有机物结构分析模型建构的教学策略研究，本文主要内容关键词为：有机物论文,模型论文,教学策略论文,结构论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
一、问题的提出 （一）结构决定性质的学科思想 “结构决定性质”作为有机化学的核心思想，已经被广大化学教师认同和接受，但是如何在教学中落实，将其转化为学生的认识，用以指导整个有机化学的学习却是个问题。在教学实践中，经常发现学生依靠记背去学习有机物性质，如记忆有机反应中的反应物、生成物、反应条件、试剂等要素，基础稍好的学生能将性质落到官能团的特点和转化上，但也不会关注官能团为什么具有这些性质，即不会从化学键角度去分析。学生面对简单有机物时习惯用熟悉物质去类比性质，但是面对陌生、多官能团有机物时，就会因没有类似物质而不知如何分析，这也是学生在考试中不会分析陌生复杂有机物而失分的原因。从必修到选修阶段，学生要如何在教学中落实“结构决定性质”的学科思想，实现认识上怎样的转变，形成怎样的认识角度和思路，达到怎样的认识水平是当前需要解决的问题。 （二）已有的相关研究 已有相关研究主要集中于有机化学学习困难和问题解决2大方面。何瑞（2013）[1]为了缩小有机化学必修和选修内容的差距，减少学生在有机化学选修阶段的学习困难，对有机化学必修和选修内容的教学衔接进行了研究；林月环（2009）[2]、张涛（2011）[3]以图式理论和认知心理学为指导，对有机化学图式转化在问题解决过程中的作用进行研究，发现有机化学图式转化的结构化程度高低是学生解决有机化学问题的重要影响因素，所构建的有机化学问题解决教学模式，能挖掘学生的问题意识，提高问题解决能力。徐敏（2012）[4]对有机化学的难点问题进行研究，揭示了学生学习困难的成因，认为将教学难点分解成不同阶段的小难点，有利于学生逐个突破。 已有研究虽然揭示了有机化学的学习困难点，但是没有从学生的认识角度分析，也没有将学科思想转化为方法和手段去解决现有问题。同样，从教学层面来看，通过特定的教学模式提高学生的问题解决能力只解决了有机化学教学中的外显问题。只有从学科本体和学生认识发展的角度出发，将有机化学学科思想和认识规律结合起来，才能从根本上解决学生的思维障碍，提高教学效果。 （三）本单元教学存在的问题 在教学调研中发现，有机选修模块第一单元教学中存在诸多问题，如过度关注有机物结构的概念，将碳原子成键方式和类型，键的极性、饱和度等概念作为知识来教，教学方法侧重于对概念本体的解析，造成了学生孤立地理解和记忆概念，使概念缺乏分析结构的功能而成为静态知识；有些教师虽然也将概念用于结构分析，但由于缺乏整体性，没有归纳成系统分析模型，学生不能形成认识有机物的角度和思路。从表面看，化学教师都会强调有机物“结构决定性质”，但由于没有合适的策略而无法在课堂教学中将其落实到观念和行动上，学生不能自觉地分析结构，解释、推断有机物的性质，其实质是不理解结构如何决定性质，不会用“结构决定性质”的学科思想指导有机化学的学习。 二、有机化学认识发展理论构建 为了明晰学生的认识发展过程，王磊（2008）根据高中不同阶段有机化学内容特点和学生的认识发展规律，将学生对有机物的认识划分为“基于具体物质及类别、基于官能团和基于化学键”3个水平层级，论证了3个认识水平层级独立存在和逐级上升的关系。“高端备课”研究发现，高中生在有机化学基础选修阶段应力求达到基于化学键认识有机物结构和性质的水平，因为化学键最能反映其结构特点，能从本质上揭示纷繁复杂的有机化学反应的规律，有利于学生理解“结构决定性质”的学科思想。 王磊、陈欣（2008）[5]在肖红（2005）[6]研究的基础上，建立了有机物性质的认识层级模型，如图1。该模型清晰地描述了学生认识有机物的发展层级。
王磊、康永明（2013）[7]在已有研究基础上，进一步提出了有机物性质的认识方式理论模型，同时开发了基于Rasch model的测试工具，对北京市不同类型学校的不同水平学生作了多轮次、大样本测查，并根据学生典型答题表现选取学生样本进行访谈，最后修正并验证了认识模型的科学性。根据已有的研究，我们认为“有机化学基础”选修模块教学旨在帮助学生学会从微观层面系统地认识有机物结构，从化学键角度认识有机物的性质和变化。 有机化学认识发展层级、认识模型等理论的提出，很好地解决了有机物结构与性质的认识构成和发展水平问题，但在不同的教学阶段应该通过怎样的教学策略来提高学生对有机物结构和性质的认识水平仍是有待解决的问题。以有机化学基础模块的“有机物结构与性质”单元内容为例展开研究。 三、教学定位及结构分析模型 （一）教学定位 本单元是系统学习有机物结构与性质的起始阶段，要帮助学生建立从宏观性质到微观结构的联系。教材中有关结构的概念，是为分析有机物性质而准备的，内容中蕴含了学科方法和认识发展的内容。基于此，本课题的教学目标为：（1）理解有机物成键特点及其与结构、性质的关系；（2）完成结构与性质的首次关联，帮助学生建立从宏观性质到微观结构的联系，深入理解结构决定性质的学科思想；（3）建立完整的结构分析模型，应用模型分析具体物质，形成分析有机物结构的思路和方法。 （二）教学关键问题 从学生的认识发展过程来看，本单元是基于具体物质的宏观认识层级向基于官能团和化学键的微观认识层级发展的过渡时期。建立结构分析模型，是为了解决学生看有机物要看什么，认识有机物意味着认识什么的问题，这将对整个有机化学的学习起着统领作用，将决定整个有机化学的认识水平。在有机化学选修模块的初始阶段学会从微观角度认识有机物的结构与性质，有利于学生建立有机物的结构分析模型和性质预测模型。因此，本教学着重解决以下问题：为什么要从微观结构去认识有机物性质？如何从微观角度认识有机物性质？通过解决这些教学关键问题，可帮助学生建立起有机物的结构与性质之间的联系，形成从微观结构角度分析解释、预测有机物性质的思路和方法。 （三）有机物结构分析模型 采用人教版《有机化学基础》（选修）第一单元为教学内容，参考借鉴了鲁科版教材的处理方式。由于课本呈现了有机物结构的有关概念，但未阐明概念与性质的关系，没将概念之间联系起来，因而这些结构概念的学科意义和认识功能难以显现，不利于发展学生对有机物结构的整体认识。提出在有机化学选修模块第一单元教学中构建有机物结构分析模型，利用化学键特点反映有机物的结构与性质之间的本质关系，引导学生深入到比官能团更深层次的原子之间的化学键去认识结构，应用模型将键的类型、特点和有机物的结构、性质联系起来，并将其应用到分析方法中，将相同和不同层级的概念构建成为结构分析模型（见图2），实现概念的功能化、动态化。学生应用模型形成对有机物结构的分析思路，可以指导整个有机化学模块的学习。
四、教学组织策略与实施 （一）教学组织策略 如何帮助学生构建结构分析模型是选择教学策略的核心问题，考虑模型与概念的关系以及学生的认知规律，制定了2种教学组织策略。策略1“先结构后性质”，直接深入到微观结构，先学习键的饱和度，键的极性等概念，再指导学生将概念变为分析角度，构建结构分析模型，然后用模型分析有机物分子结构，实现概念的功能化；策略2“结构与性质并行”，用性质分析作驱动，让学生在解释性质差异时发现原有认识已经解决不了所面临的问题，产生认知冲突，促使学生理解为什么要讨论键的饱和度和极性，关注成键方式对学习性质有什么作用，最后在分析物质性质的过程中构建分析模型。具体流程如图3、图4所示。 （二）教学设计及实施 为了促进学生对有机化合物结构与性质的认识发展，帮助学生深入理解有机化学“结构决定性质”学科思想，根据2种教学组织策略，设计了“概念学习—结构分析—构建结构分析模型—应用模型形成思路”和“性质推导结构—相关概念学习—应用概念分析结构—总结模型及应用”2种不同的教学流程。 采用上述2种不同的教学组织策略，进行2节有机化学选修模块第一单元的同课异构教学设计，并在北京1所示范中学高二年级2个班进行了教学实施。其中A班实施教学策略1，B班实施策略2。教学思路及流程见表1、下页表2。 五、教学效果测查与分析 （一）测查设计 为检验2种不同教学策略的实施效果，对2个授课班级学生在教学前、后进行问卷测查和访谈。教学测查设计见35页表3。
调查问卷为自编测试题，问卷信度系数为0.841。测查内容包括对有机物结构与性质关系的理解、对结构分析模型的理解与应用、对有机物的认识水平3个方面，问卷内容构成见下页表4。
（二）教学效果分析 1.对有机物结构与性质关系的理解 深入理解“结构决定性质”这一学科思想与方法是教学目标之一，让学生直接说出有机物结构与性质的关系并举例说明，以检验学生的理解程度。教学前后测查及其差异检验结果如表5所示。 测查结果显示，教学前后2个班学生在认识有机物结构与性质的关系上都进步显著，说明2种教学组织策略都能有效促进学生对结构决定性质的学科思想和方法的认识。由于A、B班的前测与后测总得分都有差异，考虑到学生化学基础的差异，我们对测查结果分别作前后比较以分析2种策略的实施效果。前测时，B班好于A班且差异显著（Sig.=0.000），但在教学后差异明显缩小，虽然B班仍好于A班，但差异已不显著（Sig.=0.163），可知策略1总体效果好于策略2。结合学生访谈深入分析，B班学生能完整说出有机物结构与性质的关系，也表明策略2凸显了从性质到结构的推理过程，让学生深入理解其意义，从而在促进学生理解“结构决定性质”学科思想上的效果更明显。因为策略1凸显了概念的教学，更关注微观结构的实际应用，使其具有解释性质的功能，在举例说明结构如何决定性质方面，A班学生能正确举例说明的比例增幅更大，说明策略1在此方面的效果更好。 2.对结构分析模型的理解和应用 将有机物结构分析模型应用在具体物质，进而形成分析结构的思路与方法是本教学的重点。在测查中设置了理解结构分析模型和应用模型分析乙酸的结构与性质问题，测查结果统计如表6。
测查结果表明，在2种教学策略的实施下，学生理解和应用模型的得分都有显著提高，说明2种策略均能有效地帮助学生建立结构分析模型，学生能用模型自主分析不同物质的结构差异，并用以解释性质。将2个班学生进行对比，可发现策略1比策略2在帮助学生构建分析模型以及运用模型形成分析思路和方法的效果更明显。以测查学生掌握分析思路和方法为例，在前测中A、B班各有17.4%、30.8%的学生能正确理解分析模型，在后测中分别上升到86.9%、88.5%，起点较低的A班提升比例较大，学生能说出看有机物要看哪些方面，有了较清晰的结构分析思路，并能用结构去解释有机物的性质差异，说明了教学策略1在建立和应用模型上是适合学生发展水平的。同样，B班学生虽然在理解结构分析模型上有了很大提高，但是在应用模型分析物质的方法上还可以进一步提升。 3.对有机物的认识水平 根据有机物的认识发展阶段理论，本阶段教学应指导学生通过建立结构分析模型，帮助学生建立微观认识角度，促进学生的认识从宏观物质水平发展到官能团、化学键水平。为了检测学生认识发展效果，在前、后测中以咖啡酸的结构式为素材测查学生的认识水平。数据统计如图5、图6。
从统计结果可以看到，教学前A、B班分别有65.2%和42.3%的学生从宏观物质的角度，习惯用类比代表物的方式认识有机物，如很多学生回答“因为它的名称就是酸，该物质有酸性；因为它与苯酚结构相似，它有多个羟基……”这些回答表明学生的认识在宏观物质水平；如有的学生在结构式上只标出了“—COOH”和“—OH”，则是官能团水平；教学后这些学生中分别有60.9%、65.4%的人能从化学键角度认识有机物结构与性质，答题时能落到羧基中的“O—H”和“C=C”这些活性部位，能说出“氧氢键的极性、不饱和碳原子、双键的影响……”，还有一些学生能解释呈酸性的原因，学生初步建立了从化学键层面分析物质结构，这说明了结构分析模型实现了化学键的极性和饱和度等概念的功能化，促进了学生认识由宏观物质、官能团水平向化学键水平发展，学生对有机物的认识水平有了明显提高。 将2个班学生认识发展相比较，发现A班、B班能从化学键认识水平分析问题的学生比例上升了52.2%和42.3%，在宏观物质水平上2个班分别下降了47.8%、30.8%。这说明A班有更多学生直接从宏观物质水平发展到化学键水平，直接越过了官能团水平，而B班由于基础较好，教学前已经有34.6%的学生处于官能团水平，但在教学后仍有23.1%处于该水平，相对而言，教学后发展到化学键水平的学生比例较少。这说明策略1直接切入结构本质的教学有利于认识起点在宏观物质水平的学生直接发展到化学键水平，策略2在帮助学生理解结构分析模型后，还需加强对模型的应用，通过练习提高从化学键角度分析具体物质的能力。由于分析有机物结构和性质可以从物质类别、官能团和化学键3个角度，它们彼此并不矛盾，说明这3个认识水平是独立存在的，且官能团水平并不是从宏观物质到化学键水平的必经阶段。此外，从部分学生由宏观物质水平直接上升到化学键水平的表现来看，学生的认识起点并不是影响其认识发展结果的决定因素。 从不同水平学生的发展来看，A班、B班在后测各有21.7%、23.1%的学生处在官能团水平，结合课后学生访谈分析，发现学生在认识上存在思维定势，如果能通过官能团分析有机物，就不愿再深入到化学键，只有当用官能团解决不了问题时，才去看其化学键的特点。这也提示我们在设计活动任务时，分析陌生多官能团有机物能够挑战学生的原有认识，刺激学生从化学键角度考虑有机物结构。另外，分析模型的应用还需要通过练习来巩固和强化。 六、结论及启示 （一）结构分析模型的价值 根据教学实证研究，可以得到有机物结构分析模型对学生学习有机化学的意义主要有3点：（1）“结构决定性质”学科思想如能在教学中落实，则可以转化为分析结构、解释和预测性质的方法；（2）在有机化学选修模块初始阶段建立结构分析模型，有利于将模型贯穿于整个有机模块教学，指导学生学习有机物性质及反应；（3）结构分析模型可作为桥梁，将必修和选修中的有机化学内容串联起来，即把结构理论和有机物性质联系起来，既可解释已知有机物性质，又可分析陌生复杂有机物的结构，并为有机物结构推断、性质预测等复杂问题解决提供方法。 （二）教学策略的效果 提出的2种教学策略都能帮助学生建立有机物结构分析模型，通过应用结构分析模型形成有机物结构分析的思路和方法，将有机物的结构与性质关联起来，促使学生对有机物的认识水平从宏观物质、官能团水平发展到化学键水平，促进学生主动地从化学键角度认识有机物，形成自主分析陌生、复杂有机物结构的能力。 （三）2种策略的差异 2种教学组织策略对学生的影响存在一定差异。策略1先学习结构概念，然后直接应用概念构建模型，学生先对概念有了全面的理解，在构建模型时比较直接，没有太多的推理过程，有利于学生对模型的整体感知，宏观物质认识水平的学生容易接受这种方式，如基础较弱的学生在前测时仅知道结构决定性质，不能用实例解释说明，在后测中则能说出“通过本次课的学习，知道了有机物的性质其实不用背，可以分析它的结构得出性质”“用结构分析模型可以知道结构如何决定性质”。策略2在性质推导结构、结构解释性质中归纳出结构分析模型，由于解释性质差异需要深入分析结构，激发了学生对建立模型的需要，使其认识到模型的功能，是基于认知需求上的建构，学生对模型的学科意义和功能价值理解更深刻，但由于模型构建不如策略1那样直接明了，因教学时间有限，花较多时间在说明构建模型的必要性上，应用模型的时间就相对减少，还需补充应用的时间，该策略适合原有认识水平较高的班级教学。 帮助学生理解“结构决定性质”的学科思想和方法，促进学生对有机物的认识上升到微观本质的化学键层面是有机化学选修阶段的目标。建立结构分析模型能提高学生的认识水平，使学生加深对这一学科思想方法的理解和应用，有利于将其转化为问题解决的思路和能力。本研究提出的2种策略在效果上已经得到初步验证，但还有改进的空间，例如怎样突破学生对官能团性质的依赖，怎样在后续教学中完善和发展该模型，使之与性质预测模型相结合等方面还需进一步探索。
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