例談系統(tǒng)思維在高中化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

黃發(fā)基

【摘 要】系統(tǒng)思維是科學(xué)發(fā)展中的重要指導(dǎo)思想，對于知識的系統(tǒng)化和建構(gòu)有序的思維體系發(fā)揮著重要的作用。本文結(jié)合高中化學(xué)學(xué)習內(nèi)容，通過合成氨條件的選擇、氧化還原反應(yīng)的系統(tǒng)化行為、堿金屬單質(zhì)及其化合物的系統(tǒng)化復(fù)習等三個例子，探討了系統(tǒng)思維在高中化學(xué)教學(xué)中的相關(guān)應(yīng)用。本文對于應(yīng)用系統(tǒng)思維于化學(xué)教學(xué)有一定的啟發(fā)和借鑒意義。

【關(guān)鍵詞】系統(tǒng)思維 合成氨條件 氧化還原反應(yīng) 堿金屬

系統(tǒng)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(gòu)建起整體的、相互聯(lián)系的思維體系。對化學(xué)教學(xué)而言，也就是說，不能簡單地、孤立地來看化學(xué)問題，而應(yīng)該把它放在課程目標和教育目的的大系統(tǒng)中進行系統(tǒng)化設(shè)計，以促進學(xué)生加深對科學(xué)本質(zhì)的認識，更深刻地認識化學(xué)科學(xué)、化學(xué)技術(shù)和社會之間的相互關(guān)系，逐步樹立可持續(xù)發(fā)展的思想，從而培養(yǎng)學(xué)生的社會責任感、參與意識和決策能力。對很多化學(xué)的教學(xué)內(nèi)容，從系統(tǒng)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(nèi)容系統(tǒng)的整體面貌，并把握各部分內(nèi)容之間的關(guān)聯(lián)性；另一方面要結(jié)合人類探索物質(zhì)及其變化的歷史與化學(xué)科學(xué)發(fā)展的趨勢，深入內(nèi)部（也就是更小的系統(tǒng)）細致研究各組分的特征表現(xiàn)及其系統(tǒng)化行為。下面，就結(jié)合高中化學(xué)學(xué)習內(nèi)容，舉例探討一下系統(tǒng)思維在高中化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用。

一、合成氨條件的選擇

化學(xué)發(fā)展史中合成氨條件的選擇是比較典型的系統(tǒng)思維的例子。一方面，為提高原料的轉(zhuǎn)化率，應(yīng)采取低溫、高壓和適時分離出氨氣，另一方面，則為加快反應(yīng)速率，應(yīng)采取高溫、高壓和使用催化劑?？梢?，對速率和轉(zhuǎn)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(fā)系統(tǒng)地思考問題，不僅要考慮反應(yīng)速率和轉(zhuǎn)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(xué)家哈伯在經(jīng)歷了數(shù)千次的實驗后，采用了“保系統(tǒng)的全局利益以降低系統(tǒng)某部分的功能為代價”的方式，提出了合成氨的最優(yōu)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(nóng)業(yè)的發(fā)展。因此在 1918 年他被瑞典皇家科學(xué)院授予了諾貝爾化學(xué)獎，但卻激起了世界眾多科學(xué)家的強烈反對和譴責。因為哈伯在第一次世界大戰(zhàn)期間負責研制、生產(chǎn)氯氣、芥子氣等毒氣，并使用于戰(zhàn)爭之中，造成近百萬人傷亡。這也就是把科學(xué)放在一個更大的系統(tǒng)中，科學(xué)及科學(xué)家的社會價值都是我們應(yīng)該系統(tǒng)化思考的因素。這樣一種系統(tǒng)化的思考，可以幫助學(xué)生深刻地認識化學(xué)與科學(xué)、技術(shù)、社會及人類生活的密切關(guān)系。

二、氧化還原反應(yīng)的系統(tǒng)化行為

對氧化還原反應(yīng)的認識，我們從系統(tǒng)的角度就會發(fā)現(xiàn)，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(tǒng)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(dǎo)線在中間傳遞，那就構(gòu)成了原電池，可以對外做功；如果在同一電解系統(tǒng)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(tǒng)行為的結(jié)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(tǒng)，這就是根據(jù)平衡移動和熵增原理在工業(yè)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(zhì)，則需要在反應(yīng)條件、效率、環(huán)境等方面衡量和比較，找到最佳生產(chǎn)方式；扔和搶的能力越強，反應(yīng)自發(fā)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(zhì)期，但是過量的添加劑對人體健康又是有害的。從這個系統(tǒng)的角度看，就會發(fā)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)變得有序而有趣，化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生既是具體物質(zhì)性質(zhì)的使然，又是該物質(zhì)存在系統(tǒng)中的系統(tǒng)行為的必然結(jié)果，對化學(xué)反應(yīng)的認識，也不再是局限于反應(yīng)本身，而是放在了與自然界相互作用的關(guān)系中。這樣一種系統(tǒng)化的思考，不僅有利于學(xué)生對化學(xué)知識體系的整體把握，而且能夠幫助他們在系統(tǒng)思考中發(fā)現(xiàn)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(zhì)及其化合物的系統(tǒng)化復(fù)習

在高中化學(xué)內(nèi)容體系中，堿金屬單質(zhì)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(zhì)的性質(zhì)及行為表現(xiàn)實際上都是受這個家族的本質(zhì)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(xiàn)出離子化合物的性質(zhì)。當鈉單質(zhì)和氧氣反應(yīng)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(chǎn)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(xué)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(chǔ)上，以核心物質(zhì) Na2O2、Na2CO3和 NaHCO3為實驗探究點，進入內(nèi)部深入探究各物質(zhì)的性質(zhì)及用途，并使性質(zhì)與原理、結(jié)構(gòu)水乳相融，這樣可以更好地幫助學(xué)生完善知識結(jié)構(gòu)，重建學(xué)科知識體系。這樣一種“先見森林，再見樹木”的教學(xué)，實際上就是將整個學(xué)科或一部分知識體系視作一個系統(tǒng)，讓學(xué)生先從整體上感知學(xué)科精神、學(xué)科面貌和學(xué)科特征，然后再探究學(xué)科內(nèi)部具體的知識和內(nèi)容。這樣便有利于學(xué)生既能綜觀全局，又能重點突破，學(xué)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(guī)律性聯(lián)系。

當學(xué)生將具體的化學(xué)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(xué)生頭腦的化學(xué)基本觀念，它是學(xué)生主動運用化學(xué)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?？梢哉f化學(xué)基本觀念的養(yǎng)成是我們高中化學(xué)教學(xué)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(tǒng)化的內(nèi)化過程。因此，我們化學(xué)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(xué)生形成牢固的化學(xué)基本觀念，就需要我們進行系統(tǒng)化研究，幫助學(xué)生形成系統(tǒng)化的思維模式和習慣。真實的教學(xué)過程是一個多維的、動態(tài)的系統(tǒng)，只有系統(tǒng)中各要素有機結(jié)合才能發(fā)揮出系統(tǒng)的最大功效。