù)測型的任務(wù)，以檢驗學(xué)生能否將誘導(dǎo)效應(yīng)理論進(jìn)行遷移，預(yù)測氧原子吸電子能力強(qiáng)使得α C—H、 β C—H鍵極性增強(qiáng)，并通過乙醇可發(fā)生消去反應(yīng)、易氧化為醛的事實加以佐證。

關(guān)鍵活動3： 既然氧的吸電子能力強(qiáng)，O—H鍵應(yīng)為極性較強(qiáng)的鍵，為何乙醇與鈉的反應(yīng)比水慢？對比乙醇和水的結(jié)構(gòu)，學(xué)生意識到—R影響—OH，使O—H鍵極性減弱。

關(guān)鍵活動4： 綜合苯的同系物、鹵代烴、醇中關(guān)于“基團(tuán)間相互作用”的學(xué)習(xí)內(nèi)容，建立“有機(jī)物分子中基團(tuán)間相互作用”的認(rèn)識模型（見圖1）。

建立思維模型的意義一方面在于將基團(tuán)間相互作用的實質(zhì)與有機(jī)物性質(zhì)的外在表現(xiàn)（“定位效應(yīng)”、反應(yīng)條件、反應(yīng)速率的變化等）建立起聯(lián)系，實現(xiàn)認(rèn)識結(jié)構(gòu)化，另一方面將為學(xué)生后續(xù)能力的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

3.3 ?主動預(yù)測苯酚分子中存在基團(tuán)間相互作用并設(shè)計實驗加以證明

關(guān)鍵活動1： 分析結(jié)構(gòu)，請說明預(yù)測苯酚性質(zhì)的大體思路。此活動意在診斷學(xué)生是否能夠主動意識到基團(tuán)間存在相互作用。一些學(xué)生采用醇類與苯性質(zhì)加和的方式進(jìn)行預(yù)測，另一些學(xué)生能夠意識到存在基團(tuán)間相互作用，可能導(dǎo)致苯酚性質(zhì)發(fā)生變化。

關(guān)鍵活動2： 基于思維模型，預(yù)測苯酚中基團(tuán)間的相互作用： 羥基可能受到苯環(huán)的影響，O—H鍵的極性變強(qiáng)或變?nèi)?羥基可能會影響苯環(huán)，使苯環(huán)上的C—H鍵的極性變強(qiáng)或變?nèi)酰赡墚a(chǎn)生定位效應(yīng)。苯酚還可能表現(xiàn)出苯和乙醇所不具備的特性。

關(guān)鍵活動3： 先討論通過實驗探究基團(tuán)間存在相互作用的一般思路和方法（見圖2），然后教師提供試劑，學(xué)生設(shè)計實驗（見表2）。

值得一提的是，建構(gòu)實驗探究的思路和方法是這節(jié)課的核心關(guān)鍵所在，其作用主要體現(xiàn)在兩方面： （1）將基團(tuán)間相互影響的外在表現(xiàn)與實驗證據(jù)之間建立起聯(lián)系，強(qiáng)化學(xué)生的證據(jù)推理意識。（2）使得學(xué)生的思維更加有序、系統(tǒng)，更具有主動性和探索性。主動性和探索性是創(chuàng)新意識素養(yǎng)的基礎(chǔ)和前提，如前所述，苯的同系物和鹵代烴，主要采取分析現(xiàn)象感知基團(tuán)間相互作用的方式;乙醇的教學(xué)則嘗試類比鹵代烴對基團(tuán)間相互作用進(jìn)行半自主預(yù)測;苯酚的教學(xué)應(yīng)該更具有開放性、主動性和挑戰(zhàn)性，而確保教學(xué)有序和有效的前提是先要構(gòu)建實驗探究的一般思路和方法。

3.4 ?體驗“基團(tuán)間相互作用”在有機(jī)合成中的創(chuàng)造性設(shè)計

有機(jī)化學(xué)的目的在于設(shè)計和創(chuàng)造有機(jī)物，如果學(xué)生能夠在陌生情境下，自發(fā)、主動地將基團(tuán)間相互影響的思想應(yīng)用于有機(jī)物結(jié)構(gòu)的設(shè)計與有機(jī)合成中，將標(biāo)志著這一思想轉(zhuǎn)化為“創(chuàng)新意識”素養(yǎng)。

關(guān)鍵活動1： 水楊酸酸性的探究及結(jié)構(gòu)改造。

情境： 水楊酸是一種常用的解熱鎮(zhèn)痛藥物，對緩解輕度或中度疼痛效果較好。但是水楊酸酸性較強(qiáng)，對胃有一定刺激性，長期服用容易引發(fā)胃潰瘍。

[問題1]為什么水楊酸酸性較強(qiáng)？

COOHOH

[提供事實證據(jù)]

苯甲酸Ka=6.28×10-5，苯酚Ka=1.0×10-10，

水楊酸Ka（羧基）=1.0×10-3，水楊酸Ka（酚羥基）=2.2×10-14。

猜想1： 羧基與酚羥基均具有酸性，因此其酸性強(qiáng)。

猜想2： 羧基與酚羥基相互影響，可能使二者的酸性均增強(qiáng)。

分析數(shù)據(jù)得出結(jié)論：

水楊酸中羧基與羥基之間存在相互作用，羧基的酸性增強(qiáng)，酚羥基酸性減弱。水楊酸的強(qiáng)酸性來源于羧基。

[問題2]

羧基與羥基之間是如何相互作用的？

[講解]水楊酸分子中，由于羥基中的氫原子與羧基中的氧原子之間形成氫鍵，使得羧基中O—H極性增強(qiáng)，電離程度增大。

[問題3]在確保藥物療效的前提下，如何改變結(jié)構(gòu)，降低水楊酸的酸性？

[提供資料]實際中存在水楊酸轉(zhuǎn)化為水楊酸鈉、水楊酸甲酯、阿司匹林（乙酰水楊酸）。

學(xué)生設(shè)想： 降低酸性，需破壞氫鍵。經(jīng)設(shè)計、討論、評價確定以下方案可行：

方案1： COOHOHCOONaOH

方案2： COOHOHCOOROH

方案3： COOHOHCOOHOCOR

關(guān)鍵活動2： 水楊酸的合成路線設(shè)計。

[問題4]

以甲苯為原料，如何合成水楊酸？

CH3COOHOH

[提供資料]羧基是間位定位取代基。

[先設(shè)計方案，后評價]

方案1： CH3KMnO4（H+）COOHBr2FeBr3COOHBrNaOHH2O， △COONaONaH+COOHOH

方案2： CH3Br2FeBr3CH3BrKMnO4（H+）COOHBrNaOHH2O， △COONaONaH+COOHOH

評價：

方案1中苯甲酸與Br2的反應(yīng)，由于定位效應(yīng)，溴原子不一定處于鄰位。

方案2中由于定位效應(yīng)，難以控制甲基對位的氫不被取代，且難以控制取代基的數(shù)目。

創(chuàng)意設(shè)想：

如果甲苯的對位被一個間位定位基占據(jù)，那么甲基的鄰位將進(jìn)一步被活化，有利于取代只發(fā)生在鄰位;通過控制試劑用量，控制取代基的數(shù)目。

[提供資料]磺酸基（—SO3H）是一種間位定位取代基，依據(jù)下列信息，修正合成方案。

4 ?結(jié)語

將“基團(tuán)間相互作用”的思想轉(zhuǎn)化為“創(chuàng)新意識”素養(yǎng)有兩個重要的教學(xué)關(guān)鍵點(diǎn)： 一是建構(gòu)“基團(tuán)間相互作用”的思維模型是基礎(chǔ)和前提。因為這一模型將有機(jī)物性質(zhì)的外在表象與基團(tuán)間相互作用的內(nèi)在實質(zhì)建立起了聯(lián)系，外在表象往往是人們對有機(jī)物性質(zhì)的實際需求，是人們面臨的實際問題，如： 控制甲苯與溴發(fā)生取代的活性位置是實際需求，認(rèn)識模型的建立使學(xué)生能夠快速、敏銳地將這一問題與基團(tuán)間相互作用建立起聯(lián)系，使之聯(lián)想到通過引入其他間位定位基來解決問題。二是系統(tǒng)規(guī)劃學(xué)生能力發(fā)展的水平及學(xué)習(xí)活動類型。事實上，絕大多數(shù)學(xué)生“創(chuàng)新意識”素養(yǎng)的形成都需要循序漸進(jìn)的能力培養(yǎng)過程，借助于任務(wù)類型多樣化的學(xué)習(xí)活動，尤其是解決陌生情境下的實際問題，才能最終實現(xiàn)知識→能力→素養(yǎng)的發(fā)展和轉(zhuǎn)化。

參考文獻(xiàn)：

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[3]劉斌，杜寶山. 普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書·有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)[M]. 北京： 人民教育出版社， 2007： 37～70.