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化学新课程强调以人为本,充分体现“科学源于生活,服务生活,创造新生活”的理念,近年来高考化学试卷中对这一理念有充分体现,出现了与日化产品、药物、环境等的相关试题,如2009年江苏卷具有显著抗癌活性的10-羟基喜树碱、用于治疗高血压的药物多沙唑嗪盐酸盐,浙江卷的可用于制作“香水”的天然化合物a-damascone等,其结构均较复杂,用常规思维来解决这类问题,十分繁琐,而且难免会出现遗漏、差错。
不饱和度揭示了有机物组成与结构的隐性关系和各类有机物间的内在联系,是推断有机物分子可能结构的一种新思维,其优点是推理严谨,可防遗漏。笔者在教学中发现不饱和度概念易学易懂,在求较为复杂的分子式及分子结构、同系物、同分异构体的判断等方面时,若能运用不饱和度将有事半功倍之功效,减轻学生学习负担。在现有文献中,中学对不饱和度的研究公式较多,推导复杂,本文将关于不饱和度的学习作一系统归纳,并推出一应用十分广泛的简化公式,与大家分享。
1不饱和度的概念
不饱和度又称缺氢指数或者环加双键指数,是有机物分子不饱和程度的量化标志,即有机物分子中与碳原子数相等的开链烷烃相比较,每减少2个氢原子,则有机物的不饱和度增加1,用希腊字母Ω表示。
2 不饱和度的计算
2.1根据有机物的化学式计算
常用的计算公式:
公式繁多,现简化如下:
将有机物的化学式转化为CxHyOa(NH)b则,Ω=x+1-y/2。
此公式使用范围极广,可囊括几乎所有有机物,无需分类讨论,硅与碳等效,卤素与氢等效,硫与氧等效。通过转化,O、N可视而不见。学生已学过元素周期律,同族元素性质相似的概念已根深蒂固,价键规律也有一定了解,此公式使用简便,利于学生掌握。
例子:C10H4Cl2可转化为C10H6,则Ω=10+1-6/2=8
C20H31O2N3可转化为C20H28O2(NH)3,则Ω=20+1-28 /2=7
C60中y、a、b均为0, Ω=60+1=61
2.2非立体平面有机物分子,可以根据结构计算
Ω=双键数+叁键数×2+环数
备注:双键包含碳碳、碳氮、氮氮、碳氧双键;叁键包含碳碳、碳氮叁键;环数等于将环状分子剪成开链分子时,剪开碳碳键的次数,环包含含N、O、S等的杂环。
如苯:Ω=6+1-6/2=3+0×2+1=4, 即苯可看成三个双键和一个环的结构形式。
例子:
3不饱和度的应用
3.1分子的不饱和度Ω与分子结构的关系:
①若Ω=0,说明分子是饱和链状结构
②若Ω=1,说明分子中有一个双键或一个环;
③若Ω=2,说明分子中有两个双键或一个三键;或一个双键和一个环;或两个环;余类推;
④若Ω≥4,说明分子中很可能有苯环。
3.2辅助推导化学式,思路如下:
结构简式―计算不饱和度―计算H原子数―确定分子式
例1:(2008海南卷第20题)1 mo1 X能与足量碳酸氢钠溶液反应放出44.8 L CO2(标准状况),则X的分子式是:()
A. C5H10O4 B. C4H8O4C. C3H6O4 D.C2H2O4
答案:D
解析:能与碳酸氢钠反应的有机物一般为羧基,1 mol X放出CO2为2 mol, 说明含2个羧基,其不饱和度至少为2,口算可得A、B、C的不饱和度均为1,D为2,可快速求解选项为D。
例2:(2009浙江卷第11题)一种从植物中提取的天然化合物a-damascone,可用于制作“香水”,其结构如下图,有关该化合物的下列说法不正确的是()
A.分子式为C13H20O
B. 该化合物可发生聚合反应
C. 1 mol该化合物完全燃烧消耗19 mol
D.与溴的溶液反应生成的产物经水解、稀硝酸化后可用溶液检验
答案:C
解析:
A项,可快速判断出该分子为C13HyO,根据不饱和度公式,该分子含3个双键一个环,Ω=4=13+1-y/2, y=20,正确;
B项,由于分子可存在碳碳双键,故可以发生加聚反应,正确;
C项,根据A项可转化为C13H18(H2O)13个碳应消耗13个O2,18个H消耗4.5个O2,共为17.5,故错;
D项,碳碳双键可以与Br2发生加成发生,然后水解酸化,即可得Br-,再用AgNO3可以检验,正确。
例3(2009天津卷第8题)请仔细阅读以下转化关系(见图1所示):
A是从蛇床子果实中提取的一种中草药有效成分,是由碳、氢、氧元素组成的酯类化合物;
B称作冰片,可用于医药和制香精、樟脑等;
C的核磁共振氢谱显示其分子中含有4种氢原子;
D中只含一个氧原子,与Na反应放出H2;
F为烃。
请回答:
(1)B的分子式为___________。
(4)F的分子式为____________。
化合物H是F的同系物,相对分子质量为56,写出H所有可能的结构:_______________。
(节选自部分内容,以下相同)
解析:
(1)从图中可快速看出,B中有10个C,一个O,为面数为3的闭合笼状结构,故Ω=2,分子式为C10HyO, Ω=2=10+1-y/2, y=18, 确定分子式为C10H18O
(2)F为烃,E-F为消去反应,70/14=5,F为戊烯,分子式为C5H10
H是F的同系物,相对分子质量为56,56/14=4,为丁烯,所有同分异构体为1-丁烯,2-丁烯(存在顺反异构)和甲基丙烯四种。
3.3辅助推断有机物的结构与性质,思路如下:
分子式―计算不饱和度―预测官能团及数量―确定结构―推测性质
例4:有一环状化合物C8H8,它不能使溴的CCl4溶液褪色;它的分子中碳环上的1个氢原子被氯取代后的有机生成物只有一种。这种环状化合物可能是( )
解析:不能使溴的CCl4溶液褪色,可排除AD;
C8H8中Ω=8+1-8/2=5, B中Ω=4,排除,即得正确答案为C。
例5(2008年四川卷第29题)(3)①芳香化合物E的分子式是C8H8Cl2。E的苯环上的一溴取代物只有一种,则E的所有可能的结构简式是_______。
解析:根据公式CxHyOa(NH)b则Ω=x+1-y/2,卤素原子与H等效,C8H8Cl2可转化为C8H10,Ω=8+1-10/2=4,又为芳香化合物,说明只含一个苯环,其余均饱和,故结构即可迎刃而解。答案如下:
例6(2009全国卷Ⅱ第30题)化合物A相对分子质量为86,碳的质量分数为55.8 %,氢为7.0 %,其余为氧。A的相关反应如下图(图2)所示:
已知R-CH=CHOH(烯醇)不稳定, 很快转化为R-CH2CHO。
根据以上信息回答下列问题:
以上四种信息素中互为同分异构体的是
A. ①和② B. ①和③
C. ③和④ D. ②和④
答案:C
解析:①中Ω=2+1=3;②中Ω=2+1=3;①比②多一个甲基;
③中Ω=1+1=2 ④Ω=1+1=2,为同分异构体,答案为C。
不饱和度还可运用于有机反应的判断、共用电子对的数目及有机物面数的确定等,在这些方面运用不饱和度不甚简便,本文不再赘述。总之,从近几年高考卷中可以看出,不饱和度发挥了重要作用,若在教学中运用好不饱和度,定有成效。
参考文献:
[1]郑大贵.利用不饱和度计算桥环化合物的环数[J]. 大学化学1993,(6):47~51.
[2]丁敬敏,丁漪.有机化合物分子不饱和度的计算[J].化学教育1998,(1):38~41.
[3]胡思前. 不饱和度在有机化学中的应用[J]. 高等函授学报(自然科学版), 2002,(8):29~30.
[4]沈国强.巧用不饱和度,化解有机难题[J].河北理科教学研究2008,(5):24~29.
关键词:方法教育逻辑思维方法实验方法
一、根据学科特点,掌握认识问题的一般方法
有机化学是中学化学重要组成部分、从物质的数量上讲有机物的种类达千万种,是无机物的近百倍。尤其是有机化学进入生命科学领域,正在发挥日益重要的作用。在近几年高考中有机化学与生物的综合也相当多。中学有机化学是有机化学中最简单、最基础的部分,但整个有机化学的学习方法对了解更多的有机知识、研究更广阔的有机领域有着重要的意义。同学刚接触到有机化学,兴趣很浓。这时候,是再一次激发学生学习兴趣的最佳时期,也是进行学习方法与学习能力培养的最佳时期。但由于有机化学其种类繁多、结构复杂、与生产生活联系密切,使之成为中学化学的难点,会考、高考的热点,其学习的方法又与无机化学的学习有明显的不同之处。如果不帮助学生总结有机化学的特点及学习的一般方法学生将很难入门。
(1):结构决定性质—学习有机化学的法宝。于是在教完甲烷、乙烯之后,我就总结出有机化学学习的一般规律与方法:结构性质(物理性质、化学性质)用途制法(工业制法、实验室制法)一类物质。因此学习有机化学要从结构出发,了解每一类有机物的结构特点,比较不同类有机物结构上的差异,掌握有机反应中有机物结构上的变化等等。在教学中反复强调这样的学习方法:结构性质用途制法一类物质。结构决定性质,性质反映结构在有机化学中表现得特别明显,这不仅表现在化学性质中,同时也体现在物理性质上。因此教育学生在有机化学的学习中,要善于利用好这个法宝。这样在有机化学学习时能触类旁通,收到事半功倍之效果。
比如在“乙炔”的教学,我就先出示乙炔分子的球棍结构模型,介绍乙炔分子的结构后。我让学生预测乙炔的化学性质,班里大多数同学都能说出其化学性质。到了讲烃的衍生物,我又特别强调了官能团的作用,再次强调这样的学习方法:结构(官能团)性质用途制法一类物质。我请同学自己站起来阐述这样的研究方法,我顺着这样的思路一点一点地讲下去,很清晰,学生自己掌握,复习时也就感觉到有规律可循、有方法可用。有机化学其实很好学,重要的是要培养学生学习方法,时时提醒学生,以后就是进入高一级学校,有机化学的学习与研究也采用的是同样的方法,这在一定程度上也激发了他们学习与探索的兴趣。
(2):普遍性与特殊性的共存。有机物虽然种类繁多,但有同系物,而同系物的结构和性质是相似的,这就是普遍性。因此,在复习时只要认真弄懂一个或几个化合物,就可推知其它同系物的性质,从而把庞大的有机物体系化和规律化。但是,任何特殊性都不能完全包括在普遍性之中,学习中要善于在有机物的特殊性中发现普遍性,又要在普遍性的指导下研究特殊性。以醇为例:醇类能催化氧化为醛、发生消去生成烯,但(CH3)3C-OH不能氧化成醛,CH3-OH、(CH3)3C-CH2-OH不能消去生成烯,这是普遍性与特殊性的关系。乙醇能与水互溶,但维生素A难溶于水;乙醇与甲醚虽然组成相同,但由于结构不同,两物质的熔沸点等性质相差甚远。前者是量变引起了质变,后者是质变引起量变。乙醇、苯酚、乙酸、葡萄糖分子中均含有羟基,因而它们都能与金属钠反应放出氢气,但由于与羟基相连的基团各不相同,基团间相互影响的结果使羟基表现出来的性质又具有明显的差异,如:乙醇、葡萄糖溶液呈中性,苯酚溶液呈弱酸性,乙酸溶液呈明显酸性,这是普遍联系与相互影响的辩证关系。
二、立足基础,训练学生逻辑思维方法
科学方法的第二层次为逻辑思维方法,即进行化学思维,通过分析、综合、抽象、概括、归纳、总结等过程,最后上升为理论的形式。逻辑思维就是要运用唯物辩证法去分析,判断和推理的思考方法,逻辑思维须依据正确的概念和判断。知识是思维的基础,思维的无序主要是贮存在大脑中的各知识点的无序。因此,教学中教师应首先抓“双基”的落实,抓知识点的横纵联系,帮助学生养成整理知识点的习惯,串点成线,交线成网,使各知识点系统化、网络化,网络化的知识便于记忆,便于有序地贮存在大脑中。因此,培养学生思维的逻辑性,首先必须加强基本概念的学习,并对其能够透彻理解。在有机化学基本原理的教学中,引导学生通过分析,综合、比较、判断、推理等逻辑思维过程,掌握其来龙去脉。解题时,将新问题纳入网络中,产生对应的迁移。
教学中,我首先强调有机物分子式、电子式、结构式、结构简式书写的熟练性和规范性。同分异构体、同系物等各个概念的落实。再是帮助学生养成整理知识点的习惯,串点成线。如在学完烃和烃的衍生物后,可以列以下表格让学生完成,以提高比较和记忆。
类别通式官能团代表物主要化学性质烷烃烯烃……
基础知识掌握后要引导学生横向联想,提高思维的灵活性。如在学习了烃的空间结构后,学生已掌握了乙烯的平面结构,即两个碳原子和四个氢原子在一个平面上,在此基础上,可进行如下练习:下列结构中,所有碳原子是否在同一个平面上:A、B、仅仅在横向上产生联想是不够的,还要积极引导学生向纵向深入,加强纵向化学知识的联系和综合,即学科内综合,其目的是培养学生思维的流畅性。思维流畅,联想丰富,能够在短时间内形成较多的知识信息和解题方法,从而迅速解答题目,一般可通过对综合题的分析、练习来达到目的。如:在学习了烃和烃的衍生物知识后,都知道有机物的结构和衍变关系非常重要,我们可以通过一些衍变关系来进行归纳复习,使学生的知识纵向深入,把不同类别的有机物进行有机联系。例如某有机物A有如下转化关系,若G中含有四个碳原子,分别写出A、B、C、D、E、F、G的结构简式?通过对该题的练习,使学生对卤代烃、烯烃、醇、醛、羧酸、酯的知识(特别是衍变关系)得到系统复习和比较,思维纵向发展,形成了知识链。
可见根据问题的因果关系和类属关系,用发展变化的观点去分析综合,使学生的思维灵活多变,不断形成科学的思维的方法。
三.以实验方法为载体,提升学生分析和解决问题的能力
科学方法的第三层次为分析、解决问题的方法。纵观中学化学教学,在这种层次上的科学方法包括实验法、守恒法、极限法、图像法等。而实验法是又是有机教学中最为常用的方法也是培养学生相当高的独立探索能力和创造性的一种方法。我认为在实际教学过程中,可把培养学生的实验能力具体归为以下几个方面:1、按一定的认知目的安排观察或实验活动2、让学生独立地完成观察与实验3、启发并指导学生得出正确合理的结论并进行报告4、可能的情况下,让学生通过设计实验来说明问题,让学生从不同的角度去理解、掌握知识,达到“求异”的目的。
如:在讲授乙醛的性质的时候,我先在课堂上演示乙醛的银镜反应和乙醛与新制的氢氧化铜的反应,强调一些在实验过程中应该注意的问题,然后我就请两个同学来演示用甲醛代替乙醛的同样反应,要求其他同学注意观察并指出其错误,并让他们根据他们所操作的实验结果引出正确的结论。通过这些课堂实验,及时纠正错误,学生感受颇深,他们自己做实验时就很动脑筋,也很规范,提高了他们的观察能力和实验能力。
又如:在醇、酚、醛的化学性质实验教学中,先以一组设疑作为前导,启迪思维:(1)做乙醇与钠反应的实验,为什么要用无水乙醇?而做醇的氧化实验时用95o/o的乙醇?(2)苯酚为什么能溶于氢氧化钠溶液?而不溶于碳酸氢钠溶液?这组实验设疑不但可以促学生边实验边思考,而且可以达到温故知新的效果。在实验过程中,我一边巡回指导,用敏锐的眼光扑捉学生心灵的信息,一边根据实验的不同阶段,巧妙、及时设疑:(1)醛与新制Cu(OH)2反应,为什么会出现蓝—绿—黄—砖红色沉淀?(2)做银镜实验需要注意什么?否者会引起什么现象?通过这组设疑,提高学生对实验现象的观察能力,训练和活跃了他们的思维。在实验小结时,将一组有一定深度的问题留给学生:(1)以实验结果归纳醇、酚、醛在结构和化学性质上有哪些共性和差异性?(2)用简单的方法区别丙三醇、乙醛、苯酚、苯甲醛。这样一环扣一环,步步设疑,步步深入,步步点拨,培养学生归纳总结和研讨问题的能力。:
又如在讲授了醇羟基,酚羟基和羧羟基的活泼性的比较后,我就要求学生通过实验验证。在我的提示下很多同学都能通过测量对应钠盐的PH值,比较三种不同羟基中氢原子的活泼性。在很多教学中我都采取了学生实验证明的方法。这样不仅增强了学生敢于质疑、敢于向友威挑战的勇气和批判思维这一创新人才必备用金素质;通过发现问题分析问题制定方案实施方案评价比较的过程,使学生科学的学习方法得到了有效的训练;通过设想方案、动手改进、展现成果的探究过程,学生享受到了成功的快乐和激发了学习热情;激起学生学习的兴趣,也很大程度提升了学生分析和解决问题能力。
达尔文曾经说过:“最有价值的知识是关于方法的指示。”方法的学习和掌握需要在教与学具体协同过程中进行,只有重视方法的教育,才能使学生学会学习,才能真正培养和发展学生智能,落实素质教育。
参考文献
徐其彬:化学教学中学生思维能力的培养《中学化学教学参考》2004.
关键词:初中生物;光合作用;概念教学
光合作用是2012年初中生物新课标凸显的重要概念之一。光合作用的知识点重要分布在七上第四章和第五章第一节,教材主要以阐述概念内涵的形式予以呈现:“绿色植物通过叶绿素捕获太阳光,利用光提供的能量,在叶绿体中合成淀粉等有机物,并且把光能转变为化学能,储存在有机物中这个过程就是人们常说的光合作用。”
教材又将光合作用的知识分解为以下几部分:绿色植物是生物圈中有机物的制造者,绿色植物通过光合作用制造有机物;光是绿色植物制造有机物不可缺少的条件;叶绿体既是生产有机物的“车间”,也是光能转变为化学能的“能量转换器”;光合作用利用二氧化碳作为原料;光合作用能产生氧气。
下面结合2012年人教版初中生物教材,谈谈光合作用的概念教学。
1.动手探究,建构概念
实验“绿叶在光下制造有机物”对于学生理解植物光合作用有很重要的意义,它既是学生接触到的第一个较为复杂的植物生理学实验,实验的各个步骤蕴含科学原理,教师带领在学生完成实验的同时,应引导学生理解其中的原理:①暗处理一昼夜:消耗绿叶中原有的淀粉。②选叶遮光:见光处和遮光处形成对照实验。③酒精脱色:使叶绿素溶解在酒中。④隔水加热:酒精是易燃物,不可直接加热。⑤滴加碘液:检验是否产生淀粉。
教材中该实验有两个结论,这也是学生感到困惑的地方,教师应引导学生分析:见光部分变蓝,说明“淀粉是光合作用的产物”;见光部分变蓝,遮光部分不变蓝,说明“光是绿色植物制造有机物不可缺少的条件”。还可以进一步探究:银边天竺葵的银边部分不含叶绿体,绿色部分含有叶绿体,请学生利用银边天竺葵设计一个实验探究“光合作用的场所是叶绿体”。学生学习小组设计实验步骤,教师评价并进行演示实验。
教材中还有“二氧化碳是光合作用必需的原料”、“光合作用产生氧气”的探究,教师应创造条件让学生完成只有让学生完成实验或进行演示实验,让学生动手探究,亲身体验,从而建构“光合作用”的概念。
2.结合实际,活用概念
农业生产中,农民经常利用光合作用的原理来提高农作物的产量,教师应将有关的实例作为教学素材有机地结合到教学中,使教学过程变得更加生动有趣,同时可以让“光合作用”的概念由抽象回到具体,帮助学生理解概念,活用概念。与光合作用有关的实例总结如下:
合理密植:充分利用光能。光是光合作用制造有机物的条件,要使植物制造大量的有机物,必须提供充足的光照。
温室大棚使用二氧化碳发生器:适当增加二氧化碳含量。二氧化碳是光合作用的原料之一,所以增加二氧化碳浓度可以提高光合作用的效率,从而提高农作物的产量。
吐鲁番的葡萄甜:吐鲁番白天光照时间长,光合作用制造的有机物多;夜间温度低,呼吸作用分解的有机物少。
金鱼缸放水草:水草进行光合作用,增加水中的含氧量,有利于金鱼呼吸。
3.精简练习,剖析概念
光合作用的概念较为抽象又容易混淆,既是七上教学的重点,又是教学的难点。教师可以有针对性地设计一些练习,对概念进行剖析,帮助学生掌握概念。可以设计以下几种题型:
判断题:①植物体白天进行光合作用,晚上进行呼吸作用。(×)②植物并不是每个细胞都能进行光合作用。(√)
选择题:①探究绿叶在光下制造有机物时,滴加碘液的目的是:A.检验淀粉是否被消化;B.检验是否产生淀粉;C.染色以便于观察细胞结构;D.对叶片进行消毒。(B)
分析题:某生物小组利用天竺葵进行光合作用的探究。实验步骤如下:①将银边天竺葵放在黑暗处一昼夜。②将甲、乙两叶片套上玻璃瓶(瓶口密封),瓶中分别装水和氢氧化钠溶液。③把天竺葵放在光下照射几小时后,打开玻璃瓶,摘下甲和乙。④将甲、乙两叶片分别放入装有某溶液的烧杯里,直接加热,脱去叶片中的叶绿素。⑤把经过脱色的叶片放入清水中漂洗。⑥将漂洗后的叶片放在培养皿里,滴加碘液,用清水冲掉碘液,观察叶片颜色变化。
请分析回答:(1)该实验的实验变量是有无二氧化碳。(2)步骤中④的溶液是酒精。该步骤中的操作方法有误,请你改正:“直接加热”应为“隔水加热”。(3)实验结论是:二氧化碳是光合作用必需的原料。(4)若该实验省略步骤①,则预期的实验结果是甲乙两叶片都变蓝。
4.归纳总结,巩固概念
学习了光合作用的相关知识点后,教师应引导学生进行归纳总结,使学生将零散的知识按照一定的逻辑、类别、结构进行重新组合,形成一个较为完整的光合作用概念。
反应式能简练、直观地表达光合作用的过程,教师根据光合作用的原料、产物、场所、条件,边复习边推导出光合作用的反应式,可以迅速帮助学生理解记忆光合作用的概念。然后,教师应指出光合作用的实质是两个方面的转变:物质转变(无机物转变为有机物)和能量转变(光能转变为化学能),并进一步引出光合作用的意义,让学生站在生物圈的高度来认识光合作用的概念。最后,引导学生比较光合作用和呼吸作用的区别和联系,对光合作用的知识再次进行梳理、比较和概括,能力得到提升,概念得以巩固。
在“光合作用”概念的教学过程中,教师应要根据学生的思维能力、心理特点及认知水平,设计有效的教学方法,引导学生充分理解和掌握概念,使学生形成一个科学的“光合作用”概念。
参考文献
化学高考中有机化学部分占分值20分左右,是高中化学的一个重要组成部分。在普通高中新课程中有机化学在两部分呈现:必修教材《化学2》中的第三章有机化合物以及选修教材《有机化学基础》,包括了烃、烃的衍生物、糖类、氨基酸、蛋白质、高分子化合物等物质的组成、结构以及性质与应用。对学生而言,有机化学是一个全新的内容。因为,自初中到高一以来学生一直学的是无机化学,进入高二后突然转变成有机化学,在内容和学习方法上与无机化学明显不同,一下子不能适应。虽然有机化学基础知识比较简单,但由于有机结构的复杂多变性、反应的机理抽象难以理解,让学生觉得有机化学难学甚至出现畏惧心理,从而形成学习上的压力,影响学习的效率。因此,有机化学的有效教学应从以下三个方面来实施。
一、做好化学实验,实施有效教学
学生对化学科目的兴趣直接影响到他们的学习效率。作为一种无形的学习动力,教师应该把提高学生学习化学的兴趣作为化学有效教学的一个重要途径。托尔斯泰曾经说过:“成功的教学,所需的不是强制,而是激发学生学习的兴趣。”作为教师,我们应想方设法将兴趣教学渗透到化学教学中去,让学生既感受到学习的动力又享受学习的快乐。从而实现有效教学,高效课堂。在课堂中,教师充满激情地用生动、形象、幽默的语言进行教学,可点燃学生的兴奋点,使学生对化学知识产生兴趣,增强学习的内在驱动力,可有效提高课堂效率。例如,在对取代反应、加成反应的概念进行讲解时可用“一上一下,有进有出”“只进不出”这样一些词语形象地描述取代反应的特点。这种形象的、富有感染力的语言使得原本枯燥的教学过程变得生动有趣,使得难以理解的概念变得浅显易懂,在活跃课堂气氛的同时又使学生对知识产生浓厚的兴趣,加深了对有机化学概念、规律的理解。
化学是一门以实验为基础的学科。合理的实验教学不仅能激发学生学习的积极性,还能培养和锻炼其思考问题、分析问题和解决问题的能力。对于简单易做的实验在条件许可的情况下,教师应让学生亲自去做(如乙醇、苯等有机物的性质等实验),也可由教师课堂演示;对于较复杂的实验,教师可通过视频呈现(如甲烷的取代反应等实验)。在有机化学教学中的探究性实验有助于学生更好地掌握物质的性质,教师可以根据教学内容的性质和教学目标的需求设计合理的探究性实验来组织课堂教学(如可让学生进行苯酚与浓溴水的实验,看到浓溴水褪色且有白色沉淀现象产生再引出问题:苯酚与浓溴水发生的是加成反应还是取代反应,如何设计实验加以证明?最后通过实验得出结论:酚羟基对苯环的影响使苯环上的氢原子变得更活泼,易被溴取代)。
二、运用现代技术,促进有效教学
传统化学教学中,由于知识点较多且零散、板书多、容量少、课时拖延,使得课堂教学死气沉沉、缺乏活力,导致效率低下。如今,多媒体教学辅助技术的快速发展使得枯燥乏味的讲课转变为将图片、文字、声音等有机组合在一起的授课过程。化学课堂从静态变为了动态,从抽象变 为了具体,更生动、更形象、更直观地从不同方面对学生进行了感官刺激,激发了学生的学习兴趣。同时又在潜移默化中让学生学习到了新的知识,使有机化学知识中一些难以理解的反应机理变得直观易懂。此外,多媒体技术在有机物空间构型、原子的共平面等问题中的用处很多,例如CH1空间构型为正四面体结构,仅从书本、图片、模型中很多同学不一定能看出来,但利用多媒体动画将空间结构中的几个原子连起来,学生一下子就明白了。
分子结构模型在有机化学知识的学习中也有着重要的作用,可以培养学生的空间想象能力。有些立体感很强的有机结构可利用球棍模型帮助学生了解分子的立体结构和原子的相对位置;在同分异构体教学中也可利用模型让学生亲手操作,了解书写同分异构体的一般规律。这种看得到摸得着的直观的教学手段更能激发学生的学习兴趣,提升学习效率。
三、联系生活实际,丰富有效教学
关键词:含义;影响合情推理;考查;体现与运用;结论
一、合情推理的含义
合情推理这一概念是美籍匈牙利数学家、教育家波利亚在他的名著《数学与猜想》中提出的。波利亚的教育思想影响了世界上许多国家的数学教育,我国21世纪的数学课程改革也深受其影
响。笔者认为,从逻辑学的角度来看,合情推理有助于科学发现。
那么,到底什么是合情推理呢?这个问题要做出一个很清晰的界定是有困难的。但根据笔者的了解,合情推理的主要特征大体如下:①合情推理区别于论证推理和演绎推理;②合情推理为猜想提供依据;③论证推理是可靠的,合情推理是有风险的;④论证推理用于证明,合情推理用于发现;⑤有效地应用合情推理是一种实际技能,需要通过模仿和练习来学会。
以上是我对合情推理的简单描述,下面我们来看一看它对化学的影响,同时也帮助读者更直观地理解这一概念。
二、合情推理对化学的影响
合情推理虽然是数学家提出的一个概念,在数学上有着广泛的应用。但与此同时,它也适用于其他学科,特别是自然科学领域。那么,化学作为自然科学的核心学科,它的发展自然也少不了合情推理的贡献。随着科学技术的不断发展,到19世纪60年代,化学家发现的化学元素增加到了63种。直到1969年,俄国科学家门捷列夫发表了论文《元素性质和原子量的关系》,谜团才逐渐解开。他在论文中写道:“我从最小的原子量选取元素,把它们按原子量大小的顺序排列,发现元素的性质好像存在着周期性,甚至元素的化合价也是一个接一个按它们原子量的大小形成算术的序列。”后来门捷列夫沿着这个思路编制了元素周期表,预言了类似硼、铝、硅等未知元素的性质,并为这些元素在元素周期表中留下了空位。他在周期表中没有完全按照相对原子质量数值由小到大的顺序排列,并指出了当时测定某些元素的相对原子质量数值有错误。若干年后,他的预言都得到了证实。
门捷列夫科学地发现过程就是进行合情推理的过程:首先,
有一大堆复杂的看似并不相关的材料——63种元素的相对原子质量和性质。然后,将材料按照一定的顺序(相对原子质量)进行排序、分类、比较,将相类似的归并为一类,发现类似性质的元素之间总是隔着一定数目的元素,通过归纳发现元素的性质可能存在着周期性,进而大胆猜想元素的性质可能表现在它们的相对原子质量上。论文中清晰地记录了门捷列夫发现元素周期律过程中的思维变化,中间充满了想象和猜想。
三、有机化学中的合情推理
有机化学作为化学学科的一个重要分支,已经有二百余年历史了。但到目前为止,不管是研究有机物的结构,还是研究有机物的性质,或是研究有机物的合成,在研究过程中都充满了猜想,所以,进行合情推理就显得格外重要了,如DNA结构的确立过程。当时,沃森和克里克提出的DNA双螺旋结构只是合情推理的一个产物,因为那时还没有完全能够证明此观点的实验数据。我们试想,如果他们一定要等到“证据确凿”才敢公布的话,我想那DNA双螺旋结构这个具有里程碑式的发现早就归别人所有了。
综上所述,合情推理不仅推动数学的进步和发展,而且也同样推动了化学的进步和发展,特别在有机化学领域,进行合情推理显得尤为重要。所以,我们高中有机化学的考查与此密切相关。
四、合情推理在高中有机化学考查中的体现与运用
高中有机化学的考查内容较为广泛,不仅包括有机物研究方法的考查,还有一大批具有代表性的有机物结构和性质的考查,但是,不管考查的内容是多么的不同,考查的能力却大多集中在“推理能力”上,这一点在近几年的高考中体现得非常明显。具体在考题中所涉及的“推理能力”主要分为两类:一类是演绎推理,学生在推理过程中,只要知识和逻辑正确,结果是没有风险的。学生在这类题的解答过程中感觉是较为“放心”的;另一类则是合情推理,根据现有的不够充足的证据和自己的经验进行猜想和判
断,并对自己的猜想和判断承担风险。学生在这类问题的解答过程中感觉是“不安”的。
从考查能力要求上来看,合情推理比演绎推理要求更高;从科学创新的角度来看,合情推理的考查比演绎推理的考查更有意义。因此,本文接下来将重点探讨的就是有机化学中涉及合情推理的考查以及如何采用合情推理来解决问题。
我们先来看一道2007年全国理综卷II的高考题:
仔细分析下列表格中烃的排列规律,判断排列在第15位烃的分子式是什么?
在解答本题时,我们不得不用到不完全归纳法进行推理:已知1-3三种烃的碳原子数均为2,氢原子数分别为2、4、6;4-6三
种烃的碳原子数均为3,氢原子数分别为4、6、8;7-9三种烃的碳
原子数均为4,氢原子数分别为6、8、10。因此,推知10-12三种烃的碳原子数均为5,氢原子数分别为8、10、12;13-15三种烃的碳原子数均为6,氢原子数分别为10、12、14……我们非常顺利地顺着这个思路,合情地得出了我们需要的结果。但是,严格地讲,此结果并非是排他性的,它只是从某一个角度入手的不完全归纳的结果,它是不能完全得到证明的,所以,此结果是有风险的。这里的不完全归纳推理就是从特殊到一般带有猜想性质的推理,属于合情推理的范畴。所以,此题正是考查学生进行合情推理的能力。读者读到这里可能会觉得合情推理的运用似乎并不是很难,不要着急,我们接着往下看。
这是一道2008年天津的高考题:某天然有机化合物A仅含
C、H、O元素,与A相关的反应框图如下:
看完上面的框图你就会发现,此题没有一个明确的物质可以作为演绎推理的起点。因此,此题一开始就必须运用猜想和可能性的不完全归纳等合情推理形式进行推导。具体如下:在推导时,首先要解决的一个问题就是起点的选择。在框图中,物质A、D、E、G、P和S都有一定的信息提供,但经过合情推理,我们发现G的分子结构的可能情况最少,它只有两种情况:
而其他物质的可能性都非常多,因此,选择G作为推理的起点相对最为合理。接下来我们对G的两种结构形式分别进行演绎推理,在推到物质E时,我们发现如果G的结构是第二种情况,那么符合条件的E将不存在。由此,我们才能真正确定G的结构。G一旦真正确定,其他物质就可以通过演绎推理较为“放心”的得出。因此,合情推理在这里起了具有“发现”意义的作用。这道题目中G的猜测和论证过程与DNA双螺旋结构的猜测和论证过程极为相似,后者也是先通过合情推理得出可能的情况(双螺旋结构),并公开发表,然后大量的科学家论证其真实性。
以上例子就是高中有机化学中关于合情推理考查的典型代表,像这样的考查类型在有机化学的高考题中举不胜举。
如,2009年天津理综卷的一道题目:请仔细阅读以下转化关系:
A是从蛇床子果实中提取的一种中草药有效成分,是由碳、
氢、氧元素组成的酯类化合物;B称作冰片,可用于医药和制香精、樟脑等;C的核磁共振氢谱显示其分子中含有4种氢原子;D中只含一个氧原子,与Na反应放出H2;F为烃。
此题中物质F结构的确定是解决整道题目的先决条件。对于F结构的推导也必须经历这样的过程:利用已知的分子量和E到
F的转化条件对F进行合情推理,得出多个可能性结果:分子式为C5H10的所有烯烃(共5种),然后利用C、D和E之间转化的框图及已知对C和D的描述进行推理论证和排查,最终得到唯一的确定性结果。此过程简单来说就是:合情推理—可能性结果—推理论证—确定性结果。
通过对此例的分析,我想关于有机化学考查中合情推理的体现和运用不需要再重复举例,读者自己感兴趣可以做更大量的研究,相信能给出更多的范例,供我们分析。但我们都知道,无论多少例子给我们分析,我们得出的结论始终是“不可靠”的,带有“猜想”的,因为它始终是不完全归纳的结果,属于合情推理的范畴。
最后,我也给读者一个带有合情推理的结论。
五、合情推理的结论
高中有机化学主要考查学生的能力,而考查的各种能力中又以推理能力为主,推理能力主要包括演绎推理和合情推理,其中合情推理比演绎推理要求更高。所以,我们必须在平时的有机化学教学中不断渗透合情推理的思想,把合情推理作为区别于演绎推理的一种理论向学生介绍,为学生在解决有机化学问题的过程中提供理论支持。
在具体的教学中,要让学生学会高效、正确的解决高中有机化学考查中的一些问题,我觉得必须按照此过程进行分析:合情推理—可能性结果—推理论证—确定结果。
以上是我经过有限的分析与研究得出的结论,属于合情推理的范畴,若要使此结论真正属实,需要同行作更多的研究。
参考文献:
[1]G.波利亚.数学与猜想:合情推理模式.科学出版社,2005-06.