例談系統思維在高中化學教學中的應用

黃發基

【摘 要】系統思維是科學發展中的重要指導思想，對于知識的系統化和建構有序的思維體系發揮著重要的作用。本文結合高中化學學習內容，通過合成氨條件的選擇、氧化還原反應的系統化行為、堿金屬單質及其化合物的系統化復習等三個例子，探討了系統思維在高中化學教學中的相關應用。本文對于應用系統思維于化學教學有一定的啟發和借鑒意義。

【關鍵詞】系統思維 合成氨條件 氧化還原反應 堿金屬

系統思維是相對片面思維、零散思維而言的，是指在思維活動中構建起整體的、相互聯系的思維體系。對化學教學而言，也就是說，不能簡單地、孤立地來看化學問題，而應該把它放在課程目標和教育目的的大系統中進行系統化設計，以促進學生加深對科學本質的認識，更深刻地認識化學科學、化學技術和社會之間的相互關系，逐步樹立可持續發展的思想，從而培養學生的社會責任感、參與意識和決策能力。對很多化學的教學內容，從系統思維的角度看，一方面要放在人類文化背景下，從宏觀上認識各個內容系統的整體面貌，并把握各部分內容之間的關聯性；另一方面要結合人類探索物質及其變化的歷史與化學科學發展的趨勢，深入內部（也就是更小的系統）細致研究各組分的特征表現及其系統化行為。下面，就結合高中化學學習內容，舉例探討一下系統思維在高中化學教學中的應用。

一、合成氨條件的選擇

化學發展史中合成氨條件的選擇是比較典型的系統思維的例子。一方面，為提高原料的轉化率，應采取低溫、高壓和適時分離出氨氣，另一方面，則為加快反應速率，應采取高溫、高壓和使用催化劑。可見，對速率和轉化率來說，溫度是矛盾因素，壓強是一致因素。在這種情況下，必須從整體出發系統地思考問題，不僅要考慮反應速率和轉化率的高低，還要考慮實際操作的可能性，即從材料的耐壓和增壓，投入的成本等綜合考慮。最終，德國化學家哈伯在經歷了數千次的實驗后，采用了“保系統的全局利益以降低系統某部分的功能為代價”的方式，提出了合成氨的最優化條件，使人類從此擺脫了依靠天然氮肥的被動局面，加速了世界農業的發展。因此在 1918 年他被瑞典皇家科學院授予了諾貝爾化學獎，但卻激起了世界眾多科學家的強烈反對和譴責。因為哈伯在第一次世界大戰期間負責研制、生產氯氣、芥子氣等毒氣，并使用于戰爭之中，造成近百萬人傷亡。這也就是把科學放在一個更大的系統中，科學及科學家的社會價值都是我們應該系統化思考的因素。這樣一種系統化的思考，可以幫助學生深刻地認識化學與科學、技術、社會及人類生活的密切關系。

二、氧化還原反應的系統化行為

對氧化還原反應的認識，我們從系統的角度就會發現，它只不過是在氧化劑和還原劑之間玩起了傳遞電子的游戲。在一個系統中，如果多人扔電子，得看誰扔的快；如果多人搶電子，得看誰搶的快；如果扔和搶在不同的位置，電子通過導線在中間傳遞，那就構成了原電池，可以對外做功；如果在同一電解系統中，那么扔和搶的能力則變成了離子的放電順序，電鍍鋅則是鋅離子和氫離子濃度影響其系統行為的結果；如果能力不足以搶到電子，那么跳起來搶，一旦把電子抱到后就立刻飛走，即脫離系統，這就是根據平衡移動和熵增原理在工業上由鈉制備鉀的做法；如果金屬離子有多種途徑搶得電子還原成單質，則需要在反應條件、效率、環境等方面衡量和比較，找到最佳生產方式；扔和搶的能力越強，反應自發進行的程度就越大；如果在食品或藥品中加入還原劑去搶得氧氣的電子，則可以延長保質期，但是過量的添加劑對人體健康又是有害的。從這個系統的角度看，就會發現化學反應變得有序而有趣，化學反應的發生既是具體物質性質的使然，又是該物質存在系統中的系統行為的必然結果，對化學反應的認識，也不再是局限于反應本身，而是放在了與自然界相互作用的關系中。這樣一種系統化的思考，不僅有利于學生對化學知識體系的整體把握，而且能夠幫助他們在系統思考中發現有利于遷移的知識，提升其對世界的整體認知和解決問題的能力。

三、堿金屬單質及其化合物的系統化復習

在高中化學內容體系中，堿金屬單質及其化合物主要包括鈉、氧化鈉、過氧化鈉、氫氧化鈉、碳酸鈉和碳酸氫鈉。這些物質的性質及行為表現實際上都是受這個家族的本質特性——極強的活潑性影響的。鈉活潑性非常強，極易失去電子，即使遇到得電子能力不是特別強的H，鈉也會把電子強行塞給它，所以 NaH 表現出離子化合物的性質。當鈉單質和氧氣反應的時候，如果給它提供了稍微溫暖的條件加熱，則由于其極強的還原性，就會把氧氣還原得面目全非，所以產物就不再是普通的氧化物，而是過氧化物。同樣，正因為其極強的還原性，所以NaOH 的堿性極強，故稱之為燒堿。至于碳酸鈉和碳酸氫鈉為什么會水解呈較強的堿性，也是受這個強還原性影響的。這樣，可以使學生先看到這個家族的整體面貌，理解其基本行為習性。然后在此基礎上，以核心物質 Na2O2、Na2CO3和 NaHCO3為實驗探究點，進入內部深入探究各物質的性質及用途，并使性質與原理、結構水乳相融，這樣可以更好地幫助學生完善知識結構，重建學科知識體系。這樣一種“先見森林，再見樹木”的教學，實際上就是將整個學科或一部分知識體系視作一個系統，讓學生先從整體上感知學科精神、學科面貌和學科特征，然后再探究學科內部具體的知識和內容。這樣便有利于學生既能綜觀全局，又能重點突破，學生所面對和掌握的東西也不再是支離破碎的，而是彼此有著規律性聯系。

當學生將具體的化學事實性東西都忘掉以后，在他頭腦中剩下的東西，就是根植于學生頭腦的化學基本觀念，它是學生主動運用化學思想方法認識身邊事物和處理問題的自覺意識或思維習慣。可以說化學基本觀念的養成是我們高中化學教學的邏輯起點和最終目標。而觀念的形成不是一朝一夕的，也不是你強硬塞給他的。這是一個系統化的內化過程。因此，我們化學教師在整個高中三年的時間里要有計劃、有目的、有策略的幫助學生形成牢固的化學基本觀念，就需要我們進行系統化研究，幫助學生形成系統化的思維模式和習慣。真實的教學過程是一個多維的、動態的系統，只有系統中各要素有機結合才能發揮出系統的最大功效。