基于ISM分析法的高中有機(jī)化學(xué)“先行組織者”體系的構(gòu)建

王夢(mèng)秦 韓 蓉 吳晗清,*

(1.首都師范大學(xué)教師教育學(xué)院，北京 100037； 2.首都師范大學(xué)化學(xué)教育研究所，北京 100048.)

1 概 述

1.1 ISM分析法

ISM分析法是解釋結(jié)構(gòu)模型法(interpretative structural modeling method)的簡(jiǎn)稱.由美國(guó)Warfield教授為分析復(fù)雜社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)問(wèn)題于1973年開(kāi)發(fā)出來(lái)的一種結(jié)構(gòu)模型化技術(shù).

ISM分析法解決問(wèn)題的一般流程[1]：明確研究的對(duì)象或系統(tǒng)；找出構(gòu)成研究對(duì)象或系統(tǒng)的基本要素或成分；分析并確定各要素之間的關(guān)系；用各要素之間的關(guān)系圖來(lái)確定各要素在整個(gè)對(duì)象或系統(tǒng)中的地位和作用；用圖示等方法直觀地表示出ISM分析的結(jié)果；確定各要素的活動(dòng)序列.ISM分析法在各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)都有廣泛的應(yīng)用，尤其在教育學(xué)、管理學(xué)、工程學(xué)等領(lǐng)域.

1.2 使用“ISM分析法”探究“先行組織者”思路

ISM分析法屬于一種結(jié)構(gòu)模型化技術(shù)，將簡(jiǎn)明直觀的概念用結(jié)構(gòu)圖表示，可使得各要素之間的關(guān)系明朗化，易得出要素之間的層級(jí)順序及活動(dòng)序列.得出活動(dòng)序列之后，便可得出其中的上下位關(guān)系.同時(shí)，“先行組織者”是學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)新內(nèi)容之前，在原有知識(shí)與學(xué)習(xí)新知識(shí)之間架設(shè)了一道橋梁的一種材料.因此，借助“ISM分析法”可用于得出眾多要素中的層級(jí)順序，邏輯嚴(yán)密地呈現(xiàn)出“先行組織者”的結(jié)構(gòu)體系，是促進(jìn)教學(xué)順利開(kāi)展的有效手段.

1.3 研究的新穎性

本研究將ISM分析法用于對(duì)高中有機(jī)化學(xué)教材的分析，從而得出有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的排序，剖析了學(xué)習(xí)有機(jī)物的先后順序，為教師的教學(xué)提供參考.

2 高中有機(jī)化學(xué)知識(shí)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)分析

有機(jī)化學(xué)的概念明確且易于表征，適合用概念結(jié)構(gòu)圖表示各要素之間的關(guān)系，即有效地達(dá)到教材的結(jié)構(gòu)化和序列化[2].

有機(jī)化合物中都含有碳元素，所以有機(jī)化合物就是碳化合物.顯然，由于碳原子的價(jià)層電子數(shù)為4，有機(jī)物分子是由不同的共價(jià)鍵連接不同的原子組成的.共價(jià)鍵的實(shí)質(zhì)是電子云的偏移，而非得失電子的結(jié)果.

在高中有機(jī)化學(xué)的認(rèn)知框架之下，且以雜化軌道理論、價(jià)鍵理論作為理論基礎(chǔ)，這時(shí)候我們會(huì)發(fā)現(xiàn)有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)主要由化學(xué)鍵種類和原子種類決定.而通過(guò)對(duì)有機(jī)物分子結(jié)構(gòu)(即化學(xué)鍵和成鍵原子)的分析，可以在一定程度上為有機(jī)物的學(xué)習(xí)提供指導(dǎo)與幫助.

2.1 高中有機(jī)化學(xué)中的化學(xué)鍵及重要化合物

將高中有機(jī)化學(xué)中所涉及的常見(jiàn)化學(xué)鍵(即有機(jī)物分子片斷)和有機(jī)物列出，如下圖所示.

表1 有機(jī)化學(xué)中重要的化學(xué)鍵和分子片段

表2 有機(jī)化學(xué)中重要的烴類化合物

表3 具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的有機(jī)化合物

筆者在上表中，之所以將表3中編號(hào)i至編號(hào)iii的物質(zhì)種類歸屬于“酸、磺酸、酯等”，原因是：當(dāng)分子中含有多種官能團(tuán)時(shí)，首先要確定一個(gè)主官能團(tuán)，確定主官能團(tuán)的方法參見(jiàn)下文表4《常見(jiàn)官能團(tuán)的詞頭、詞尾名稱》，表中排在前面的官能團(tuán)是主官能團(tuán)[3].然后，選含有主官能團(tuán)及盡可能含較多官能團(tuán)的最長(zhǎng)碳鏈為主鏈.主鏈編號(hào)的原則是要讓主官能團(tuán)的位次盡可能小.命名時(shí)根據(jù)主官能團(tuán)確定母體的名稱，其它官能團(tuán)作為取代基用詞頭表示，分子中如涉及立體結(jié)構(gòu)要在名稱最前面表明其構(gòu)型.最后根據(jù)名稱的基本格式寫(xiě)出名稱[4].

2.2 三層十三要素之間的指向關(guān)系

用箭頭表示要素之間的關(guān)系，如下圖所示，以“苯乙酸”這一芳香族化合物為例，可以將其看作是苯甲基與羧基相連形成的化合物.首先是苯甲基，對(duì)應(yīng)“苯的同系物”(編號(hào)b)，其結(jié)構(gòu)包含編號(hào)“①”、編號(hào)“②”和編號(hào)“⑤”，即碳碳單鍵、碳?xì)滏I和苯基；其次是羧基，其編號(hào)為“⑥”.在二者基礎(chǔ)上，才能掌握“芳香族化合物”(編號(hào)i)的結(jié)構(gòu).

表4 常見(jiàn)官能團(tuán)的詞頭、詞尾名稱

那么，碳碳單鍵(編號(hào)①)、碳?xì)滏I(編號(hào)②)和苯基(編號(hào)⑤)與苯的同系物(編號(hào)b)之間存在“直接關(guān)系”；苯的同系物(編號(hào)b)與芳香族化合物(編號(hào)i)之間，以及羧基(編號(hào)⑥)與芳香族化合物(編號(hào)i)之間存在“直接關(guān)系”，如圖1所示.

圖1 苯乙酸對(duì)應(yīng)的三層各要素之間的“直接關(guān)系”示意圖

按照上面的規(guī)則，將高中階段有機(jī)化學(xué)中涉及的“直接關(guān)系”悉數(shù)列出，如圖2所示.

圖2 有機(jī)物分子片段與有機(jī)物分子“直接關(guān)系”圖

2.3 上級(jí)目標(biāo)知識(shí)與下級(jí)基礎(chǔ)知識(shí)的對(duì)應(yīng)關(guān)系

列出表格，縱軸表示某級(jí)基本要素(教學(xué)目標(biāo))，橫軸表示此級(jí)基本要素的直接子關(guān)系要素(已有知識(shí)).如果存在直接的上下關(guān)系，則在橫縱軸相交處填入“*”號(hào)，其余空白.橫行對(duì)應(yīng)的空格內(nèi)“*”號(hào)越多，表明結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，所需的基礎(chǔ)知識(shí)越多.其中，a、b、c、d對(duì)應(yīng)的“*”號(hào)總數(shù)為2、4、6、4，意味著b、d以a為基礎(chǔ)，而c又以b、d為基礎(chǔ).同樣地，i、ii、iii對(duì)應(yīng)的“*”號(hào)總數(shù)為8、7、8，意味著i、iii以ii為基礎(chǔ).

2.4 高中有機(jī)化學(xué)“先行組織者”體系的結(jié)構(gòu)

根據(jù)2.3所述，對(duì)應(yīng)的“*”號(hào)越多，表明結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，所需的基礎(chǔ)知識(shí)越多.如“i”代表的“以芳基為母體的酸、磺酸、酯等(即芳香族化合物)”，以及“iii”代表的“含取代基(包括雜原子、碳碳雙鍵、碳碳三鍵)的酸、磺酸、酯等”，其兩者對(duì)應(yīng)的“*”號(hào)最多，均為8個(gè).意味著兩者是并列關(guān)系，且均以7個(gè)“*”號(hào)的ii(代表脂肪烴基取代的酸、磺酸、酯等)為基礎(chǔ).其余以此類推，即可構(gòu)建下列不同層次的結(jié)構(gòu)，作為有機(jī)化學(xué)教學(xué)的先行組織者體系，以便于學(xué)生形成高度精致有效的知識(shí)結(jié)構(gòu).具體如圖3.

表5 上級(jí)目標(biāo)知識(shí)與下級(jí)基礎(chǔ)知識(shí)的對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖3 高中有機(jī)化學(xué)“先行組織者”體系的結(jié)構(gòu)

由圖中歸納可知，在高中階段的有機(jī)化學(xué)知識(shí)體系中，烷烴為結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的有機(jī)物，而(飽和及不飽和)脂肪烴、苯的同系物次之，其后，隨著分子結(jié)構(gòu)逐漸變得復(fù)雜，學(xué)習(xí)新物質(zhì)的難度加大.因此，在有機(jī)化學(xué)物知識(shí)體系的建構(gòu)過(guò)程中，較簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的有機(jī)物可在一定程度上充當(dāng)較復(fù)雜結(jié)構(gòu)的有機(jī)物的先行組織者.

3 反思及建議

結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的有機(jī)物可以看成是一些結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的分子或分子片段組成，因此將整個(gè)體系結(jié)構(gòu)化，循序漸進(jìn)，有利于學(xué)生的知識(shí)掌握和能力的培養(yǎng).同層次的有機(jī)物屬于“比較性組織者”，結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的高與低的關(guān)系則構(gòu)成“上位組織者”及“下位組織者”，從而清晰明了地呈現(xiàn)出個(gè)要素之間的關(guān)系.無(wú)論處于新課還是復(fù)習(xí)階段，掌握一種較為普適的分析方法來(lái)宏觀地把握教材結(jié)構(gòu)，并系統(tǒng)地學(xué)習(xí)、掌握知識(shí)，這都是不可或缺的.對(duì)于一線教師而言，掌握一種主客觀結(jié)合的分析工具，不僅保證了分析過(guò)程的相對(duì)科學(xué)性，重要的是可以充分發(fā)揮他們的創(chuàng)造性，有助于學(xué)生思維能力的發(fā)展以及課程目標(biāo)的高效達(dá)成.