系統(tǒng)思維在高中化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用研究

陳怡

摘要：關(guān)聯(lián)性是系統(tǒng)的基本特征之一。運(yùn)用系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)性設(shè)計化學(xué)實驗方案，即深入系統(tǒng)內(nèi)部找出系統(tǒng)中的主要結(jié)構(gòu)，再將主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行整合，整體把握，設(shè)計出實驗方案。這對培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)思維、幫助學(xué)生學(xué)會學(xué)習(xí)、促進(jìn)學(xué)生提升科學(xué)探究的學(xué)科核心素養(yǎng)有重要意義。

關(guān)鍵詞：關(guān)聯(lián)性結(jié)構(gòu);物質(zhì)轉(zhuǎn)化;實驗操作

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

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2019.01.006

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》提出學(xué)生通過化學(xué)學(xué)習(xí)應(yīng)能提高“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”的學(xué)科核心素養(yǎng)。近三年江蘇化學(xué)高考題中每年都設(shè)置了設(shè)計化學(xué)實驗方案的填空題，落實了基于這一化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的評價，即學(xué)生通過化學(xué)學(xué)習(xí)“能從問題和假設(shè)出發(fā)，依據(jù)探究目的，設(shè)計探究方案，運(yùn)用化學(xué)實驗方法進(jìn)行實驗探究”。設(shè)計實驗方案也是一種科學(xué)探究。事實上，即使是高三學(xué)生，設(shè)計化學(xué)實驗方案的能力薄弱也是普遍現(xiàn)象。化學(xué)實驗是認(rèn)識物質(zhì)及其變化的基本方法，化學(xué)實驗方案就像化學(xué)實驗的“地圖”，因此，從高一起就要引導(dǎo)學(xué)生重視設(shè)計化學(xué)實驗方案。設(shè)計化學(xué)實驗方案，是一個系統(tǒng)工程，可以運(yùn)用系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行設(shè)計。

一、系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)性簡介

“從哲學(xué)的普遍聯(lián)系原理看，現(xiàn)實世界中的系統(tǒng)是絕對的、普遍的，沒有一個現(xiàn)實的事物完全不可被看作系統(tǒng)。一切事物都以系統(tǒng)方式存在，都可以用系統(tǒng)方法研究，這是系統(tǒng)科學(xué)的基本信念 [1]。” 系統(tǒng)是元素與結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一?！巴幌到y(tǒng)的不同元素之間按一定方式相互聯(lián)系、相互作用，不存在與其他元素?zé)o任何聯(lián)系的孤立元。所謂‘一定方式的聯(lián)系，意在要求元素之間的聯(lián)系有某種確定性、秩序性，人們能夠據(jù)以辨認(rèn)該系統(tǒng) [2]?！痹刂g的關(guān)聯(lián)性產(chǎn)生了系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，人們可由系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)來辨認(rèn)系統(tǒng)。

設(shè)計化學(xué)實驗方案，即指實驗者在實施化學(xué)實驗前，根據(jù)化學(xué)實驗?zāi)康暮鸵?，運(yùn)用化學(xué)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(jìn)行合理安排與規(guī)劃。一個完整的化學(xué)實驗方案也是一個系統(tǒng)?；瘜W(xué)實驗離不開實驗試劑、實驗操作。化學(xué)實驗所需的各種試劑、實驗操作為化學(xué)實驗方案系統(tǒng)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(guān)聯(lián)即為化學(xué)實驗方案系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)。因此，設(shè)計化學(xué)實驗方案是一個由下級向上級、由部分到整體主動構(gòu)建化學(xué)實驗系統(tǒng)的過程。根據(jù)系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)性特征，找出化學(xué)實驗系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)的一般存在，對設(shè)計化學(xué)實驗方案有很重要的作用。

二、化學(xué)科學(xué)實驗系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)

中學(xué)化學(xué)學(xué)習(xí)階段，學(xué)生接受的主要是科學(xué)實驗思維的培養(yǎng)，這種思維方式聚焦在實驗?zāi)康?、化學(xué)反應(yīng)原理、實驗裝置和操作步驟上。化學(xué)科學(xué)實驗的思維模型可歸納如下圖[3]。

可見，被設(shè)計的化學(xué)實驗方案系統(tǒng)中有兩個主要結(jié)構(gòu)，即物質(zhì)轉(zhuǎn)化、實驗操作。物質(zhì)與物質(zhì)的反應(yīng)、分離均需由實驗操作實現(xiàn)，選擇哪種實驗操作則由物質(zhì)轉(zhuǎn)化決定，因此，這兩個結(jié)構(gòu)框架是相互融合、不可分離的。找出每個實驗中的這兩個結(jié)構(gòu)，為設(shè)計化學(xué)實驗方案奠定了基礎(chǔ)。

三、設(shè)計化學(xué)實驗方案的策略

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

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

1.梳理物質(zhì)轉(zhuǎn)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(zhì)原則，應(yīng)依次選擇Na2CO3溶液、NaOH溶液、BaCl2溶液，使雜質(zhì)轉(zhuǎn)化為易清除的CaCO3沉淀、Mg（OH）2沉淀、

BaSO4沉淀。為了確保雜質(zhì)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(zhì)，必須由后加入的沉淀劑除去，因此，除雜時需考慮物質(zhì)轉(zhuǎn)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(zhì)離子的轉(zhuǎn)化流程如圖2：

2.確定實驗操作

根據(jù)物質(zhì)轉(zhuǎn)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(zhì)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(jù)便捷性，選擇證明溶液中無雜質(zhì)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(jìn)行下一步操作。審視整個實驗過程，首先應(yīng)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(xiàn)溶解平衡移動，即BaSO4轉(zhuǎn)化為BaCO3，SO2-4 被釋放，仍然留在濾液中。這對不同年級的學(xué)生應(yīng)該做不同的要求。）

3.描述實驗方案

將兩個結(jié)構(gòu)融合，細(xì)化實驗方案，用規(guī)范的化學(xué)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(diào)pH<3，蒸發(fā)結(jié)晶，過濾、洗滌、干燥，得精鹽。

可見，設(shè)計化學(xué)實驗方案對思維有很大的挑戰(zhàn)。設(shè)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(diào)溶液的pH及具體的操作，由表及里、多角度、動態(tài)地分析微觀系統(tǒng)，運(yùn)用分析、推理等方法判斷物質(zhì)組成的變化，從而推測如何安排化學(xué)實驗過程，并進(jìn)行物質(zhì)轉(zhuǎn)化、實驗操作的前后自洽。實驗系統(tǒng)內(nèi)，物質(zhì)轉(zhuǎn)化與實驗操作互相關(guān)聯(lián)，物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程是確定實驗操作的基礎(chǔ)，在實驗操作中實現(xiàn)了物質(zhì)轉(zhuǎn)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(yùn)用系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)性設(shè)計實驗方案，是一種系統(tǒng)思維方法。習(xí)得這種方法，這已經(jīng)超越了設(shè)計實驗方案本身。學(xué)生可以進(jìn)一步領(lǐng)悟到溶液是個系統(tǒng)的存在，溶液具有的性質(zhì)實際是系統(tǒng)內(nèi)微觀粒子之間相互影響、相互作用的結(jié)果，也為學(xué)習(xí)溶液中的化學(xué)平衡埋下了伏筆。

四、結(jié)語

設(shè)計化學(xué)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(tǒng)，存在有序性。學(xué)生完成一次實驗方案的設(shè)計，經(jīng)歷了深入系統(tǒng)內(nèi)找出隱藏的主要結(jié)構(gòu)、又跳出系統(tǒng)整體把握的思維過程，其思維經(jīng)歷了一次復(fù)雜而高級的有序運(yùn)動。在這個過程中，化學(xué)學(xué)科本質(zhì)的浮現(xiàn)、化學(xué)研究中特有的觀念、思考問題的獨(dú)特角度、特有的思維方式彰顯著化學(xué)學(xué)科的魅力，激發(fā)了學(xué)生的化學(xué)學(xué)習(xí)興趣。因此，設(shè)計實驗方案的過程，是一次深度學(xué)習(xí)的過程。它雖然只是思維層面的實驗，但在設(shè)計的過程出現(xiàn)了一種分析問題的思維方式——系統(tǒng)思維，這對提升學(xué)生化學(xué)思維品質(zhì)、幫助培養(yǎng)學(xué)生“學(xué)會學(xué)習(xí)”、促進(jìn)學(xué)生提升科學(xué)探究的核心素養(yǎng)有著重要的意義。系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)性還可用于認(rèn)識溶液中的化學(xué)平衡、高三復(fù)習(xí)課等。

系統(tǒng)思維是一種基本的思維方式，它更趨向于辯證思維方式。學(xué)生在成長過程中，需要習(xí)得這種思維方式。幫助學(xué)生形成系統(tǒng)思維的思維習(xí)慣，不僅有益于當(dāng)下的學(xué)習(xí)，也將對學(xué)生未來的成長產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

參考文獻(xiàn)

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

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