基于认知模型建构的大概念教学
——以“有机物分子中基团间相互作用”的教学为例
【课标要求】
1.认识官能团与有机化合物特征性质的关系,认识同一分子中官能团之间存在相互影响。
2.认识有机化合物分子中共价键的类型、极性及其与有机反应的关系,知道有机化合物分子中基团之间的相互影响会导致键的极性发生改变,从化学键的角度认识官能团与有机化合物之间是如何相互转化的。
【教学目标】
1.通过常见有机物性质,知道同一分子中官能团之间存在相互影响。
2.通过对乙醇、苯酚、甲苯中共价键的类型、极性及其与有机反应的关系,知道有机化合物分子中基团之间的相互影响会导致键的极性发生改变。
【评价目标】
1.通过对金银花中绿原酸性质的预测诊断学生对有机物性质的预测能力。
2.通过对水、乙醇、苯酚的羟基性质差异分析,诊断并发展学生基团间是存在相互影响的认知思路,发展认识基团间的相互作用影响键的极性。
3.通过分析讨论维生素C的结构以及水杨酸的合成方案设计,诊断并发展学生从化学键层面依据化学键的断裂方式认识有机化合物的性质。
【教学过程】
教学环节 |
驱动问题与任务 |
教师活动 |
学生活动 |
设计意图 |
创设问题情境 |
自新冠肺炎疫情发生以来,中药连花清瘟等发挥了重大作用,“连花清瘟”中的连是连翘,花是金银花,金银花富含绿原酸,绿原酸具有抗菌、抗病毒、保肝利胆、降血压、降血脂等作用。其结构简式如图所示 ,请同学们预测绿原酸具有哪些化学性质?你的依据是什么? |
①PPT展示金银花中的绿原酸结构,引出问题。 ②在同学们回答的基础上进行设疑。 绿原酸的性质就是这几个官能团性质的简单叠加吗?
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学生预测性质 |
通过生活中的材料展示,让学生切实感受化学物质在生活中的重要性,并基于此真实问题情境假发学生的探究欲望,并让学生暴露将各官能团性质进行“简单叠加”的思维方式,产生认知冲突,为后续学习提供铺垫。 |
认知模型建构 |
分析对比甲烷、甲苯、苯的性质差异?从中你获得哪些启发? 【任务1】羟基为什么是分子的活性中心呢?通过乙醇中C—H键与O—H键键长和键能数据以及H、C、O元素电负性数据得出结论:共价键的极性影响基团的活性。 【任务2】羟基氢的活泼程度如何?通过电离常数数据,得出羟基氢的活泼程度:苯酚>水>乙醇,从而得出:基团间的相互作用影响键的极性。 【针对性练习1】从化学键的极性变化角度分析:HClO、HClO2、HClO3、HClO4酸性依次增强的原因。
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围绕问题情境展开任务探究。引领学生明确1.共价键的极性影响基团的活性。 2.基团间的相互作用影响键的极性。
教师提供元素电负性数据。 已知常温下Kw=10–14,K(乙醇)=10–30,Ka(苯酚)=10–10。
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在教师引导下,围绕问题任务交流讨论,解决相关任务。
学生通过数据分析,得出结论:无机含氧酸中非羟基氧的数目越多酸性越强 |
让学生深刻领悟到事物间的普遍联系,初步建立观念。
通过任务1、任务2、针对性练习1的探究,构建发展认识有机物的认知模型。 |
认知模型巩固 |
拓展视野:1.电子效应:在大多数反应中,由于取代基(与氢原子相比)倾向于给电子或是吸电子,使分子某些部分的电子密度下降或上升,使反应分子在某个阶段带有正电荷(或部分正电荷)或负电荷(或部分负电荷)的效应。 电子效应可以通过多种方式传递,如诱导效应、共轭效应、场效应等。 2.诱导效应:在分子中引进一个原子或原子团后,可使σ键电子沿着原子链向某一方向移动,使整个分子中的成键电子云密度向某一方向偏移,使分子发生极化的效应。 3.共轭效应:在单键与不饱和键交替排列的体系中,或者带有未共用电子对的原子直接与π键相连的体系中,π 轨道与π轨道或者p轨道与π轨道之间存在着相互的影响与作用,成键电子(π、p电子)不仅受到成键原子核的作用,也受到分子中其它原子核的作用,因而分子的能量降低,体系趋于稳定。共轭效应通过共轭体系交替地传递到另一端,如:共轭间位基团,苯环间位电子云密度大:–NO2、 –CN、–COOH、–CHO、–COR等。共轭邻、对位基团,苯环邻、对位电子云密度大:–NH2、–OH、–R、–X等。 4.吸电子基团:吸引电子能力(电负性较大)比氢原子强的原子或原子团(如:–NO2、–CN、–COOH、–CHO 、 –X、、 –OCH3、–OH、 –C6H5 、 等) 5.推电子基团:吸引电子能力比氢原子弱的原子或原子团[如:烷基(CH3)3C·>(CH3)2C·>CH3CH2·>·CH3>H·]。
【迁移应用1】液相中,测定一元醇的的酸性次序为如下,请根据所学知识解释酸性顺序。 CH3OH>CH3CH2OH> 【链接高考】(2022年山东高考16题节选) 的碱性随N原子电子云密度的增大而增强,其中碱性最弱的是______。
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了便于理解,我们引入电子效应、诱导效应、共轭效应、吸电子基、推电子基的概念。
教师简要解析,帮助学生
引导学生思考、讨论。 进一步巩固对诱导效应、共轭效应、吸电子基、推电子基的概念的理解。 |
引导学生通过提供信息素材,深度理解化学键极性影响其活性,基团间的相互作用影响其极性。
学生记忆常见基团间的相互影响。
学生根据拓展视野所学内容能更加快速的切入解决问题。 |
通过任务驱动,引发学生深度思考,基于数据证据分析,得出结论。运用结论逆向思维,解决问题,诊断评估学习效果。通过拓展视野,培养学生现场学习力,从一般问题中上升到理论高度,建构认知模型,让学生知其所以然。
通过迁移应用和链接高考,基于认知模型,从同化的角度巩固模型。 |
应用认知模型
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【任务3】羟基对其他基团有何影响? (1)为何乙烷很难被一般氧化剂氧化,而乙醇却可以被氧化为醛或酮? (2)苯酚中的羟基是如何影响苯环的? 【针对性练习2】 从结构的角度解释:为什么甲苯比苯更容易发生硝化反应?为什么甲苯能使高锰酸钾溶液褪色而苯不能? 【迁移应用2】 1.从结构的角度解释烯烃、炔烃、羧酸的a-H容易与Cl2发生取代反应。如:CH3CH=CH2、RCH2COOH(教材p90) 2.丙烯可用于合成杀除根瘤线虫的农药C3H5Br2Cl,请根据提示信息,完成这两步反应的化学方程式,并注明反应类型。
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倾听、追问、纠正。
巩固甲基、–NO2、–COOH、 –X、 –C6H5 、的电子效应,深度理解有机物的性质。 |
小组合作,讨论交流,代表汇报,相互补充。
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帮助学生从化学键的极性角度、电子效应角度认识有机反应,进一步体会有机反应认知模型。 【任务3】使学生明确羟基对苯环等基团产生影响。
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认知模型发展 |
【任务4】观察维生素C的结构,预测性质。你认为它的酸性和强还原性是哪部分结构或官能团体现出来的?
【学以致用】以甲苯为原料,设计了如下两种合成水杨酸的方案,请分析方案存在哪些缺陷?已知羧基为间位定位取代基。
优化方案:哪位同学有好的办法对方案2进行优化?已知:磺酸基( —SO3H) 是间位定位取代基,易发生水解反应。
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倾听、追问、纠正。 |
小组合作,讨论交流,代表汇报,相互补充。 通过【任务4】巩固基团间的相互作用对化学键极性的影响。
通过【学以致用】巩固官能团的定位效应。 |
完善建构模型中反应类型、物质变化、影响因素、反应选择性4个核心要素。 通过问题的解决,实现认知的进一步提升,加深对基团间相互影响对有机物的性质及有机合成的影响。 |
评价反思 |
引导学生进行课堂小结 |
请学生根据本节的学习谈一下本节课的收获 |
概括整合本节内容 |
通过本节课的学习让学生从本源上理解基团间的相互影响 |
课后作业 |
1.利用本节课的收获去解决你在预习学案中尚存的问题。 2.完成合作探究学案上【巩固提升】的题目。 3.探究为什么水杨酸酸性较强?在确保药效的前提下,如何改变结构,降低水杨酸的酸性?
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【教学反思】
1.本节课的教学设计以问题驱动的方式展开,围绕真实情境中的典型物质展开知识的探索过程。整个教学过程以真实情境的问题解决为学习的明线,以化学键的极性及基团间的相互影响为知识学习暗线,引导学生构建“有机物分子中基团间相互作用”的认知模型,教学思路清晰、流畅。
2.本节课将“基团间相互作用”的思想转化为“创新意识”素养。教学的关键点:一是建构“基团间相互作用”的思维模型,将有机物性质的外在表象与基团间相互作用的内在实质建立起了联系,外在表象往往是人们对有机物性质的实际需求,是人们面临的实际问题,如:控制甲苯与溴发生取代的活性位置是实际需求,认识模型的建立使学生能够快速、敏锐地将这一问题与基团间相互作用建立起联系, 使之联想到通过引入其他间位定位基来解决问题。二是系统规划学生能力发展的水平及学习活动类型。事实上,绝大多数学生“创新意识”素养的形成都需要循序渐进的能力培养过程,借助于任务类型多样化的学习活动,尤其是解决陌生情境下的实际问题才能最终实现知识→能力→素养的发展和转化。