系统思维在高中化学教学中的应用研究

陈怡

摘要：关联性是系统的基本特征之一。运用系统的关联性设计化学实验方案，即深入系统内部找出系统中的主要结构，再将主要结构进行整合，整体把握，设计出实验方案。这对培养学生系统思维、帮助学生学会学习、促进学生提升科学探究的学科核心素养有重要意义。

关键词：关联性结构;物质转化;实验操作

文章编号：1008-0546（2019）01-0023-02 中图分类号：G632.41 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2019.01.006

《普通高中化学课程标准（2017年版）》提出学生通过化学学习应能提高“科学探究与创新意识”的学科核心素养。近三年江苏化学高考题中每年都设置了设计化学实验方案的填空题，落实了基于这一化学学科核心素养的评价，即学生通过化学学习“能从问题和假设出发，依据探究目的，设计探究方案，运用化学实验方法进行实验探究”。设计实验方案也是一种科学探究。事实上，即使是高三学生，设计化学实验方案的能力薄弱也是普遍现象。化学实验是认识物质及其变化的基本方法，化学实验方案就像化学实验的“地图”，因此，从高一起就要引导学生重视设计化学实验方案。设计化学实验方案，是一个系统工程，可以运用系统的关联性进行设计。

一、系统的关联性简介

“从哲学的普遍联系原理看，现实世界中的系统是绝对的、普遍的，没有一个现实的事物完全不可被看作系统。一切事物都以系统方式存在，都可以用系统方法研究，这是系统科学的基本信念 [1]。” 系统是元素与结构的统一。“同一系统的不同元素之间按一定方式相互联系、相互作用，不存在与其他元素无任何联系的孤立元。所谓‘一定方式的联系，意在要求元素之間的联系有某种确定性、秩序性，人们能够据以辨认该系统 [2]。”元素之间的关联性产生了系统内部的结构，人们可由系统内部的结构来辨认系统。

设计化学实验方案，即指实验者在实施化学实验前，根据化学实验目的和要求，运用化学知识和技能，分析实验原理，确定需要的仪器和试剂，对实验步骤进行合理安排与规划。一个完整的化学实验方案也是一个系统。化学实验离不开实验试剂、实验操作。化学实验所需的各种试剂、实验操作为化学实验方案系统中的元素，实验试剂与实验试剂、实验操作与实验操作、实验试剂与实验操作之间的关联即为化学实验方案系统中的结构。因此，设计化学实验方案是一个由下级向上级、由部分到整体主动构建化学实验系统的过程。根据系统的关联性特征，找出化学实验系统中结构的一般存在，对设计化学实验方案有很重要的作用。

二、化学科学实验系统中的结构

中学化学学习阶段，学生接受的主要是科学实验思维的培养，这种思维方式聚焦在实验目的、化学反应原理、实验装置和操作步骤上。化学科学实验的思维模型可归纳如下图[3]。

可见，被设计的化学实验方案系统中有两个主要结构，即物质转化、实验操作。物质与物质的反应、分离均需由实验操作实现，选择哪种实验操作则由物质转化决定，因此，这两个结构框架是相互融合、不可分离的。找出每个实验中的这两个结构，为设计化学实验方案奠定了基础。

三、设计化学实验方案的策略

粗盐的提纯是高中化学一个重要的教学内容，出现在《化学》（必修1）苏教版教材的专题一第二单元——研究物质的实验方法。以此为例来说明设计实验方案的步骤。

在粗盐中往往含有泥沙和可溶性杂质，如Ca2+、Mg2+、SO2-4 等离子。设计实验方案除去这些杂质，获得纯净的氯化钠晶体。

1.梳理物质转化流程

除去粗盐中Ca2+可选择CO2-3 、除去Mg2+可选择OH-、除去SO2-4 可选择Ba2+，遵循不引入新杂质原则，应依次选择Na2CO3溶液、NaOH溶液、BaCl2溶液，使杂质转化为易清除的CaCO3沉淀、Mg（OH）2沉淀、

BaSO4沉淀。为了确保杂质离子被完全沉淀，所加沉淀剂需过量，过量的沉淀剂会引入新的杂质，必须由后加入的沉淀剂除去，因此，除杂时需考虑物质转化的顺序。综合整个过程，加入沉淀剂的合理顺序有三种：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种为例，杂质离子的转化流程如图2：

2.确定实验操作

根据物质转化，需要解决一个实验操作问题：需加入过量沉淀剂，怎么判断所加试剂已过量？可以证明溶液中无杂质离子或有加入的沉淀剂中含有的离子，两种思路选择的实验操作也不相同，根据便捷性，选择证明溶液中无杂质离子。比如，检验SO2-4 已被完全沉淀的操作为：向溶解所得溶液中加入BaCl2溶液至有大量沉淀生成，静置，向上层清液中滴加BaCl2溶液，若无沉淀生成，则SO2-4 被完全沉淀，可进行下一步操作。审视整个实验过程，首先应除去泥沙，用溶解过滤的方法除去，泥沙的过滤可以与BaSO4的过滤合并，CaCO3与Mg（OH）2合并过滤。（之所以BaSO4沉淀要及时过滤，是因为在后面加入过量Na2CO3溶液时，可能会出现溶解平衡移动，即BaSO4转化为BaCO3，SO2-4 被释放，仍然留在滤液中。这对不同年级的学生应该做不同的要求。）

3.描述实验方案

将两个结构融合，细化实验方案，用规范的化学语言描述实验过程。

称取3g粗盐于烧杯中，加入10mL水加热溶解。向其中滴加BaCl2溶液，至有大量沉淀生成，静置，向上层清液中滴加BaCl2溶液，若无沉淀生成，过滤。取滤液，依次加入NaOH溶液、Na2CO3溶液，并分别检验沉淀是否完全，过滤，向滤液中加入盐酸，搅拌，调pH<3，蒸发结晶，过滤、洗涤、干燥，得精盐。

可见，设计化学实验方案对思维有很大的挑战。设计过程中，需要从单一离子的去除方法深入到去除顺序、离子沉淀是否完全的检验、调溶液的pH及具体的操作，由表及里、多角度、动态地分析微观系统，运用分析、推理等方法判断物质组成的变化，从而推测如何安排化学实验过程，并进行物质转化、实验操作的前后自洽。实验系统内，物质转化与实验操作互相关联，物质转化过程是确定实验操作的基础，在实验操作中实现了物质转化，两者密不可分、相互融合。实验方案生成的过程既是对实验分解的过程，也是整合实验的过程。运用系统的关联性设计实验方案，是一种系统思维方法。习得这种方法，这已经超越了设计实验方案本身。学生可以进一步领悟到溶液是个系统的存在，溶液具有的性质实际是系统内微观粒子之间相互影响、相互作用的结果，也为学习溶液中的化学平衡埋下了伏笔。

四、结语

设计化学实验方案时，已有信息虽然多而无序，但表观的杂乱无序下自有其存在的系统，存在有序性。学生完成一次实验方案的设计，经历了深入系统内找出隐藏的主要结构、又跳出系统整体把握的思维过程，其思维经历了一次复杂而高级的有序运动。在这个过程中，化学学科本质的浮现、化学研究中特有的观念、思考问题的独特角度、特有的思维方式彰显着化学学科的魅力，激发了学生的化学学习兴趣。因此，设计实验方案的过程，是一次深度学习的过程。它虽然只是思维层面的实验，但在设计的过程出现了一种分析问题的思维方式——系统思维，这对提升学生化学思维品质、帮助培养学生“学会学习”、促进学生提升科学探究的核心素养有着重要的意义。系统的关联性还可用于认识溶液中的化学平衡、高三复习课等。

系统思维是一种基本的思维方式，它更趋向于辩证思维方式。学生在成长过程中，需要习得这种思维方式。帮助学生形成系统思维的思维习惯，不仅有益于当下的学习，也将对学生未来的成长产生深远的影响。

参考文献

[1][2]苗东升.系统科学精要（第4版）[M].北京：中国人民大学出版社，2016：21-22

[3] 王钦忠，高明.浅议中学化学教学联系化工案例的思考与实践[J].化学教学，2018（2）：25-29