基于學(xué)科理解的“醛酮”教學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)踐與反思

一、教學(xué)主題內(nèi)容分析課程標(biāo)準(zhǔn)要求基于官能團(tuán)、化學(xué)鍵的特點(diǎn)與反應(yīng)規(guī)律分析和推斷含有醛基的有機(jī)化合物的化學(xué)性質(zhì)，以此完成有機(jī)推斷與合成路線的設(shè)計(jì)。對(duì)于醛酮，從知識(shí)層面看，它是構(gòu)建有機(jī)化學(xué)知識(shí)體系及官能團(tuán)之間轉(zhuǎn)化的知識(shí)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)；從學(xué)科功能上看，它具有承載烴的不飽和含氧衍生物認(rèn)識(shí)方法的功能；從學(xué)科價(jià)值上看，它承擔(dān)著建構(gòu)認(rèn)識(shí)不飽和極性有機(jī)物的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)思維方式的重任。怎樣對(duì)“醛酮”內(nèi)容進(jìn)行學(xué)科理解？1.本原性方式有機(jī)物由碳骨架和官能團(tuán)構(gòu)成，官能團(tuán)是決定有機(jī)物特性的原子或原子團(tuán)，因此官能團(tuán)是認(rèn)識(shí)有機(jī)物的重要視角。羰基是烴的含氧衍生物的基礎(chǔ)性官能團(tuán)，是認(rèn)識(shí)醛基、羧基、酯基、酰胺基等官能團(tuán)結(jié)構(gòu)特征的基礎(chǔ)。因此在對(duì)“醛酮”一節(jié)進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，立足于羰基才能發(fā)揮羰基的化學(xué)學(xué)科功能，對(duì)羰基的結(jié)構(gòu)特征的分析具有遷移功能?；瘜W(xué)鍵是認(rèn)識(shí)有機(jī)物結(jié)構(gòu)特征的重要視角，如何從化學(xué)鍵的角度認(rèn)識(shí)羰基呢？從化學(xué)學(xué)科理解來(lái)看，羰基是由電負(fù)性不同的碳、氧2種元素構(gòu)成，表現(xiàn)出較強(qiáng)的極性；羰基屬于不飽和鍵（雙鍵或三鍵），碳氧之間形成的π鍵體現(xiàn)了羰基的不飽和性。所以羰基的學(xué)科功能價(jià)值是構(gòu)建不飽和極性鍵的認(rèn)識(shí)思路。同樣含有羰基，醛酮放在一個(gè)節(jié)學(xué)習(xí)，但又不屬于同一類別的物質(zhì)，那醛酮之問(wèn)必然有一定的聯(lián)系和差異，由此“如何基于不飽和極性鍵認(rèn)識(shí)羰基的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”“如何基于羰基的結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)醛酮的性質(zhì)”“如何基于鍵的極性認(rèn)識(shí)羰基與鄰近基團(tuán)的相互影響”抽提為本節(jié)課的學(xué)科本原性問(wèn)題。2.結(jié)構(gòu)化方式有機(jī)物數(shù)量眾多，教材編排順序?yàn)槭裁磸臒N到烴的衍生物？而對(duì)于烴的衍生物，為什么從鹵代烴、醇酚、醛酮到羧酸及其衍生物？因?yàn)閷W(xué)生通過(guò)烯烴、炔烴等不飽和烴性質(zhì)的學(xué)習(xí)，構(gòu)建起了認(rèn)識(shí)有機(jī)物化學(xué)鍵的空間結(jié)構(gòu)特征的重要視角——軌道間的相互作用；通過(guò)鹵代烴和醇的性質(zhì)學(xué)習(xí)，構(gòu)建起認(rèn)識(shí)有機(jī)物化學(xué)鍵電子對(duì)是否偏移的重要視角——極性；通過(guò)苯的同系物及苯酚的性質(zhì)學(xué)習(xí)，構(gòu)建起影響有機(jī)物化學(xué)鍵極性的重要視角——鄰近基團(tuán)的推（拉）電子效應(yīng)。為什么有機(jī)模塊是放到高中階段最后一個(gè)版塊學(xué)習(xí)？因?yàn)橛袡C(jī)物性質(zhì)的學(xué)習(xí)需要有結(jié)構(gòu)模塊和原理模塊知識(shí)和思維作為基礎(chǔ)。醛酮結(jié)構(gòu)的相似性在于羰基，結(jié)構(gòu)決定了兩者發(fā)生在羰基上的反應(yīng)是相似的；差異性在于與羰基所連的是氫原子還是烴基，所以兩者性質(zhì)的差異性主要體現(xiàn)在與羰基相連的原子或者基團(tuán)上。醛酮性質(zhì)的學(xué)習(xí)，本質(zhì)上是對(duì)前面有機(jī)物性質(zhì)學(xué)習(xí)中構(gòu)建起來(lái)的認(rèn)識(shí)視角和思路的深化與綜合運(yùn)用，同時(shí)也為羧酸及其衍生物等物質(zhì)的學(xué)習(xí)提供認(rèn)識(shí)思路和模型。通過(guò)對(duì)學(xué)科知識(shí)及其思維方式的本原性、結(jié)構(gòu)化系統(tǒng)性的認(rèn)識(shí)后，從中抽提出學(xué)科本原問(wèn)題，在學(xué)科理解本原性問(wèn)題的驅(qū)動(dòng)下，聚焦學(xué)科思維，學(xué)生在分析與解決真實(shí)情境下的復(fù)雜問(wèn)題的過(guò)程中，自主構(gòu)建起基于鍵的飽和性和極性預(yù)測(cè)有機(jī)物性質(zhì)的思維模型。二、教學(xué)過(guò)程活動(dòng)一認(rèn)識(shí)羰基[展示]生活中有特殊香味的物質(zhì)，如香草醛、肉桂醛、茉莉酮、樟腦酮、乙酸、乙酸異戊酯等。羰基是烴的含氧衍生物的基礎(chǔ)性官能團(tuán)。[師]從軌道重疊方式（即鍵的飽和性）和共用電子對(duì)偏移（鍵的極性）2個(gè)角度分析羰基的結(jié)構(gòu)，并預(yù)測(cè)其性質(zhì)。[生1]羰基中碳原子為sp2雜化，碳和氧的電負(fù)性差值較大，碳氧鍵是強(qiáng)極性鍵，所以羰基中碳氧雙鍵中的π鍵比碳碳雙鍵的更容易斷裂。[生2]碳碳雙鍵是不飽和非極性鍵，易與H2、Br2等非極性試劑加成。羰基是不飽和極性鍵，羰基中共用電子對(duì)會(huì)強(qiáng)烈偏向于氧，使氧呈負(fù)電性，碳呈正電性。所以羰基的結(jié)構(gòu)決定了它更愿意與極性試劑加成。設(shè)計(jì)意圖：“哪兒想”“怎么想”，是基于學(xué)科理解的化學(xué)學(xué)科思維方式內(nèi)涵的2個(gè)重要方面一學(xué)生在新知識(shí)的學(xué)習(xí)與知識(shí)背景、邏輯認(rèn)知和學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)中認(rèn)識(shí)羰基，形成新知識(shí)的結(jié)構(gòu)體系，更深刻認(rèn)識(shí)知識(shí)間的邏輯關(guān)系。活動(dòng)二認(rèn)識(shí)醛酮的加成反應(yīng)[師]乙醛和丙酮分子中都有羰基，請(qǐng)預(yù)測(cè)兩者發(fā)生在羰基上的反應(yīng)。[生1]教材上說(shuō)乙醛、丙酮均能與H2加成，預(yù)測(cè)出問(wèn)題了？[生2]我們預(yù)測(cè)的是更愿意，也沒(méi)說(shuō)不反應(yīng)啊。碳氧雙鍵畢竟是不飽和鍵，苯的大π鍵那么穩(wěn)定，在一定條件下都能與H，加成呢！所以乙醛或丙酮與H，的加成應(yīng)該會(huì)比烯烴難。[師]說(shuō)得很好。烯烴加氫可在低壓和室溫下進(jìn)行，醛酮中羰基加氫則往往需要加壓和加熱。[提問(wèn)]HCN是極性試劑，預(yù)測(cè)乙醛、丙酮與HCN的反應(yīng)，并說(shuō)明理由（如圖1所示）。[師]反應(yīng)生成的α-羥基腈是很有用的中間體，在酸性條件下水解得到α-羥基酸。[評(píng)價(jià)]設(shè)計(jì)以丙酮為原料制取有機(jī)玻璃的單體——2-甲基丙烯酸甲酯的合成路線。[師]H2O也是極性、試劑，請(qǐng)預(yù)測(cè)甲醛、乙醛、丙酮與H2O的反應(yīng)。[生]加成產(chǎn)物中2個(gè)羥基連在同一個(gè)碳上不穩(wěn)定，又會(huì)重新轉(zhuǎn)化為醛基或者酮羰基。[師]兩者存在平衡關(guān)系，根據(jù)牛津大學(xué)Jona-thanClayden等教授編寫(xiě)的《ORGANICCHEMIS-TRY》教材中的K值數(shù)據(jù)，請(qǐng)分析以下反應(yīng)的K值并解釋原因。[生]醛酮能與水發(fā)生加成反應(yīng)，但程度不同。羰基的極性受到與其相連的基團(tuán)的影響。烴基是推電子基，羰基碳連接了烴基后，減弱了碳氧雙鍵的極性，使其相對(duì)不易與極性試劑加成。[師]若將乙醛換成氯酮，將丙酮換成六氟丙酮，與水反應(yīng)的化學(xué)方程式為：請(qǐng)預(yù)測(cè)K4和K2，K5和K3的相對(duì)大小并說(shuō)明原因。以上反應(yīng)K值的大小，給你什么啟發(fā)。[生]K>K2，K5>K3，CI和F都是拉電子基，增強(qiáng)碳氧雙鍵的極性，使其更易與H2O發(fā)生加成反應(yīng)。[啟發(fā)]羰基中碳氧鍵的極性會(huì)受到鄰近基團(tuán)的影響。[師]分析合理?！禣RCANIC

CHEMISTRY》教材中給出的數(shù)據(jù)是K4=2000，K5=1.2×106。[展示]一瓶葡萄糖溶液，溶液中存在著鏈狀和環(huán)狀葡萄糖之間的平衡，其中絕大部分葡萄糖為環(huán)狀結(jié)構(gòu)（如圖2所示）。請(qǐng)解釋環(huán)狀葡萄糖是如何形成的。[生]含有羥基的物質(zhì)（比如醇）也是極性試劑，鏈狀葡萄糖中的5號(hào)碳上的羥基與羰基加成形成穩(wěn)定的六元環(huán)。[師]甲醛的水溶液（又稱福爾馬林），具有殺菌、防腐性能，其原理是什么呢？[生]蛋白質(zhì)分子中的酰胺基、氨基（以R-NH，表示）等也是極性分子，甲醛分子小，進(jìn)入細(xì)胞后與R-NH，的反應(yīng)（如圖3所示），從而使蛋白質(zhì)失去活性。[師]純凈的乙醛中沒(méi)有單個(gè)乙醛分子，且其相對(duì)分子質(zhì)量測(cè)出來(lái)比分子式顯示的要大，這是因?yàn)橐胰┓肿又械摩?H具有一定的活潑性，在一定條件下會(huì)與羰基發(fā)生加成反應(yīng)。繪圖并說(shuō)明理由（如圖4所示）。[生1]受羰基吸電子作用的影響，羰基鄰位的C-H鍵極性增強(qiáng)，易斷裂。[生2]β-羥基醛脫水后形成更穩(wěn)定的單雙鍵交替的共軛結(jié)構(gòu)。[師]像分子內(nèi)含有α-H的醛（或酮）在一定條件下發(fā)生上述反應(yīng)的，被稱為羥醛縮合反應(yīng)，是一種常見(jiàn)的增長(zhǎng)碳鏈的方法，在有機(jī)合成中有非常重要的作用。[評(píng)價(jià)]請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)以乙烯為原料合成正丁醇的合成路線。[提問(wèn)]苯甲醛分別與丙酮和3-戊酮反應(yīng)的化學(xué)方程式和結(jié)果如下。請(qǐng)分析兩者反應(yīng)差異的原因。實(shí)驗(yàn)1：兩者混合后在室溫下反應(yīng)15min得到產(chǎn)品，產(chǎn)率達(dá)80%；實(shí)驗(yàn)2：兩者混合后60C反應(yīng)1h，幾乎沒(méi)有得到目標(biāo)產(chǎn)物。[生]丙酮中α-H的活性大于3-戊酮的。3-戊酮中α-C上有烷基取代基，推電子效應(yīng)增強(qiáng)，α-C上C-H鍵的極性減小，不易斷裂，表現(xiàn)為α-H活性降低。[總結(jié)歸納]談?wù)勀銓?duì)醛酮發(fā)生在羰基上的反應(yīng)的認(rèn)識(shí)。[生1]羰基易與極性試劑發(fā)生加成反應(yīng)，極性試劑中呈正電性的原子或原子團(tuán)連接在氧原子上，負(fù)電性的原子或原子團(tuán)連接在碳原子上。[生2]羰基的極性也會(huì)受到鄰近基團(tuán)的推電子或拉電子效應(yīng)的影響。[生3]羰基增強(qiáng)了α-H的活性，而α-H的活性又會(huì)受到鄰近基團(tuán)的影響。設(shè)計(jì)意圖：當(dāng)把HCN分子抽提為“極性試劑”時(shí)，就產(chǎn)生了學(xué)科本原性問(wèn)題：極性試劑只有HCN嗎？其他極性試劑能否與羰基加成？羰基與極性試劑的反應(yīng)就成為了認(rèn)識(shí)視角，承載著素養(yǎng)功能。課堂活動(dòng)中創(chuàng)設(shè)解釋類活動(dòng)，是促進(jìn)學(xué)生學(xué)科理解的有效方式。為了尋求合理解釋，學(xué)生調(diào)用化學(xué)學(xué)科特有的知識(shí)和思維對(duì)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行分析，從化學(xué)視角去探究、分析和解決問(wèn)題，體驗(yàn)豐富的化學(xué)內(nèi)涵和本質(zhì)，促進(jìn)了知識(shí)的結(jié)構(gòu)化，培養(yǎng)了科學(xué)思維?；顒?dòng)三認(rèn)識(shí)醛酮的氧化反應(yīng)[師]醛和酮發(fā)生在羰基上的反應(yīng)是相似的，但與羰基相連的原子或基團(tuán)不同，會(huì)導(dǎo)致它們的性質(zhì)有哪些差異呢？[演示實(shí)驗(yàn)]實(shí)驗(yàn)1：教材實(shí)驗(yàn)[實(shí)驗(yàn)3-7]實(shí)驗(yàn)2：將[實(shí)驗(yàn)3-7]中的乙醛換成丙酮實(shí)驗(yàn)3：教材實(shí)驗(yàn)[實(shí)驗(yàn)3-8]實(shí)驗(yàn)4：將[實(shí)驗(yàn)3-8]中的乙醛換成丙酮[師]請(qǐng)對(duì)實(shí)驗(yàn)1和2，實(shí)驗(yàn)3和4的現(xiàn)象進(jìn)行對(duì)比，寫(xiě)出反應(yīng)的化學(xué)方程式，并從化學(xué)鍵的角度分析反應(yīng)原理。[生1]醛基上的C-H本身是極性鍵，且受羰基的影響，即氧的拉電子作用，使得羰基碳的電子云密度降低，吸引帶正電的氫的能力下降，所以這條碳?xì)滏I易斷裂。發(fā)生氧化反應(yīng)時(shí)，氧原子插入到碳?xì)滏I之間，形成羧基。[生2]丙酮中羰基碳連接的碳碳鍵雖受羰基的影響，但它是非極性鍵，相對(duì)不易斷裂。銀氨溶液和新制氫氧化銅的氧化性不夠強(qiáng)，不能使其斷鍵氧化。但是我覺(jué)得由于氧的拉電子效應(yīng)，這條碳碳鍵的電子云密度是不均衡的，更偏向于羰基碳。所以相對(duì)于烷烴基上的碳碳鍵來(lái)說(shuō)是更容易斷裂的，如果給它足夠強(qiáng)的氧化劑，應(yīng)該會(huì)被氧化。[師]分析合理。確實(shí)如此，醛基易被氧化，而酮需要使用強(qiáng)氧化劑（如重鉻酸鉀和濃硫酸，或者過(guò)氧酸）才能將其氧化。[歸納總結(jié)]醛和酮的結(jié)構(gòu)中均有羰基，能與極性試劑加成，所以放在同一節(jié)教材中學(xué)習(xí)。但兩者也有差異性，如醛基易被氧化，而酮不易被氧化。所以不屬于同一類別的物質(zhì)。[師]下一節(jié)我們要學(xué)習(xí)的羧酸和羧酸的衍生物中也有羰基，而它們?cè)趺礇](méi)有跟醛酮放在一起學(xué)習(xí)，是不是羧酸及其衍生物中羰基的性質(zhì)又發(fā)生了什么神奇的變化呢？期待下一節(jié)課的學(xué)習(xí)。設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生經(jīng)歷了“預(yù)測(cè)—實(shí)驗(yàn)—結(jié)論”的思考過(guò)程，從宏觀現(xiàn)象到微觀本質(zhì)的分析，學(xué)生調(diào)用物質(zhì)結(jié)構(gòu)的知識(shí)去理解有機(jī)反應(yīng)的本質(zhì)，更加深刻地體會(huì)到結(jié)構(gòu)是如何決定性質(zhì)的，初步形成結(jié)構(gòu)解釋和預(yù)測(cè)性質(zhì)的思維模型?；顒?dòng)四綜合評(píng)價(jià)，構(gòu)建模型[演示實(shí)驗(yàn)]向溴水中加入足量的乙醛溶液，溴水褪色。預(yù)測(cè)乙醛與溴水發(fā)生的反應(yīng)，并說(shuō)明理由。[生1]乙醛中碳氧雙鍵與溴發(fā)生加成反應(yīng)，生成1，1-二溴乙烷。[生2]乙醛中醛基被溴水氧化生成乙酸。[生3]乙醛甲基上的C-H受羰基的影響，極性增強(qiáng)，與溴水發(fā)生取代反應(yīng)生成2-溴乙醛。[生4]溴是非極性試劑，不易與不飽和極性鍵加成。而一般烷烴基上的取代需要光照條件，所以發(fā)生α-H的取代反應(yīng)可能性不大。醛基能被弱氧化劑氧化，何況是有強(qiáng)氧化性的溴水，所以我覺(jué)得發(fā)生氧化反應(yīng)的可能性比較大。[師]很好，