模型思维的培养与思维模型的构建教学设计

容建雄

【摘要】高中化学的核心素养是学生应当具有化学学科特质的关键能力和品格，是现代社会公民必备的科学素养。在普通高中化学课程标准对化学核心素养的概括中有一项为“证据推理与模型认知”，模型的认知与建立在化学学科中占据重要的位置，它是思维提升的产物，因此，我们应当在教学中让学生自觉地形成自己的思维模型。

【关键词】高考化学;同分异构体;模型思维;思维模型

一、研究背景

在历年全国卷高考中，有機化合物同分异构体的数目与书写是一个重要的部分，一般占4-10分，常在选择题和选做题中考察。并且在许多学校的教学计划中，他们往往选择选修有机化学而不是结构化学，笔者通过研究2015至2019共五年高考题中有机化学部分，发现同分异构体的主要考查类型为芳香类化合物、二元取代物和一元取代化合物。因此，笔者认为，教师有必要对这三类物质同分异构体数目以及书写上加大重视。解决同分异构体类型的方法有很多，思维模型教学是解决该类题目的有效方法之一，笔者以高考题为主题，用简单教案的形式呈现思维模型在高三同分异构体解题教学。

从上图我们可以发现，选择题中一般考查一元取代和二元取代，此类题目比较基础，只要求得到同分异构体的数目，并且数目不会太多，而选做题往往考查的是二元取代和芳香化合物，有些时候还伴随着酯类化合物的考查，此类题目往往会加入限定条件，除了让考生写出同分异构体的数目，还要按要求写书一定数目的同分异构体，此类题目会比较难。但是如果把证据推理与模型认知的核心素养教学落实到同分异构体的高三教学中，会有很好的效果。

二、设计思路

以广东近五年高考中，同分异构体的考查不仅是一个重点且是一个难点为事实证据，让学生认识到同分异构体的数目与书写的重要性，再以高考题中一元取代为开端，定一移一结合书写同分异构体的有序性思维为基础，引入思维模型（基元法），再以二元取代为过渡，强化学生建立思维模型的意识，加深认知，然后让学生自我总结归纳出苯环的思维模型，最后用变式题加以巩固。

三、教学流程

1. 环节1——“同分异构体”的重要性

【展示图片】近年同分异构体为高考热点一般在试卷中占4-10分，同时他也是高考难点，许多考生在考试时频频失利，出现漏写错写或者是不够时间写等情况。今天我们的目标就是突破这个重点难点。

【提出问题】那么，该究竟如何才能准确的写出同分异构体呢？

【学生活动】学生思考，各抒己见，互相讨论

2. 环节2——旧方法的复习与新思维的引入

【例题引入】

例题1.[2014年高考全国Ⅱ卷第9题.改]某烃类有机物的结构简式如下图所示，其一氯代物有________种。

【例题目的】复习等效氢法，强化对称性和有序性思维。

例题2. [2016年高考全国Ⅰ卷第9题C选项] C4H9Cl有________种同分异构体。

方法1.等效氢法

丁烷有2种结构

（1）正丁烷CH3CH2CH2CH3有2种等效氢，（2）异丁烷CH3CHCH3有2种

等效氢，所以丁烷的一氯取代C4H9Cl共有4种同分异构体。

【引起思考】该方法要先写出丁烷的所有结构，再结合对称性找到等效氢的数目，从而得到丁烷一氯代物的数目。对于碳原子数较少的情况，花点时间还能把同分异构体写出来，但是对于碳原子数较多的题目不太方便。因此我们能不能找到节约时间的方法呢？

【模型思维的引入】方法2.以等效氢法为基础的思维模型

C4H9Cl可以看做是丁基（-C4H9）与一个取代基（-X）结合

丁基存在以下4种结构（省略H）①-C-C-C-C;②C-C-C-C;③-C-C-C; ④C-C-C

所以丁基（—C4H9）与一个取代基（—X）结合共有4种同分异构体。

【过渡】那么甲基，乙基，丙基，戊基又有几种结构呢？各位讨论一下，形成5碳以内烷基的基元结构，并请同学在黑板上写出戊基的所有结构。

【总结展示】

【例题目的】由等效氢法解决碳原子较多的一元取代时比较麻烦的矛盾作为证据，引起学生思考，过渡到基元法，由一般的解题思维上升到思维模型，再利用例题3强化思维模型的认识。

【习题巩固】例题3[2015年高考全国Ⅱ卷第115题] 分子式为C5H10O2且可与碳酸氢钠溶液反应放出气体的有机化合物有（ ）

A.3种B.4种C.5种 D.6种

环节2目的：分析可得本题是丁基与羧基结合，所以有4种同分异构体，答案选B。

思维模型的形成需要在学生思考讨论之后得到，这个过程能够加强学生对思维模型的认识，同时自己得出的结论，印象更深，再利用例题强化学生认识，同时也让学生在解题过程中因能够快很准的解题找到成就感。

3.环节3——模型思维的强化，思维模型的建立

【过渡】同分异构体二元取代的引入：考试中常考的除了是有机物的一元取代外，从一开始的表格中我们也可以看得出，二元取代也占据着一个非常重要的位置，那么我们是否能够像一元取代的烷基一样，总结出二元取代的思维模型呢？

【例题引入】例题4.[2016年高考全国Ⅱ卷第10题） 分子式为C4H8Cl2的有机物共有（不含立体异构）（）

A.7种         B.8种

C.9种         D.10种

方法一（复习）：定一移一法，引导学生思考烷基被二取代是否也可以总结出模型来。

方法二：以定一移一法为基础的思维模型：利用定一移一法可以归纳出丁烷被二元取代时，共有9种同分异构体，即C4H8Cl2有9种。

提问：那么C4H8BrCl是否也有9种结构呢？

例题5[2019年高考全国Ⅱ卷第13题].分子式为C4H8BrCl的有机物共有________种

A.8种B.10种C.12种D.14种

【例题目的】复习定一移一法，强化模型思维，加强思维模型的构建能力

学生讨论总结出4个碳原子以内的烷烃二元取代的思维模型，并请学生在黑板上画出C4H8BrCl的所有同分异构体

练1. [2015年高考全国Ⅱ卷第36题（5）] D（HOOCCH2CH2CH2COOH）的同分异构体中能同时满足下列条件的共有      种（不含立体异构）（丙烷二取代XY型，5种）

①能与饱和NaHCO3溶液反应产生气体

②既能发生银镜反应，又能发生水解反应

【过渡】更贴近高考：高考同分异构体的数目与书写中，36题往往考查的是芳香族化合物，不仅仅要按要求写出同分异构体的数目，还要写出特定条件下的同分异构体，是同分异构体题型中最难的一点，现在请同学自行归纳出芳香族同分异构体的思维模型，完成下列表格，思考后遇到问题可以与附近的人讨论一下。

PPT展示

苯的三元取代（XXY）同分异构体数目的获得

（1）先定位相同的取代基（可防止出现重复多算），找到对称轴

（2）再在苯环上插入取代-Y

再次强调基础思维——对称性思维和有序性思维，加强对思维的认识才能更好的得到思维模型

【真题重做】例题6[2017年高考全国Ⅲ卷第35题]H是G（                 ）的同分异构体，其苯环上的取代基与G的相同但位置不同，则H可能的结构有   种。

（苯的三元取代中XYZ类型，共10种同分异构体，减去G，故有9种，答案为9）

练习2. 具有一种官能团的二取代芳香化合物W是E（                      ）的同分异构体，0.5molW與足量碳酸氢钠溶液反应生成44gCO2，W共有   种（不含立体异构）

分析：化合物W含有2个羧基，另外还有两个碳原子，是二取代芳香化合物，无论是XX型还是XY型，基本同分异构体数目都是只有邻间对三种。再分类讨论，羧基直接连苯环和羧基不连苯环，可得（羧基为X）。

所以同分异构体的数目为4×3=12种。

巩固作业1.化合物M的芳香类同分异构体有     种，其中有3种不同化学环境的氢，个数比为3：2：2的结构简式为。

分析：从同分异构体书写的有序性思维出发，我们可以按顺序写出苯环的一元取代物、二元取代物、三元取代物、四元取代物。

一元取代物：苯环与丁基相连，根据之前总结的思维模型可得丁基有4种同分异构体，所以一元取代同分异构体数目为4-1=3种（减去化合物M）。

二元取代物：根据思维模型二元取代物无论是XX型还是XY型都有邻间对三种同分异构体，两个取代基可以是（1）甲基和丙基;（2）两个乙基，同分异构体的数目有3*2=6。

三元取代物：两个甲基与一个乙基，XXY型，共6种。

四元取代物：四个甲基，即为二元取代，共3种。

综上所述，同分异构体的数目为18种。

有3种不同化学环境的氢，个数比为3：2：2，因化合物M共有14个H，所以个数比为6：4：4，6指的是有2个相同的甲基，结合M的结构，要出现两个4，只能是苯环上对称的4个H以及两个相同的乙基，所以结构为。

四、教学反思

本节课主要通过数据统计作为引入，给学生带来冲击，让他明白同分异构体在化学高考中的分量，有利于学生一开始就认真起来，专注听讲。本节课以高考题真题或真题改编作为例题和练习，能够拉近学生与高考的关系，这能够让部分学生摆正心态“其实高考并没有想象中那么难，只要有方法”“其实高考题的确不容易，因此需要寻找更好的方法”……虽然本节课内容比较多，题目量比较大，但是在设计时题目由难到易，题型由简单到复杂，寻找的例子也是常见的例子，因此在推进过程中比较顺利，学生的主动参与意识比较强，小组内的协作氛围比较好，并且课堂上主要让学生在老师适当的引导后，主要通过自主探究，合作讨论的形式强化自己的思维和获得思维模型，因此能够加深学生对模型思维和思维模型的认识，并强化自己对思维模型的运用。

当然本节课扔存在一些问题，题目量较大，部分学生未能较快的完成学习内容，学生模型思维意识薄弱，因此在总结出思维模型的时候回花比较多的时间，因此最好事先培训好一些学生，如小组长，让小组长引导小组成员一起学习，共同进步。

化学是理科，对于理科生来说，最终要就是培养其思维能力，作为理科老师，我们应该要在课堂上有意识的培养学生的思维能力，模型思维就是其中一种，在设计教学环节时，要注意多引导学生，让学生多思考，多总结，提高化学的核心素养。当然以上教学设计只是基于本人一些不成熟想法形成的教学设计，希望能够对各位化学人有一定的帮助。