設置驅動性問題鏈，促有機認知模型建構

貝偉浩　藍仁敏

[摘? ?要]文章以“鹵代烴的親核取代和β-消除反應”教學為例，將核心知識設置成問題鏈，利用啟發(fā)性問題、挑戰(zhàn)性問題、發(fā)散性問題、反思性問題等來驅動學生思維進程，通過互動、質疑、建構，讓學生體驗、感悟進而理解認知模型的功能價值，為破解高中化學尖子生有機學習思維困境提出教學對策，有效促進學生有機化學認知模型的形成。

[關鍵詞]有機化學;驅動性問題;認知模型

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

一、問題的提出

化學奧林匹克競賽是化學尖子生的培養(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。劉知新教授認為，學習有機化學能夠夯實并深化物質結構基礎知識，有利于學生了解化學對人類的突出貢獻，有利于系統(tǒng)訓練科學方法和培養(yǎng)思維能力[1]。我校注重化學尖子生培養(yǎng)，多年來為國家輸送了一大批化學創(chuàng)新型人才。我們在教學過程中調查發(fā)現(xiàn)，絕大部分化學尖子生認為有機化學內容繁多、空間結構復雜、機理難于理解。這和有機化學知識的特點有關，顯然，許多學生并沒有形成有機化學認知模型，從而缺失描述能力、解釋能力、預判能力。

本文以“鹵代烴的親核取代和β-消除反應”教學為例，通過設置驅動性問題鏈，幫助學生形成有機化學認知模型，嘗試構建培養(yǎng)化學尖子生高階思維的教學新模式。

二、促進認知模型建構的“鹵代烴的親核取代和β-消除反應”的教學設計

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”位于烷烴之后，是烴的衍生物的開篇，具有承前啟后的作用。從教學功能上看，在碳骨架上引入鹵原子后能產生眾多官能團的衍變反應，由此有機物和有機反應類型變得豐富，學習難度也逐漸加大。鹵代烴的親核取代和β-消除反應的機理關系到電子效應和立體效應的綜合影響，兼具綜合性和抽象性的知識本身對學生的思維提出了更高的要求，如果不能采用恰當?shù)挠柧毞椒◣椭鷮W生建構有機化學認知模型，必然會使學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)學習興趣和形成高階思維。

2.教學目標

通過鹵代烴的教學，幫助學生建構有機物和有機反應的認知模型（如圖1），并讓學生在具體的學習過程中實踐和感悟其價值，為后面的學習打下堅實的基礎。

3.教學過程

要有效地促進學生思維的生長，就要將關鍵的思維點設計成問題活動[2]。本研究利用啟發(fā)性問題、挑戰(zhàn)性問題、發(fā)散性問題、反思性問題等來驅動學生思維進程，讓學生在問題活動的體驗中理解認知模型，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認知模型。

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

學生受高中有機化學知識的影響，認為電負性X>C，X原子吸電子導致C—X易斷鍵，—X易被—OH所取代。這種理解與真實的反應機理相去甚遠，導致很多學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)的根本原因是學生的認識仍停留在簡單、片面的結構上，沒有形成從電子效應的角度來深刻理解有機物的結構。

問題2（發(fā)散性問題）：電負性C>H，為什么不是C—H中的H被取代？

此時引入電子效應中的誘導效應。誘導效應是指在分子中受到不同電負性取代基的影響，成鍵電子云按取代基的電負性所決定的方向而產生偏移的效應[3]。誘導效應以C—H鍵為標準，X原子電負性大于H原子，具有吸電子誘導效應，使電子云沿著鍵軸向X原子移動，導致X原子帶局部負電荷（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：）的進攻。

設計意圖：讓學生體驗有機物和有機反應的認知模型的第一維度：從電子效應（誘導效應）分析化學鍵的極性及鍵與鍵之間的相互影響，預測可能發(fā)生的反應。

問題3（挑戰(zhàn)性問題）：取代反應的驅動力是什么？哪個基團離去？

若形成C—Nu：鍵，則α-C上有五根鍵，必然要離去一個基團。哪個基團離去？這涉及反應的驅動力，包括熱力學驅動和動力學驅動。熱力學驅動是指反應朝著使產物能量降低（穩(wěn)定）的方向進行，動力學驅動是指反應活化能低或者過渡態(tài)勢能低的反應優(yōu)先進行。從鍵能角度看，C—H鍵的鍵能均大于C—X鍵，故從動力學角度看，是C—X鍵斷裂。若從離去基團的穩(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。

設計意圖：讓學生體驗有機物和有機反應的認知模型的第二維度：從熱力學和動力學角度分析反應的驅動力。

問題4（質疑性問題）：以上分析推測出鹵代烴易發(fā)生親核取代反應，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，測得三級鹵代烴反應速率最快，一級鹵代烴反應速率最慢，產物是一對外消旋體;若加入強堿，則一級鹵代烴的反應速率大幅度提高，得到構型翻轉的產物。這樣的實驗結果大大超出學生的預期，說明鹵代烴的親核取代反應存在多種機理。

設計意圖：預測結果的簡單與實驗結果的復雜，使學生產生強烈的認知沖突，激發(fā)學生的求知欲和探究欲。

接下來要解決最關鍵的反應機理問題。有機物的立體結構對其性質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，在分析有機反應機理時必須考慮立體效應，而很多學生缺乏這種空間想象的思維能力。為了幫助學生化抽象為具體，在講解兩種親核取代反應的機理時，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，底物鹵代烴的α-C采取sp3雜化，具有四面體構型，親核試劑Nu：從C—X鍵的反向延長線方向進攻帶部分正電荷的α-C，為了緩解該側基團空間上的擁擠，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，為了再次緩解基團的擁擠，α-C重新回到sp3雜化，R1、R2、R3從平面上方轉到平面下方，發(fā)生構型的翻轉（如圖2）。

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

SN1反應則是分兩步進行。首先底物鹵代烴解離成碳正離子和鹵素負離子，α-C由sp3雜化的四面體構型轉變?yōu)閟p2雜化的平面構型，這樣減少了三個基團的擁擠，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，又恢復四面體構型[3]（如圖4）。當親核試劑Nu：進攻碳正離子時，上下平面進攻的概率相當，因此，若α-C是手性碳，就會得到“構型保持”和“構型翻轉”占比相同的產物。從SN1反應的勢能圖（如圖3乙）來看，這是一個單分子兩步反應（決速步與一種物質有關）。

設計意圖：從空間立體效應角度對兩種反應機理進行剖析，讓學生體驗有機物和有機反應認知模型的第三維度：綜合考慮過渡態(tài)（中間體）和產物的三大選擇性（反應選擇性、區(qū)域選擇性、立體選擇性）。

問題5（展望性問題）：請預測溴代新戊烷發(fā)生SN1反應的產物有哪些。

大部分學生會得出圖5中“少”的產物為主要產物。此時教師應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。從熱力學驅動的角度看，1° C+和2° C+會通過負氫遷移和烷基遷移重排生成更穩(wěn)定的3° C+，得到重排產物。

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

通過上述5個問題活動，讓學生初步感知和體驗有機物和有機反應的認知模型。在幫助學生搭建有機物和有機反應的認知模型的“腳手架”之后，還需檢測學生的接收效果。為此，接下來要通過更進一步的驅動性問題引導學生對鹵代烴的β-消除反應展開討論。

[環(huán)節(jié)二]在問題解決中發(fā)展有機化學認知模型。

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

學生很容易回答出：“X原子電負性強，β-C上電子云密度由于吸電子效應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攻，發(fā)生消除反應。”這說明學生已經初步掌握分析有機物的切入點——從電子效應分析化學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)生消除反應的產物有哪些？請分析產物的穩(wěn)定性。

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

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

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）機理進行的[3]。根據(jù)E1消除反應機理（如圖7），并結合已有知識，你能說出為什么按該機理發(fā)生反應嗎？

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

本節(jié)課學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，總結得出破解化學競賽有機學習思維困境的對策，以及有效構建有機化學認知模型的教學策略：從熟悉的情境入手促進學生認知方式的轉變;針對學生思維的已知點、未知點和易錯點設置問題障礙，促進學生認知方式的轉變;教學問題的設置要有驅動性和難度梯度，并進行恰當?shù)淖穯枴ｋS后的有機教學實踐證明，學生能夠較好地利用有機物和有機反應認知模型分析和解決問題。

[? ?參? ?考? ?文? ?獻? ?]

[1]? 劉知新. 化學教學論[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 構建思維型課堂：新課程理念下“物質分類”的教學設計[J]. 中學化學，2017（9）：16-18.

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

（責任編輯 羅 艷）