贝伟浩　蓝仁敏

[摘   要]文章以“卤代烃的亲核取代和β-消除反应”教学为例，将核心知识设置成问题链，利用启发性问题、挑战性问题、发散性问题、反思性问题等来驱动学生思维进程，通过互动、质疑、建构，让学生体验、感悟进而理解认知模型的功能价值，为破解高中化学尖子生有机学习思维困境提出教学对策，有效促进学生有机化学认知模型的形成。

[关键词]有机化学;驱动性问题;认知模型

[中图分类号]    G633.8        [文献标识码]    A        [文章编号]    1674-6058（2021）08-0064-03

一、问题的提出

化学奥林匹克竞赛是化学尖子生的培养平台，为国家选拔创新科研人才。有机化学在竞赛试题中约占30%，常作为压轴题，其重要性可见一斑。劉知新教授认为，学习有机化学能够夯实并深化物质结构基础知识，有利于学生了解化学对人类的突出贡献，有利于系统训练科学方法和培养思维能力[1]。我校注重化学尖子生培养，多年来为国家输送了一大批化学创新型人才。我们在教学过程中调查发现，绝大部分化学尖子生认为有机化学内容繁多、空间结构复杂、机理难于理解。这和有机化学知识的特点有关，显然，许多学生并没有形成有机化学认知模型，从而缺失描述能力、解释能力、预判能力。

本文以“卤代烃的亲核取代和β-消除反应”教学为例，通过设置驱动性问题链，帮助学生形成有机化学认知模型，尝试构建培养化学尖子生高阶思维的教学新模式。

二、促进认知模型建构的“卤代烃的亲核取代和β-消除反应”的教学设计

1.教材分析

从教材编排上看，“卤代烃的亲核取代和β-消除反应”位于烷烃之后，是烃的衍生物的开篇，具有承前启后的作用。从教学功能上看，在碳骨架上引入卤原子后能产生众多官能团的衍变反应，由此有机物和有机反应类型变得丰富，学习难度也逐渐加大。卤代烃的亲核取代和β-消除反应的机理关系到电子效应和立体效应的综合影响，兼具综合性和抽象性的知识本身对学生的思维提出了更高的要求，如果不能采用恰当的训练方法帮助学生建构有机化学认知模型，必然会使学生的思维停留在对陈述性知识大量记忆的低阶水平，不利于激发学习兴趣和形成高阶思维。

2.教学目标

通过卤代烃的教学，帮助学生建构有机物和有机反应的认知模型（如图1），并让学生在具体的学习过程中实践和感悟其价值，为后面的学习打下坚实的基础。

3.教学过程

要有效地促进学生思维的生长，就要将关键的思维点设计成问题活动[2]。本研究利用启发性问题、挑战性问题、发散性问题、反思性问题等来驱动学生思维进程，让学生在问题活动的体验中理解认知模型，实现知识能力的“再生”和“迁移”。

[环节一]在问题活动中体验有机化学认知模型。

问题1（启发性问题）：比较烷烃和卤代烃的结构，找出相同点和不同点，请预测卤代烃可能发生的反应有哪些。

学生受高中有机化学知识的影响，认为电负性X>C，X原子吸电子导致C—X易断键，—X易被—OH所取代。这种理解与真实的反应机理相去甚远，导致很多学生在书写卤代烃的水解方程式时仍以水作为试剂，并且往往会遗漏NaOH。造成这个误区的根本原因是学生的认识仍停留在简单、片面的结构上，没有形成从电子效应的角度来深刻理解有机物的结构。

问题2（发散性问题）：电负性C>H，为什么不是C—H中的H被取代？

此时引入电子效应中的诱导效应。诱导效应是指在分子中受到不同电负性取代基的影响，成键电子云按取代基的电负性所决定的方向而产生偏移的效应[3]。诱导效应以C—H键为标准，X原子电负性大于H原子，具有吸电子诱导效应，使电子云沿着键轴向X原子移动，导致X原子带局部负电荷（δ-），α-C原子带局部正电荷（δ+），由于异性电荷相吸，带δ+的C原子易受到亲核试剂（Nu：）的进攻。

设计意图：让学生体验有机物和有机反应的认知模型的第一维度：从电子效应（诱导效应）分析化学键的极性及键与键之间的相互影响，预测可能发生的反应。

问题3（挑战性问题）：取代反应的驱动力是什么？哪个基团离去？

若形成C—Nu：键，则α-C上有五根键，必然要离去一个基团。哪个基团离去？这涉及反应的驱动力，包括热力学驱动和动力学驱动。热力学驱动是指反应朝着使产物能量降低（稳定）的方向进行，动力学驱动是指反应活化能低或者过渡态势能低的反应优先进行。从键能角度看，C—H键的键能均大于C—X键，故从动力学角度看，是C—X键断裂。若从离去基团的稳定性角度看，X原子以X-形式离去，H原子以H-形式离去，显然X-在溶液中更常见也更稳定。

设计意图：让学生体验有机物和有机反应的认知模型的第二维度：从热力学和动力学角度分析反应的驱动力。

问题4（质疑性问题）：以上分析推测出卤代烃易发生亲核取代反应，与实验事实是否相吻合？

教师展示实验数据：卤代烃与H2O反应，测得三级卤代烃反应速率最快，一级卤代烃反应速率最慢，产物是一对外消旋体;若加入强碱，则一级卤代烃的反应速率大幅度提高，得到构型翻转的产物。这样的实验结果大大超出学生的预期，说明卤代烃的亲核取代反应存在多种机理。

设计意图：预测结果的简单与实验结果的复杂，使学生产生强烈的认知冲突，激发学生的求知欲和探究欲。

接下来要解决最关键的反应机理问题。有机物的立体结构对其性质有着非常重要的影响，比如众所周知的镇痛药吗啡，有多种旋光异构体，但只有其中一种具有镇痛作用[3]。因此，在分析有机反应机理时必须考虑立体效应，而很多学生缺乏这种空间想象的思维能力。为了帮助学生化抽象为具体，在讲解两种亲核取代反应的机理时，可以引入一个假想平面，将α-C放在该假想平面上来分析。

对于SN2反应，底物卤代烃的α-C采取sp3杂化，具有四面体构型，亲核试剂Nu：从C—X键的反向延长线方向进攻带部分正电荷的α-C，为了缓解该侧基团空间上的拥挤，α-C采取sp2杂化，形成一个平面型的过渡态，即R1、R2、R3位于假想平面上，未完全形成的C—Nu：键与未完全断裂的C—X键垂直于该平面。最后，卤素离子离去，为了再次缓解基团的拥挤，α-C重新回到sp3杂化，R1、R2、R3从平面上方转到平面下方，发生构型的翻转（如图2）。

从SN2反应的势能图（如图3甲）可以看出，这是一个双分子单步反应（决速步与两种物质有关）。

SN1反应则是分两步进行。首先底物卤代烃解离成碳正离子和卤素负离子，α-C由sp3杂化的四面体构型转变为sp2杂化的平面构型，这样减少了三个基团的拥挤，有利于碳正离子的形成，而且碳上还有一个垂直于平面的空p軌道用于成键。一旦成键，又恢复四面体构型[3]（如图4）。当亲核试剂Nu：进攻碳正离子时，上下平面进攻的概率相当，因此，若α-C是手性碳，就会得到“构型保持”和“构型翻转”占比相同的产物。从SN1反应的势能图（如图3乙）来看，这是一个单分子两步反应（决速步与一种物质有关）。

设计意图：从空间立体效应角度对两种反应机理进行剖析，让学生体验有机物和有机反应认知模型的第三维度：综合考虑过渡态（中间体）和产物的三大选择性（反应选择性、区域选择性、立体选择性）。

问题5（展望性问题）：请预测溴代新戊烷发生SN1反应的产物有哪些。

大部分学生会得出图5中“少”的产物为主要产物。此时教师应解释碳正离子的重排。碳正离子的空p轨道与烷基上的[C—H]键具有一定程度的重叠，导致电子离域，使碳正离子稳定性增强[3]。烷基上[C—H]键个数越多越能有效稳定碳正离子的正电荷。从热力学驱动的角度看，1° C+和2° C+会通过负氢迁移和烷基迁移重排生成更稳定的3° C+，得到重排产物。

设计意图：碳正离子的重排很常见，在有机合成中必须注意，这也是大部分学生的易错点。针对学生思维的未知点设置问题，可以有针对性地帮助学生突破易错点。

通过上述5个问题活动，让学生初步感知和体验有机物和有机反应的认知模型。在帮助学生搭建有机物和有机反应的认知模型的“脚手架”之后，还需检测学生的接收效果。为此，接下来要通过更进一步的驱动性问题引导学生对卤代烃的β-消除反应展开讨论。

[环节二]在问题解决中发展有机化学认知模型。

问题6（反思性问题）：请把目光聚焦到β-C上，从电子效应的角度分析化学键中还存在哪些“薄弱环节”。

学生很容易回答出：“X原子电负性强，β-C上电子云密度由于吸电子效应下降而显局部正电荷（δ δ+），造成β-H具有一定酸性，因而容易被亲核试剂进攻，发生消除反应。”这说明学生已经初步掌握分析有机物的切入点——从电子效应分析化学键的极性以及键与键之间的相互影响。

问题7（还原性问题）：反-1，2-二溴环己烷发生消除反应的产物有哪些？请分析产物的稳定性。

设计意图：让学生暴露思维短板。这道题只有唯一的产物：1，3-环己二烯，因为形成共轭结构能显著降低体系能量。仍有部分学生的答案中出现“苯炔”结构，但只要从空间效应稍作分析，便能发觉 “苯炔”的张力很大，极不稳定，进而拓宽学生对有机物的空间效应思考维度。

问题8（探索性问题）：请观察E2消除反应机理（如图6），该反应在立体化学上有何要求？

问题9（挑战性问题）：三级卤代烃在无碱时的消除是按单分子消除（E1）机理进行的[3]。根据E1消除反应机理（如图7），并结合已有知识，你能说出为什么按该机理发生反应吗？

设计意图：上述问题的回答需要学生运用有机物认知模型的第二、第三维度。至此，已是学生第三次运用该认知模型来解决问题，让学生深入体会其功能价值，实现了学生思维的发展。

本节课学生的课堂反馈效果良好，阶段性纸笔测试成绩与往届同期对比有所提高。通过实践，总结得出破解化学竞赛有机学习思维困境的对策，以及有效构建有机化学认知模型的教学策略：从熟悉的情境入手促进学生认知方式的转变;针对学生思维的已知点、未知点和易错点设置问题障碍，促进学生认知方式的转变;教学问题的设置要有驱动性和难度梯度，并进行恰当的追问。随后的有机教学实践证明，学生能够较好地利用有机物和有机反应认知模型分析和解决问题。

[   参   考   文   献   ]

[1]  刘知新. 化学教学论[M]. 北京：高等教育出版社，1997.

[2]  徐星，展军颜，黄慧清.洞悉思维的基点 构建思维型课堂：新课程理念下“物质分类”的教学设计[J]. 中学化学，2017（9）：16-18.

[3]  邢其毅，裴伟伟，徐瑞秋，等. 基础有机化学[M].北京：高等教育出版社，2005.

（责任编辑 罗 艳）