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  • 基于“跳板”原则的建模教学在有机合成中的应用
    文章来源:admin  点击数:19  时间:2017-09-18 10:59:35

    作者信息:吴翀云(1979- ),女,大学本科学历,中学高级教师,现主持省级重点课题一项。

    摘要“跳板”原则旨在缩短沟通路径,专注于从繁杂的事物中摆脱出来而处理重大问题。在高考有机合成二轮复习中,将常见的物质转化问题抽象成几个基本模型,在解决新问题时,学生在掌握基本模型的基础上,利用“跳板”原则,对问题进行适当分解,形成几个次级问题,并通过集中精力解决“跳板”问题而实现问题的解决。作为有机正向合成法和逆向合成法的补充,“跳板”原则在高三利用新信息的有机合成中起到了很好的效果。

    关键词:法约尔跳板;化学模型;建模教学;有机合成;问题解决

    1有机合成的特点及存在问题

    有机合成需要根据合成目标自行设计出合理的合成路线。在解决有机合成问题时,学生不仅要运用在课堂上已经学习过的知识,还需要用到题中给的新的信息,有时还需要考虑步骤的先后顺序,所包含的思维容量较大,因此这是一类多任务的注意分配、注意加工和复杂的问题解决。

    问题解决能力是指人们顺利解决问题的稳定的个性心理特征[1]。认知心理学家发现,当人们在完成多个任务的时候,注意的局限性、工作记忆和长时记忆会受到挑战,注意的速度和正确性都会受到影响[2]。也就是说,处理多任务时,问题解决所需要的稳定的心理就会受到影响。研究发现,当专家在他们的专业领域碰到新问题的时候,相比新手,他们将问题分解成几个次级问题,然后按一定的顺序解决这些次级问题。因此,他们更可能系统化地将问题解决,而新手更可能采用随意的、无计划的办法[3]。当遇到信息型有机合成问题解决时,若学生能不因问题不熟悉而影响稳定的解决问题的心理状态,能系统地根据题中的信息或根据原料和目标产物的关系将问题分解成几个次级问题,然后依次解决这些次级问题,则可以避免在解题时由于目标不明确或无计划而出现盲目乱写的碰运气的情况。

    2“跳板”原则

    跳板原则又称法约尔跳板原则(Fayol bridge),由法国工业家法约尔(1841~1925)提出。它是一种管理过程中的沟通方式。在管理中遇到一些需要快速办理的事情时,为提高办事效率,需要跳过原有的管理路径,在几个问题之间建立直接联系的渠道,即建立跳板。

    “跳板”原则同样可用于解题时的思维管理,通过梳理解题的要点,确定达到问题解决的几个次级问题,在次级问题中选取关键问题作为即问题解决的“跳板”,这样,就把一个思维容量大的复杂问题分解为“跳板”前问题,“跳板”问题和“跳板”后问题三个思维容量较小的简单的问题,降低了问题解决的难度,随着上述几个次级问题的解决而系统解决问题的目的。

    其基本流程如 1

    1基于“跳板”原则的问题解决模式

    法约尔跳板旨在缩短沟通的路径,把注意力集中到关键问题上来。其作用有以下几个方面:①有助于避免由于信息在传递和沟通以及综合分析过程中,经历的时间太长而造成信息的遗漏或失真;②有助于厘清主要问题和次要问题,准确地把握问题的核心和关键,提高主动解决问题的意识;③有助于将熟悉的问题转化成某一特定模型。

    3“跳板”原则在有机合成问题解决中的应用

    有机合成一般由原料开始经历实现碳链增长或缩短、官能团转化等若干步骤从而合成产品,常用的合成方法有正向合成法和逆向合成法两种,这两种方法在非信息型有机合成题中有较好的应用,然而对于利用新信息的有机合成题,学生若从原料开始或从产物开始对可能的路线进行正向推断或逆向推断,可能会因不知何时利用题中的信息、解题的目的性不太明确而耗费大量的时间不断尝试直到得出合理的答案,解题效率较低。根据约尔法跳板缩短进程,关注关键问题的主要作用,将其应用于有机合成问题解决,可以有助于学生缩短解题时间,提高有机合成问题解决效率。

    3.1依据“跳板”原则,确立解题模型

    利用跳板原则进行有机合成可分为以下几个环节:分析实现转化的几个关键步骤,将有机合成划分成几个次级问题,并依据其实现的难易程度,将对有机物结构要求较高的转化确定为跳板,其余次级问题相应地对应为“跳板”前问题和“跳板”后问题,②解决“跳板”前问题,依据“跳板”转化的条件,逐步将原料合成至“跳板”所需的结构(“跳板”前物质),为“跳板”的转化做好结构准备;③根据提供的信息,利用“跳板”前物质,完成“跳板”转化步骤;④解决“跳板”后问题后期合成,即实现从“跳板”转化后的物质(“跳板”后物质)到目标产物的合成。

    上述过程可见 2

    2“跳板”原则的解题模型

    利用“跳板”原则进行有机合成问题解决的关键在于如何分解问题,确定“跳板”。为了实现官能团位置或个数的变化,碳链的增长或缩短、苯环上的定位等转化,需以有机物具有某一特定的结构为条件,因此,这类对有机物结构要求较高的转化常被定为“跳板”。

    常见的跳板如3所示:

    3有机合成的常见“跳板”

    不同阶段的“跳板”并不一定相同,如在有机合成学习的初期,官能团个数或位置的变化往往成为“跳板”,随着认知的深入,原先的“跳板”可能已内化于系统的认知结构之中,形成了解决问题的基本模型,见4。在高考二轮复习中,“跳板”通常为不能通过已有知识实现的结构上转化的步骤。

    4 有机合成的基本模型

    3.2实例分析

    例题:(2017常州期末)二甲氧苄氨嘧啶是一种用于家禽细菌感染防治药。其合成路线如下:

    已知:

    化合物是合成染料的中间体,请写出以氯乙烷和12—二氯乙烷为原料制备该化合物的合成路线流程图(无机试剂任用)。

    依据“跳板”原则的解题模型进行解题的过程如下:

    3.2.1划分次级问题,确定“跳板”。

    上述例题中的任务是合成,对照原料和产物的结构变化,可知:

    ①目标产物中的—CH2NH2来源于—CNH2的加成,因此需引入—CN

    ②需将原料中的两个碳原子的原料连接为除-CH2NH2之外的六个碳原子的碳链,属于无法由已有知识实现的部分,而需由流程中第⑥步反应提供的信息合成。

    考虑到两个问题中,问题②对反应物结构(醛基和氰基的α—位)要求比较高,并且反应物中已经涉及含—CN结构的物质,因此将问题②定为“跳板”。

    这样,本合成的任务就可概括为以下三步:第一步,“跳板”前问题,合成“跳板”前物质,为 “跳板”步骤的顺利实现打好结构基础;第二步,“跳板”步骤的转化;第三步,“跳板”后问题,将从“跳板”后物质逐渐转化为目标产物,结合例题中合成路线,可得5所示的结构:

    5依据“跳板”分解成次级问题

    3.2.2依据“跳板”,做好结构准备。

          本环节为“跳板”前问题,旨在为实现“跳板”步骤的转化做好结构上的准备,合成“跳板”前物质。本环节相对“跳板”问题来说较为简单,往往需要用到4所示的常见有机物转化的基本模型,若要顺利解决此问题,则需在平时的教学中多帮助学生总结并将其进行知识的组块以形成模型,储存于长期记忆中,通过不断强化,让其内化成好像不需要付出额外的认知加工就可直接运用的知识。

    例题中,由原料分别合成CH3CH2CN。流程分别如下:

    3.2.3实现“跳板”转化。

          对照题中提供的信息,将“跳板”前物质通过“跳板”步骤的合成,形成“跳板”后物质。

    3.2.4后期合成。

    本环节为“跳板”后问题,旨在将“跳板”后物质转化为目标产物。由于此环节用到的知识也属于有机物的基本转化,对于已掌握有机物转化的基本模型的学生来说,本环节也不会成为难点。

    将经过“跳板”步骤后的有机物逐渐转化为目标产物,例题中的转化相应如下:

    总的合成路线为:

    在学生的问题解决的过程中,他头脑中认知结构的概念量的多少、有序性的高低都是决定其能力的关键。在利用“跳板”原则管理思维时,需要学生将注意分配到某一特定的任务上,不被其他任务所干扰。为了达到集中精力解决重要问题的目的,需要学生“将全部的知识在脑海中形成分层的知识块”,只有这样,才能在“具体的信息情景中更好的运用和提取”。[4]

    上述合成问题可理解为如6的解决问题的思维模型:

    6

       这样,有机高考复习过程就变成了建模和用模的过程,基本有机物衍变模型的建立,有助于帮助学生将零碎的知识归整,而解决问题的思维模型的建立,将帮助学生打破思维壁垒,提高复习的有效性。

    4 反思

    基于“跳板”原则分析法的有机合成作为正向合成法和逆向合成法的补充,在高考二轮复习中,对学生利用陌生信息的时机起到了较强的指导作用。通过对“跳板”问题的界定与解决,带动其他相关问题的解决,从而完成了将问题按照由主要到次要的顺序系统解决的目标。

    美国未来学家阿尔文·托夫斯说过,未来的文盲将不再是目不识丁的人而是一些没有学会怎样学习的人。这里的怎样学习,在信息时代就是指不被巨大的信息量和知识更新而弄得蒙头转向、一头雾水,而是善于将知识组织成知识系统,在遇到新知识时,或将其纳入已有的知识框架,或形成新的认知模型,就像波利亚所说,良好的组织使所提供的知识易于用上,这甚至比知识的广泛更为重要。

    参考文献:

    [1]        袁野. 高中生化学问题解决中建模能力的研究[D]. 扬州大学, 2009.

    [2]        [美]玛格丽特·马特林.认知心理学:理论、研究和应用[M].北京:机械工业出版,2016.4:33

    [3]        [美]玛格丽特·马特林.认知心理学:理论、研究和应用[M].北京:机械工业出版,2016.4:187

    [4]        万里程.基于图式理论的化学问题解决障碍诊断及对策研究[D].华中师范大学,2014.

    注:本文发表于《化学教学》2017.08