系統思維在高中化學教學中的應用研究

陳怡

摘要：關聯性是系統的基本特征之一。運用系統的關聯性設計化學實驗方案，即深入系統內部找出系統中的主要結構，再將主要結構進行整合，整體把握，設計出實驗方案。這對培養學生系統思維、幫助學生學會學習、促進學生提升科學探究的學科核心素養有重要意義。

關鍵詞：關聯性結構;物質轉化;實驗操作

文章編號：1008-0546（2019）01-0023-02 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2019.01.006

《普通高中化學課程標準（2017年版）》提出學生通過化學學習應能提高“科學探究與創新意識”的學科核心素養。近三年江蘇化學高考題中每年都設置了設計化學實驗方案的填空題，落實了基于這一化學學科核心素養的評價，即學生通過化學學習“能從問題和假設出發，依據探究目的，設計探究方案，運用化學實驗方法進行實驗探究”。設計實驗方案也是一種科學探究。事實上，即使是高三學生，設計化學實驗方案的能力薄弱也是普遍現象。化學實驗是認識物質及其變化的基本方法，化學實驗方案就像化學實驗的“地圖”，因此，從高一起就要引導學生重視設計化學實驗方案。設計化學實驗方案，是一個系統工程，可以運用系統的關聯性進行設計。

一、系統的關聯性簡介

“從哲學的普遍聯系原理看，現實世界中的系統是絕對的、普遍的，沒有一個現實的事物完全不可被看作系統。一切事物都以系統方式存在，都可以用系統方法研究，這是系統科學的基本信念 [1]。” 系統是元素與結構的統一。“同一系統的不同元素之間按一定方式相互聯系、相互作用，不存在與其他元素無任何聯系的孤立元。所謂‘一定方式的聯系，意在要求元素之間的聯系有某種確定性、秩序性，人們能夠據以辨認該系統 [2]。”元素之間的關聯性產生了系統內部的結構，人們可由系統內部的結構來辨認系統。

設計化學實驗方案，即指實驗者在實施化學實驗前，根據化學實驗目的和要求，運用化學知識和技能，分析實驗原理，確定需要的儀器和試劑，對實驗步驟進行合理安排與規劃。一個完整的化學實驗方案也是一個系統。化學實驗離不開實驗試劑、實驗操作。化學實驗所需的各種試劑、實驗操作為化學實驗方案系統中的元素，實驗試劑與實驗試劑、實驗操作與實驗操作、實驗試劑與實驗操作之間的關聯即為化學實驗方案系統中的結構。因此，設計化學實驗方案是一個由下級向上級、由部分到整體主動構建化學實驗系統的過程。根據系統的關聯性特征，找出化學實驗系統中結構的一般存在，對設計化學實驗方案有很重要的作用。

二、化學科學實驗系統中的結構

中學化學學習階段，學生接受的主要是科學實驗思維的培養，這種思維方式聚焦在實驗目的、化學反應原理、實驗裝置和操作步驟上。化學科學實驗的思維模型可歸納如下圖[3]。

可見，被設計的化學實驗方案系統中有兩個主要結構，即物質轉化、實驗操作。物質與物質的反應、分離均需由實驗操作實現，選擇哪種實驗操作則由物質轉化決定，因此，這兩個結構框架是相互融合、不可分離的。找出每個實驗中的這兩個結構，為設計化學實驗方案奠定了基礎。

三、設計化學實驗方案的策略

粗鹽的提純是高中化學一個重要的教學內容，出現在《化學》（必修1）蘇教版教材的專題一第二單元——研究物質的實驗方法。以此為例來說明設計實驗方案的步驟。

在粗鹽中往往含有泥沙和可溶性雜質，如Ca2+、Mg2+、SO2-4 等離子。設計實驗方案除去這些雜質，獲得純凈的氯化鈉晶體。

1.梳理物質轉化流程

除去粗鹽中Ca2+可選擇CO2-3 、除去Mg2+可選擇OH-、除去SO2-4 可選擇Ba2+，遵循不引入新雜質原則，應依次選擇Na2CO3溶液、NaOH溶液、BaCl2溶液，使雜質轉化為易清除的CaCO3沉淀、Mg（OH）2沉淀、

BaSO4沉淀。為了確保雜質離子被完全沉淀，所加沉淀劑需過量，過量的沉淀劑會引入新的雜質，必須由后加入的沉淀劑除去，因此，除雜時需考慮物質轉化的順序。綜合整個過程，加入沉淀劑的合理順序有三種：①BaCl2溶液、NaOH溶液、Na2CO3溶液;②NaOH溶液、BaCl2溶液、Na2CO3溶液;③BaCl2溶液、Na2CO3溶液、NaOH溶液。以第①種為例，雜質離子的轉化流程如圖2：

2.確定實驗操作

根據物質轉化，需要解決一個實驗操作問題：需加入過量沉淀劑，怎么判斷所加試劑已過量？可以證明溶液中無雜質離子或有加入的沉淀劑中含有的離子，兩種思路選擇的實驗操作也不相同，根據便捷性，選擇證明溶液中無雜質離子。比如，檢驗SO2-4 已被完全沉淀的操作為：向溶解所得溶液中加入BaCl2溶液至有大量沉淀生成，靜置，向上層清液中滴加BaCl2溶液，若無沉淀生成，則SO2-4 被完全沉淀，可進行下一步操作。審視整個實驗過程，首先應除去泥沙，用溶解過濾的方法除去，泥沙的過濾可以與BaSO4的過濾合并，CaCO3與Mg（OH）2合并過濾。（之所以BaSO4沉淀要及時過濾，是因為在后面加入過量Na2CO3溶液時，可能會出現溶解平衡移動，即BaSO4轉化為BaCO3，SO2-4 被釋放，仍然留在濾液中。這對不同年級的學生應該做不同的要求。）

3.描述實驗方案

將兩個結構融合，細化實驗方案，用規范的化學語言描述實驗過程。

稱取3g粗鹽于燒杯中，加入10mL水加熱溶解。向其中滴加BaCl2溶液，至有大量沉淀生成，靜置，向上層清液中滴加BaCl2溶液，若無沉淀生成，過濾。取濾液，依次加入NaOH溶液、Na2CO3溶液，并分別檢驗沉淀是否完全，過濾，向濾液中加入鹽酸，攪拌，調pH<3，蒸發結晶，過濾、洗滌、干燥，得精鹽。

可見，設計化學實驗方案對思維有很大的挑戰。設計過程中，需要從單一離子的去除方法深入到去除順序、離子沉淀是否完全的檢驗、調溶液的pH及具體的操作，由表及里、多角度、動態地分析微觀系統，運用分析、推理等方法判斷物質組成的變化，從而推測如何安排化學實驗過程，并進行物質轉化、實驗操作的前后自洽。實驗系統內，物質轉化與實驗操作互相關聯，物質轉化過程是確定實驗操作的基礎，在實驗操作中實現了物質轉化，兩者密不可分、相互融合。實驗方案生成的過程既是對實驗分解的過程，也是整合實驗的過程。運用系統的關聯性設計實驗方案，是一種系統思維方法。習得這種方法，這已經超越了設計實驗方案本身。學生可以進一步領悟到溶液是個系統的存在，溶液具有的性質實際是系統內微觀粒子之間相互影響、相互作用的結果，也為學習溶液中的化學平衡埋下了伏筆。

四、結語

設計化學實驗方案時，已有信息雖然多而無序，但表觀的雜亂無序下自有其存在的系統，存在有序性。學生完成一次實驗方案的設計，經歷了深入系統內找出隱藏的主要結構、又跳出系統整體把握的思維過程，其思維經歷了一次復雜而高級的有序運動。在這個過程中，化學學科本質的浮現、化學研究中特有的觀念、思考問題的獨特角度、特有的思維方式彰顯著化學學科的魅力，激發了學生的化學學習興趣。因此，設計實驗方案的過程，是一次深度學習的過程。它雖然只是思維層面的實驗，但在設計的過程出現了一種分析問題的思維方式——系統思維，這對提升學生化學思維品質、幫助培養學生“學會學習”、促進學生提升科學探究的核心素養有著重要的意義。系統的關聯性還可用于認識溶液中的化學平衡、高三復習課等。

系統思維是一種基本的思維方式，它更趨向于辯證思維方式。學生在成長過程中，需要習得這種思維方式。幫助學生形成系統思維的思維習慣，不僅有益于當下的學習，也將對學生未來的成長產生深遠的影響。

參考文獻

[1][2]苗東升.系統科學精要（第4版）[M].北京：中國人民大學出版社，2016：21-22

[3] 王欽忠，高明.淺議中學化學教學聯系化工案例的思考與實踐[J].化學教學，2018（2）：25-29