例谈系统思维在高中化学教学中的应用

黄发基

【摘 要】系统思维是科学发展中的重要指导思想，对于知识的系统化和建构有序的思维体系发挥着重要的作用。本文结合高中化学学习内容，通过合成氨条件的选择、氧化还原反应的系统化行为、碱金属单质及其化合物的系统化复习等三个例子，探讨了系统思维在高中化学教学中的相关应用。本文对于应用系统思维于化学教学有一定的启发和借鉴意义。

【关键词】系统思维 合成氨条件 氧化还原反应 碱金属

系统思维是相对片面思维、零散思维而言的，是指在思维活动中构建起整体的、相互联系的思维体系。对化学教学而言，也就是说，不能简单地、孤立地来看化学问题，而应该把它放在课程目标和教育目的的大系统中进行系统化设计，以促进学生加深对科学本质的认识，更深刻地认识化学科学、化学技术和社会之间的相互关系，逐步树立可持续发展的思想，从而培养学生的社会责任感、参与意识和决策能力。对很多化学的教学内容，从系统思维的角度看，一方面要放在人类文化背景下，从宏观上认识各个内容系统的整体面貌，并把握各部分内容之间的关联性；另一方面要结合人类探索物质及其变化的历史与化学科学发展的趋势，深入内部（也就是更小的系统）细致研究各组分的特征表现及其系统化行为。下面，就结合高中化学学习内容，举例探讨一下系统思维在高中化学教学中的应用。

一、合成氨条件的选择

化学发展史中合成氨条件的选择是比较典型的系统思维的例子。一方面，为提高原料的转化率，应采取低温、高压和适时分离出氨气，另一方面，则为加快反应速率，应采取高温、高压和使用催化剂。可见，对速率和转化率来说，温度是矛盾因素，压强是一致因素。在这种情况下，必须从整体出发系统地思考问题，不仅要考虑反应速率和转化率的高低，还要考虑实际操作的可能性，即从材料的耐压和增压，投入的成本等综合考虑。最终，德国化学家哈伯在经历了数千次的实验后，采用了“保系统的全局利益以降低系统某部分的功能为代价”的方式，提出了合成氨的最优化条件，使人类从此摆脱了依靠天然氮肥的被动局面，加速了世界农业的发展。因此在 1918 年他被瑞典皇家科学院授予了诺贝尔化学奖，但却激起了世界众多科学家的强烈反对和谴责。因为哈伯在第一次世界大战期间负责研制、生产氯气、芥子气等毒气，并使用于战争之中，造成近百万人伤亡。这也就是把科学放在一个更大的系统中，科学及科学家的社会价值都是我们应该系统化思考的因素。这样一种系统化的思考，可以帮助学生深刻地认识化学与科学、技术、社会及人类生活的密切关系。

二、氧化还原反应的系统化行为

对氧化还原反应的认识，我们从系统的角度就会发现，它只不过是在氧化剂和还原剂之间玩起了传递电子的游戏。在一个系统中，如果多人扔电子，得看谁扔的快；如果多人抢电子，得看谁抢的快；如果扔和抢在不同的位置，电子通过导线在中间传递，那就构成了原电池，可以对外做功；如果在同一电解系统中，那么扔和抢的能力则变成了离子的放电顺序，电镀锌则是锌离子和氢离子浓度影响其系统行為的结果；如果能力不足以抢到电子，那么跳起来抢，一旦把电子抱到后就立刻飞走，即脱离系统，这就是根据平衡移动和熵增原理在工业上由钠制备钾的做法；如果金属离子有多种途径抢得电子还原成单质，则需要在反应条件、效率、环境等方面衡量和比较，找到最佳生产方式；扔和抢的能力越强，反应自发进行的程度就越大；如果在食品或药品中加入还原剂去抢得氧气的电子，则可以延长保质期，但是过量的添加剂对人体健康又是有害的。从这个系统的角度看，就会发现化学反应变得有序而有趣，化学反应的发生既是具体物质性质的使然，又是该物质存在系统中的系统行为的必然结果，对化学反应的认识，也不再是局限于反应本身，而是放在了与自然界相互作用的关系中。这样一种系统化的思考，不仅有利于学生对化学知识体系的整体把握，而且能够帮助他们在系统思考中发现有利于迁移的知识，提升其对世界的整体认知和解决问题的能力。

三、碱金属单质及其化合物的系统化复习

在高中化学内容体系中，碱金属单质及其化合物主要包括钠、氧化钠、过氧化钠、氢氧化钠、碳酸钠和碳酸氢钠。这些物质的性质及行为表现实际上都是受这个家族的本质特性——极强的活泼性影响的。钠活泼性非常强，极易失去电子，即使遇到得电子能力不是特别强的H，钠也会把电子强行塞给它，所以 NaH 表现出离子化合物的性质。当钠单质和氧气反应的时候，如果给它提供了稍微温暖的条件加热，则由于其极强的还原性，就会把氧气还原得面目全非，所以产物就不再是普通的氧化物，而是过氧化物。同样，正因为其极强的还原性，所以NaOH 的碱性极强，故称之为烧碱。至于碳酸钠和碳酸氢钠为什么会水解呈较强的碱性，也是受这个强还原性影响的。这样，可以使学生先看到这个家族的整体面貌，理解其基本行为习性。然后在此基础上，以核心物质 Na2O2、Na2CO3和 NaHCO3为实验探究点，进入内部深入探究各物质的性质及用途，并使性质与原理、结构水乳相融，这样可以更好地帮助学生完善知识结构，重建学科知识体系。这样一种“先见森林，再见树木”的教学，实际上就是将整个学科或一部分知识体系视作一个系统，让学生先从整体上感知学科精神、学科面貌和学科特征，然后再探究学科内部具体的知识和内容。这样便有利于学生既能综观全局，又能重点突破，学生所面对和掌握的东西也不再是支离破碎的，而是彼此有着规律性联系。

当学生将具体的化学事实性东西都忘掉以后，在他头脑中剩下的东西，就是根植于学生头脑的化学基本观念，它是学生主动运用化学思想方法认识身边事物和处理问题的自觉意识或思维习惯。可以说化学基本观念的养成是我们高中化学教学的逻辑起点和最终目标。而观念的形成不是一朝一夕的，也不是你强硬塞给他的。这是一个系统化的内化过程。因此，我们化学教师在整个高中三年的时间里要有计划、有目的、有策略的帮助学生形成牢固的化学基本观念，就需要我们进行系统化研究，帮助学生形成系统化的思维模式和习惯。真实的教学过程是一个多维的、动态的系统，只有系统中各要素有机结合才能发挥出系统的最大功效。