基于學科理解的“醛酮”教學設計實踐與反思

黃燕

一、教學主題內容分析

課程標準要求基于官能團、化學鍵的特點與反應規律分析和推斷含有醛基的有機化合物的化學性質，以此完成有機推斷與合成路線的設計。對于醛酮，從知識層面看，它是構建有機化學知識體系及官能團之間轉化的知識結構的關鍵環節；從學科功能上看，它具有承載烴的不飽和含氧衍生物認識方法的功能；從學科價值上看，它承擔著建構認識不飽和極性有機物的結構與性質思維方式的重任。怎樣對“醛酮”內容進行學科理解？

1.本原性方式

有機物由碳骨架和官能團構成，官能團是決定有機物特性的原子或原子團，因此官能團是認識有機物的重要視角。羰基是烴的含氧衍生物的基礎性官能團，是認識醛基、羧基、酯基、酰胺基等官能團結構特征的基礎。因此在對“醛酮”一節進行教學設計時，立足于羰基才能發揮羰基的化學學科功能，對羰基的結構特征的分析具有遷移功能。

化學鍵是認識有機物結構特征的重要視角，如何從化學鍵的角度認識羰基呢？從化學學科理解來看，羰基是由電負性不同的碳、氧2種元素構成，表現出較強的極性；羰基屬于不飽和鍵（雙鍵或三鍵），碳氧之間形成的π鍵體現了羰基的不飽和性。所以羰基的學科功能價值是構建不飽和極性鍵的認識思路。同樣含有羰基，醛酮放在一個節學習，但又不屬于同一類別的物質，那醛酮之問必然有一定的聯系和差異，由此“如何基于不飽和極性鍵認識羰基的結構與性質”“如何基于羰基的結構認識醛酮的性質”“如何基于鍵的極性認識羰基與鄰近基團的相互影響”抽提為本節課的學科本原性問題。

2.結構化方式

有機物數量眾多，教材編排順序為什么從烴到烴的衍生物？而對于烴的衍生物，為什么從鹵代烴、醇酚、醛酮到羧酸及其衍生物？因為學生通過烯烴、炔烴等不飽和烴性質的學習，構建起了認識有機物化學鍵的空間結構特征的重要視角——軌道間的相互作用；通過鹵代烴和醇的性質學習，構建起認識有機物化學鍵電子對是否偏移的重要視角——極性；通過苯的同系物及苯酚的性質學習，構建起影響有機物化學鍵極性的重要視角——鄰近基團的推（拉）電子效應。為什么有機模塊是放到高中階段最后一個版塊學習？因為有機物性質的學習需要有結構模塊和原理模塊知識和思維作為基礎。

醛酮結構的相似性在于羰基，結構決定了兩者發生在羰基上的反應是相似的；差異性在于與羰基所連的是氫原子還是烴基，所以兩者性質的差異性主要體現在與羰基相連的原子或者基團上。醛酮性質的學習，本質上是對前面有機物性質學習中構建起來的認識視角和思路的深化與綜合運用，同時也為羧酸及其衍生物等物質的學習提供認識思路和模型。

通過對學科知識及其思維方式的本原性、結構化系統性的認識后，從中抽提出學科本原問題，在學科理解本原性問題的驅動下，聚焦學科思維，學生在分析與解決真實情境下的復雜問題的過程中，自主構建起基于鍵的飽和性和極性預測有機物性質的思維模型。

二、教學過程

活動一 認識羰基

[展示]生活中有特殊香味的物質，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性官能團。

[師]從軌道重疊方式（即鍵的飽和性）和共用電子對偏移（鍵的極性）2個角度分析羰基的結構，并預測其性質。

[生1]羰基中碳原子為sp2雜化，碳和氧的電負性差值較大，碳氧鍵是強極性鍵，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，羰基中共用電子對會強烈偏向于氧，使氧呈負電性，碳呈正電性。所以羰基的結構決定了它更愿意與極性試劑加成。

設計意圖：“哪兒想”“怎么想”，是基于學科理解的化學學科思維方式內涵的2個重要方面一學生在新知識的學習與知識背景、邏輯認知和學習經驗中認識羰基，形成新知識的結構體系，更深刻認識知識間的邏輯關系。

活動二 認識醛酮的加成反應

[師]乙醛和丙酮分子中都有羰基，請預測兩者發生在羰基上的反應。

[生1]教材上說乙醛、丙酮均能與H2加成，預測出問題了？

[生2]我們預測的是更愿意，也沒說不反應啊。碳氧雙鍵畢竟是不飽和鍵，苯的大π鍵那么穩定，在一定條件下都能與H，加成呢！所以乙醛或丙酮與H，的加成應該會比烯烴難。

[師]說得很好。烯烴加氫可在低壓和室溫下進行，醛酮中羰基加氫則往往需要加壓和加熱。

[提問]HCN是極性試劑，預測乙醛、丙酮與HCN的反應，并說明理由（如圖1所示）。

[師]反應生成的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。

[評價]設計以丙酮為原料制取有機玻璃的單體——2-甲基丙烯酸甲酯的合成路線。

[師]H2O也是極性、試劑，請預測甲醛、乙醛、丙酮與H2O的反應。

[生]加成產物中2個羥基連在同一個碳上不穩定，又會重新轉化為醛基或者酮羰基。

[師]兩者存在平衡關系，根據牛津大學Jona-than Clayden等教授編寫的《ORGANIC CHEMIS-TRY》教材中的K值數據，請分析以下反應的K值并解釋原因。

[生]醛酮能與水發生加成反應，但程度不同。羰基的極性受到與其相連的基團的影響。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，與水反應的化學方程式為：

請預測K4和K2，K5和K3的相對大小并說明原因。以上反應K值的大小，給你什么啟發。

[生]K>K2，K5>K3，CI和F都是拉電子基，增強碳氧雙鍵的極性，使其更易與H2O發生加成反應。

[啟發]羰基中碳氧鍵的極性會受到鄰近基團的影響。

[師]分析合理?！禣RCANIC?CHEMISTRY》教材中給出的數據是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狀葡萄糖之間的平衡，其中絕大部分葡萄糖為環狀結構（如圖2所示）。請解釋環狀葡萄糖是如何形成的。

[生]含有羥基的物質（比如醇）也是極性試劑，鏈狀葡萄糖中的5號碳上的羥基與羰基加成形成穩定的六元環。

[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，進入細胞后與R-NH，的反應（如圖3所示），從而使蛋白質失去活性。

[師]純凈的乙醛中沒有單個乙醛分子，且其相對分子質量測出來比分子式顯示的要大，這是因為乙醛分子中的α-H具有一定的活潑性，在一定條件下會與羰基發生加成反應。繪圖并說明理由（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，易斷裂。

[生2]β-羥基醛脫水后形成更穩定的單雙鍵交替的共軛結構。

[師]像分子內含有α-H的醛（或酮）在一定條件下發生上述反應的，被稱為羥醛縮合反應，是一種常見的增長碳鏈的方法，在有機合成中有非常重要的作用。

[評價]請設計以乙烯為原料合成正丁醇的合成路線。

[提問]苯甲醛分別與丙酮和3-戊酮反應的化學方程式和結果如下。請分析兩者反應差異的原因。

實驗1：兩者混合后在室溫下反應15min得到產品，產率達80%；

實驗2：兩者混合后60C反應1h，幾乎沒有得到目標產物。

[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，推電子效應增強，α-C上C-H鍵的極性減小，不易斷裂，表現為α-H活性降低。

[總結歸納]談談你對醛酮發生在羰基上的反應的認識。

[生1]羰基易與極性試劑發生加成反應，極性試劑中呈正電性的原子或原子團連接在氧原子上，負電性的原子或原子團連接在碳原子上。

[生2]羰基的極性也會受到鄰近基團的推電子或拉電子效應的影響。

[生3]羰基增強了α-H的活性，而α-H的活性又會受到鄰近基團的影響。

設計意圖：當把HCN分子抽提為“極性試劑”時，就產生了學科本原性問題：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就成為了認識視角，承載著素養功能。課堂活動中創設解釋類活動，是促進學生學科理解的有效方式。為了尋求合理解釋，學生調用化學學科特有的知識和思維對數據和實驗條件進行分析，從化學視角去探究、分析和解決問題，體驗豐富的化學內涵和本質，促進了知識的結構化，培養了科學思維。

活動三 認識醛酮的氧化反應

[師]醛和酮發生在羰基上的反應是相似的，但與羰基相連的原子或基團不同，會導致它們的性質有哪些差異呢？

[演示實驗]

實驗1：教材實驗[實驗3-7]

實驗2：將[實驗3-7]中的乙醛換成丙酮

實驗3：教材實驗[實驗3-8]

實驗4：將[實驗3-8]中的乙醛換成丙酮

[師]請對實驗1和2，實驗3和4的現象進行對比，寫出反應的化學方程式，并從化學鍵的角度分析反應原理。

[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，所以這條碳氫鍵易斷裂。發生氧化反應時，氧原子插入到碳氫鍵之間，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，相對不易斷裂。銀氨溶液和新制氫氧化銅的氧化性不夠強，不能使其斷鍵氧化。但是我覺得由于氧的拉電子效應，這條碳碳鍵的電子云密度是不均衡的，更偏向于羰基碳。所以相對于烷烴基上的碳碳鍵來說是更容易斷裂的，如果給它足夠強的氧化劑，應該會被氧化。

[師]分析合理。確實如此，醛基易被氧化，而酮需要使用強氧化劑（如重鉻酸鉀和濃硫酸，或者過氧酸）才能將其氧化。

[歸納總結]醛和酮的結構中均有羰基，能與極性試劑加成，所以放在同一節教材中學習。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。

[師]下一節我們要學習的羧酸和羧酸的衍生物中也有羰基，而它們怎么沒有跟醛酮放在一起學習，是不是羧酸及其衍生物中羰基的性質又發生了什么神奇的變化呢？期待下一節課的學習。

設計意圖：學生經歷了“預測—實驗—結論”的思考過程，從宏觀現象到微觀本質的分析，學生調用物質結構的知識去理解有機反應的本質，更加深刻地體會到結構是如何決定性質的，初步形成結構解釋和預測性質的思維模型。

活動四 綜合評價，構建模型

[演示實驗]向溴水中加入足量的乙醛溶液，溴水褪色。預測乙醛與溴水發生的反應，并說明理由。

[生1]乙醛中碳氧雙鍵與溴發生加成反應，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，與溴水發生取代反應生成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，所以發生α-H的取代反應可能性不大。醛基能被弱氧化劑氧化，何況是有強氧化性的溴水，所以我覺得發生氧化反應的可能性比較大。

[師]很好，同學們會從多個角度去分析與預測有機反應了，設計實驗方案驗證。

[實驗方案與結論]見表1。

[構建模型]我們從不同的認識角度預測并驗證了醛酮的化學性質。若呈現一個陌生有機物的結構，你會從哪些角度分析并預測其性質呢？構建一個有機物結構預測性質的思維模型（如圖5所示）。

設計意圖：如果一個人理解某事時，就能以正確的方式將其表達出來，并在新的場景中靈活應用。學生在陌生真實情境中全身心地去體驗知識本身蘊含的豐富的內涵與意義，并完成模型構建。

三、教學效果與反思（略）

（收稿日期：2023-12-10）