从系统的角度对化学反应的知识进行建构（1）——化学反应系统化知识的建立，本文主要内容关键词为：化学反应论文,知识论文,角度论文,系统论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
“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。”是诗人更是哲人的苏轼，在此表达的不仅是困于庐山自然景观的无奈，更是对事物进行宏观鸟瞰的向往，其中蕴含着的深刻哲理和我们研究化学教学过程时的情境有相通之处。当我们置身于纷繁的化学反应之中，既为千姿百态、丰富多彩的反应过程而感叹，又为其繁杂而困扰。如果从系统的角度——一种鸟瞰式的视角，对中学化学所涉及的基本反应过程进行梳理，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使然，又是该物质存在于系统中的系统行为的必然结果。
在教学实践中，对化学反应系统的认识始于氧化还原反应，而对氧化还原反应系统的构建和理解，从学生的可接受性角度，则是从一种教学策略开始的。
一、氧化还原反应概念体系的建立
在化学学习中，氧化还原反应的相关概念和反应过程是教学过程的重点，其中会涉及几组具有对称关系的概念，如图1所示。
在实际的学习过程中，如果只是单纯凭借记忆，学生往往会将对应的概念混淆。例如元素的化合价升高，反应过程中该元素失去电子，发生的是“氧化”反应，但是有些学生却错误地将此元素对应的物质关联为是“氧化剂”，同时这还将导致另一组呈对称性的概念出现相似的错误，即元素的化合价降低，表明该元素得到电子，对应的物质却错误地是“还原剂”等诸如此类的失误。
作为一种教学策略，可以发现氧化还原反应概念中最具有形象意义的词汇，就是“升高”和“降低”。借用纵坐标，学生们可以比照课本中氧化还原反应的相关概念，一一对号入座。如元素A在反应中化合价“降低”，即为“被还原”；反应前A元素存在的物质为“氧化剂”，反应后的产物为“还原产物”；氧化剂具有“氧化性”，还原产物具有“还原性”；氧化剂转化为还原产物的过程称之为“还原反应”（见图2）。
伴随着元素A的化合价“升高”，必有元素B的化合价“降低”。仿照元素A的相关概念与纵坐标的对应关系，不难得到相似的具有对称性的图示。再将元素A和元素B以纵坐标维系着的概念体系联结起来，即还原剂失去的电子转移给氧化剂，此两种物质就同时转化为可以稳定共存的“氧化产物”和“还原产物”。电子转移表现出元素化合价的升降，使得氧化还原反应中的物质变化过程就像进行着有趣的“跷跷板”游戏（见图3）。
借此“跷跷板”的直观表达，学生们不难理解：在同一反应中，氧化剂的氧化性强于氧化产物的氧化性，还原剂的还原性强于还原产物的还原性。
同时，当学生们从专注于概念的表达转向对概念的审视以后，他们惊奇地发现，在概念图中，反应前后与高价态相关联的概念均冠以“氧化”，而与低价态相关联的概念均被称之为“还原”。如图4所示，如此表达的概念体系不仅帮助学生们摆脱在氧化还原概念的记忆中容易混淆的苦恼，还赋予所谓“失高氧，得低还”（已然不需要记口诀了）以直观而有意义的内涵。
如果进一步将各元素在反应前后的化合价变化趋势（升高即标注“↑”，降低则标注“↓”）表示在相应元素的上方，并相连接，这就是该氧化还原反应的电子转移方向。如图5所示，若将此氧化还原反应构建为原电池时，即为外电路电子的流向，亦即，Zn将是电池的负极（既是导体又是负极反应材料），而H+是电池的正极反应物（此时需要外加导体）。
这样具有形象性的纵坐标的出现，解决了在原电池学习中困扰学生的对电极区分和氧化、还原反应判别的难题，从而有效地降低了学生的认知负担。
从教学的系统性角度看，在氧化还原反应的课程体系中，对高一阶段氧化还原反应概念的学习要求，应该比较快地从对反应中各元素独立的氧化或还原行为的分析（所谓“双线桥”）过渡到对反应中氧化还原反应的联系与电子转移（即“单线桥”），这将是学习电化学（也是知识在社会生活中的应用）的重要知识基础。
从学生的知识掌握角度看，对氧化还原反应概念的理解是有层次地逐渐深入的，这也将是教师组织教学活动时的清晰思维脉络：正确判断化合物中元素的化合价，化合价高低与氧化还原概念的关联，物质的氧化性或还原性相对强弱的判断，利用氧化还原反应构筑原电池的过程。
二、形成氧化还原反应的系统
就具体的反应过程而言，从电子转移的角度对氧化还原反应的认识已经触及事物变化的本质，但是面对千变万化的氧化还原反应，学生们难免感到十分繁杂。如果从系统的角度审视氧化还原反应，按照物质的氧化还原性的相对强弱进行有序排列，原有的彼此独立反应就会形成相互联系的反应系统。
下面以中学化学中的四个典型的氧化还原反应为例，说明反应系统的形成与形成系统的意义。
这种数量上的变化，不仅使学生们可以直观地感受到形成系统之后的整体较之局部所表现出的增殖现象，即理解整体大于局部的简单加和的系统学基本原理的真正含义。
将中学阶段所学过的重要氧化还原反应，依据反应事实并借助标准态的电极电势，用系统的观点进行归纳，大致可以得到在酸性条件下的反应序列（如图8所示）。
将原有的金属活动性顺序表进行变形，可得到如下形式（如图9所示）。
三、对系统行为的认识
基于中学化学基础知识的氧化还原反应的系统建立以后，学生们归纳并演绎着一组组氧化还原反应。伴随着反应过程中的电子转移和物质转化，学生们对氧化还原反应的认识也发生了有趣的变化：原来一系列数量繁多的氧化还原反应，不过是一系列具有氧化性（或还原性）的物质间进行的具有方向性的传递电子的游戏。既然是游戏，就有游戏规则。面对氧化还原反应的系统，就会有对反应的系统行为的认识。
1.反应的可行性
由物质中所含元素化合价的相对高低，人们可以判断此物质是否具有氧化性或还原性。然而，具有氧化性和还原性的物质相遇，是否一定能够发生氧化还原反应？
2.反应的先后顺序
在真实的化学反应过程中，往往不会仅仅是一种氧化剂和一种还原剂之间的反应，而是会涉及多种氧化剂和还原剂的混合物之间的反应。
设想有两种还原剂均可与同一种氧化剂发生反应，若此两种还原剂的混合物与该氧化剂进行反应，将是怎样的一种情形？以Br-和I-的混合物为例，这是两种还原剂的混合物，在与氧化剂反应的过程中，随着氧化剂的氧化性的逐渐增强，大致会发生三种情形（如图10所示）。
（3）氧化剂具备氧化两种还原剂的能力。即当氧化剂充足时，一般会将还原剂全部转化为氧化产物，相当于通常所说的拉平效应。而问题的复杂性则出现在反应过程之中，氧化剂氧化两种还原剂将表现为反应先后的有序性。
四、系统行为的普遍性
有趣的是，氧化还原反应的系统建立，使我们有机会领略到繁复的氧化还原反应不过是一场场有序的电子转移的游戏。如果以H原子为联系点，电子的转移构成氧化还原反应，剩余的H+也将自己作为一个“球”进行相似的游戏，那么演绎出的就是酸碱反应。
类比氧化还原反应概念体系中的相对概念（氧化剂→得电子→还原产物，还原剂→失电子→氧化产物），在质子转移体系中，就可以认为酸电离出
后，变成某种具有碱性的物质（共轭碱），而碱接受了后，则变成了某种具有酸性的物质（共轭酸）。这样同以前学过的酸与碱、酸与盐或碱与盐的反应都可看作是转移反应。在表达形式上，作为带正电的的迁移与电子的迁移呈相对运动而传递方向相反（如图11所示）。
仍旧是依据反应的事实和借助弱酸、弱碱的电离平衡常数，按提供或接受H+能力的相对强弱，可将有关中学化学中典型物质的酸碱性按由强到弱的顺序排列成图12中的形式。在此简单的类比中，学生们已经不知不觉地形成了酸碱质子理论的基本观点，即溶液中的酸碱反应或水解反应都依据其酸碱性的相对强弱，统一在“强酸制弱酸”的基本反应规律之下。
同样，这种系统中有序性观念的形成还能带来对化学研究过程中的相关问题的深层次的思考。将CuO溶于浓盐酸得到草绿色的溶液；加水稀释，溶液的颜色变为蓝色；向此溶液中加入NaOH溶液，可观察到有蓝色沉淀生成；继而加入氨水，又生成绛蓝色的溶液（见图14）。这是一个简单的、与配位反应有关的实验。
这些丰富的蕴含在物质间相互反应过程中所表现出来的系统行为，是化学反应中的普遍现象。也许反应的具体形式不一，但是在此过程中所呈现出的系统行为具有内在的统一性，这样就在更高层次上拓展了学生的视野，提升了学生对物质世界的理解。
五、系统间的相互影响——物质世界的简约性与复杂性
笔者因为偶然原因，接触到补铁药物“速力菲”（其主要药用成分为琥珀酸亚铁，即丁二酸亚铁），检验药片中
所发生的一系列现象，让学生们看到了反应系统间的相互影响，就这样巧妙地融入了药物研制过程。
在学习配位化合物时，“速力菲”再次进入课堂。如果以为琥珀酸亚铁的溶解与溶液的酸性有关，改用相同pH的盐酸和醋酸做相同的对照实验，可以发现在使用醋酸作溶剂的溶液中较盐酸溶液中更为稳定，如表2所示。
至此，将化学学科知识和系统认识方法的结合，使学生感受到因系统的相似性及繁复的化学反应蕴含的反应规律的简约性；同时也认识到正因为存在系统间平行关系或相互影响，使得自然界中的变化过程在简约的规律之下孕育着缤纷的复杂性。这将带给学生内心的触动，使其体会到自然之美（如图15所示）。
系统的视角是从整体的角度对化学反应行为进行全景式的审视，可以说是对化学反应的主要趋势的描绘；而对具体反应的精确刻画，将受到反应过程中的条件（浓度、温度）和其他因素（伴生的反应过程）的影响。在认识的对象从反应体系到具体反应过程的变化中，可以想象，在此实现着的是人们对化学反应认识的宏观与微观之间的交互。
六、教学后记
从知识传递的角度理解教学，化学教学就会专注于学生们对文字上的概念记忆和掌握；从科学认知的角度理解教学，化学教学就将转变成学生们对客观世界认识的形成和理解。从系统的角度审视化学反应体系，可以发现其中蕴含着一组组行为相似、既彼此独立又相互联系的反应系统。这种鸟瞰式的视角，不仅有利于学生对化学知识体系的整体把握，而且能够帮助学生提升对世界的认知和解决问题的能力。
从系统的角度对化学知识进行整合的社会背景，是基于对科学教育本质的理解。科学知识是对客观事实的反映，因而具有真理性的一面；同时科学知识又表达了人们对客观事实的认知，这样科学知识就具有可发展性、可变性。因此可以理解，向中学生传达的科学知识应具有基础性，同时也应该让他们意识到其中必然包含着不确定性。
此篇论文主要想法的产生是受严宣申先生在《普通无机化学》中阐述的反应系统化的影响，基于中学生的学习内容和认知水平，没有将不同反应类型整合在一起，而是进行了有针对性的拆分。论文的主要构架最早完成于1997年（曾获江苏省优秀化学教学论文评比二等奖），因为考虑到学生们对系统观念的认识与可接受性，所以一直坚持在教学过程中进行实证研究。15年的教学实践表明，由系统思考提供的这种鸟瞰式的认识方法，帮助学生们突破了原有的专注于某一具体反应过程的研究，有机会从更高的层面上领略在系统行为中展现的物质间相互反应的基本规律。
这样的经历给了学生们很好的学习体验。图16中的书画作品是2008年的教师节学生们送给我的礼物，其一字赠言“序”可理解为学生们对化学反应系统中的有序性的深刻影响，也表示了他们对系统思考——这种新的看世界的视角的赞赏，当然，也是给我最好的礼物。
如果以上的陈述能够称之为一种新的教学视角的话，这将得益于在南京有一群潜心于化学教学研究和教学实践的老师和朋友们，大家的相互交流与认同，给予了我坚守这份教学探索的力量；同时也得益于我所参加的南京市教育局“系统思考和系统动力学运用于创新性中学教学”的课题研究，十年的课题研究，对系统思考的深入学习，更加坚定了坚守这种教学观念的信心，为此我心存感激。