【正文】

运用系统思维构建高中化学知识体系

 

四川省温江中学 彭建明

 

  系统思维是把认识对象作为系统，从各要素的性质以及系统和要素、要素和要素、系统和环境的相互作用与相互影响中综合地考察认识对象的一种思维方式。整体性是系统思维的核心思想，它强调把想要达到的结果、实现该结果的过程、过程优化以及对未来的影响等一系列问题作为一个整体系统进行研究。高中教育需要系统思维，高中化学教学同样需要系统思维。从化学教学的很多方面来系统思考并设计我们的教学，如对高中化学课时目标和教学内容的系统化设计、对化学基本观念建构的系统化设计，以及跳出系统看系统，对高中生化学知识体系的构建和科学人文素养的提升都大有裨益。
　　一、高中化学教学需要系统思维
　　高中是处在义务教育和高等教育之间的特殊的教育阶段，高中生正处在抽象思维发展成熟和道德伦理观念形成的关键时期，因而高中教育恰好处在人的认知发展和道德发展的重要环节。而现实的高中教育，往往是人为割裂了其应有的系统的、全面的功能和价值，单一地、片面地追求某方面的价值，三年的高中教学时间只是两年上新课，一年通过做题和反复的训练来应对高考，以此提高学校的升学率，这些显然是无助于学生的终身发展和学业的长久进步。高中教育需要系统思维，不仅需要我们站在高等教育的立场，还应该在更广阔的视野中思考与研究，以协调处理好学生的科学人文素养、终身发展能力及与高考升学率的关系。
　　化学是一门以实验为基础的、社会迫切需要的创造性科学。然而，就是这样一门应用极其广泛的充盈着方法与情感价值的科学，随着应试教育的愈演愈烈，逐渐失却了充满活力的科学方法及科学情感的向度，仅剩下干瘪而无灵魂的科学知识的堆积。新课程改革的实施，为基础教育带来了新的景象，但多年的实践结果表明，在各种因素的共同影响下，高中化学教学仍然是处于一种缺乏系统思维的状态。大多数高中化学教师不仅忽视了化学学科本身的系统性，忽视了化学与科学、社会和环境的相互作用、相互影响，而且也忽视了学生的自主学习、自主构建的过程，仅仅是单方面传授一些支离破碎的所谓重点知识和重要题型，而学生学习化学的目的也仅仅限于知识的掌握和分数的获取。对高中学生的科学教育来讲，我们不应该传授给学生支离破碎、脱离生活的抽象理论和事实，而是应该用恰当的、生动的教育方法，不仅要帮助学生达成系统化知识的构建，初步形成科学态度，掌握科学方法，了解科学精神，而且要帮助其建立一个完整的对自然界的认知，明白什么是对社会和自然的责任。
　　二、系统思维在高中化学教学中的作用
　　1、高中化学教学内容的系统化思考
　　高中化学教学内容通常可分为基本概念和基本理论、元素化合物、有机化学、物质结构、化学实验和化学计算六部分。这些内容彼此相互联系、相互作用、相互影响，共同构成化学课程内容系统；而每一部分内容又可以单独构成一个更小的系统，在这个系统中的各组分是互相依赖、互相作用、互相制约的。所以，对这些教学内容，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。这样，不仅可以使学生从整体上认识和把握化学基本概念、物质性质及物质反应的基本趋势，帮助学生在头脑中建构起一种有序的知识结构，而且当需要对概念、原理及反应过程加以准确认识时，又能使学生迅速切入概念的核心内涵及物质内部和反应细节进行深入研究，让学生在化学学习的过程中“既见森林，又见树木”。
　　2、高中化学基本观念的系统化思考
　　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。所谓的“跳出系统看系统”，正所谓“横看成岭侧成峰，远近高低各不同，不识庐山真面目，只缘身在此山中”，所以“欲识庐山真面目，须得身离此山中”。对高中化学系统化教学需要跳出教学系统，来审视与这个系统有关的外在环境，拓展学生的眼界，以期使系统化教学发挥最佳效益。
　　三、高中化学教学中的系统思维范例
　　1.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。为提高原料的转化率，应采取低温、高压和适时分离出氨气，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（材料的耐压和增压投入的成本）。最终，德国化学家哈伯（Fritz Haber）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。
　　2.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为的结果；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（脱离系统），则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，又是该物质存在于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。
　　以上两例仅仅是在教学内容方面做了些许系统化的研究，它并不代表教学过程，真实的教学过程是一个多维的、动态的系统，只有系统中各要素的有机结合才能发挥出系统思维的最大功效。