1. 系统与系统思维
人们对系统的认识和思考由来已久。成书于我国西周时期的《易经》，就曾提出了朴素的系统理论。这部哲学经典认为：世界是由最基本的要素组成的动态整体，各要素通过基本矛盾关系相互联系。《易经》以一种朴素的系统模式反映了朴素的系统观念和系统思维。古代的朴素系统理论对系统的理解虽然没有现代系统理论那么精确，并且受时代背景和文化条件的影响具有机械论和线性循环论的倾向，但已具备了系统整体性和要素间相互作用的思想基础，对中国古代政治、经济、科学技术的发展都产生了深远的影响。
现代系统理论起源于20世纪中叶。在现代系统理论的发展历程中，最著名的代表人物是被誉为“系统方法之父”的生物学家路德维格·冯·贝塔朗菲。19世纪的生物学领域深受还原论的影响，科学家习惯性地运用简化论和机械决定论的方法认识和解决复杂的生物难题，他们将生物问题还原为化学问题和物理问题，仅从化学和物理的层面来说明生命过程和生命活动。针对这一情况，贝塔朗菲提出了系统论的观点，他认为有机体是一个整体，不能将有机体看成是有机体要素的简单相加，解释生命活动的复杂现象不仅要考虑有机体的组成，还要考虑有机体组成部分的相互联系[1]。虽然他的观点遭到了一些生物学界权威人士的批评，但也获得一些学者的支持。贝塔朗菲认为无论是宇宙中的宏观系统还是微观系统，都是由多个要素共同作用形成的整体。他的系统理论强调了系统的整体性和内部要素之间的相互关系，为后续的系统理论的发展奠定了重要的基础。后来，系统理论在曼哈顿计划、阿波罗登月计划以及其他大型复杂工程中的成功应用，引发了国际学术界的广泛关注和研究，系统理论的影响力逐渐扩大，成为西方科学哲学的重要组成部分。
系统思维是起源于系统理论的一种思维方式，产生于解决复杂问题的过程中。虽然在学术界没有统一的定义但在发展过程中被不同学科吸收产生了不同的内涵。哲学认为系统思维是一种思维框架，在研究事物的过程中系统思维可以帮助人们认清事物的整体性，理清事物之间的相互关联，认识事物的动态发展过程[2]。心理学认为系统思维是作用于个体思维过程的一种高阶思维能力，这种高阶思维能力可以帮助人们识别系统要素，理清系统要素之间的相互作用，有利于个体心智模型的完善[3]。教育学认为系统思维是理解和管理系统的一个框架，系统思维包括三种能力：认识和理解系统要素的能力，识别系统中各要素之间的相互联系和关系的能力，以及建立系统模型、运用系统模型解决问题的能力[4]。首先，认识和理解系统要素的能力是系统思维的基础。只有清晰地识别出系统中的各个组成部分，明确系统要素各自的角色和功能。对系统要素进行深入地了解，才能进一步分析要素对整个系统的影响；其次，识别系统中各要素之间的相互联系和关系的能力至关重要。系统思维强调整体性，认为系统中的各个部分不是孤立的，而是相互依存、相互影响的。因此只有具备洞察这些复杂关系的能力，才能更准确地把握系统的运行机制和变化规律；最后，建立系统模型、运用系统模型解决问题的能力是系统思维的高级阶段。通过建立系统模型，可以将复杂的系统问题抽象化、简化，从而更容易找到解决问题的关键所在。同时，系统模型还可以帮助人们进行预测和决策，为系统的优化和改进提供科学依据。这三种能力相互关联、相互促进，共同构成了系统思维的完整体系。
从化学研究物质及其变化规律的学科特征来看，所谓“系统”就是相互关联、相互依存或相互作用的元素组或元素组合。化学系统思维就是使用不同策略理解复杂动态系统内部和不同系统之间相互依赖的组件、元素、要素，理解系统要素相互联系形成系统结构、影响系统整体的动态行为等特征，在理解系统的基础上形成化学系统模型解决实际问题[5]。
2. 化学系统思维的重要性
化学是一个复杂而又庞大的系统。从外部的复杂性来看，无论是在自然界中还是在实验室中，化学反应和过程是复杂的、动态的和相互依赖的。并且化学系统和子系统可以是小而局部的(如实验室中反应容器中的化学反应)，也可以是大而分散的(如二氧化碳在地球大气和生物圈中的分布、自然界中的氮循环、自然界中的水循环等)。此外，化学系统及其组成部分与包括周围环境在内的许多其他系统相互作用，对生物、生态、物理、社会和其他系统都会产生影响。
如图1所示，化学内部的复杂性可以通过各种概念来表征。例如，化学物质可能存在结构上的复杂性，例如，关于分子组装的物理状态(例如，晶体或固液气相)，分子构型(例如，几何或光学异构)或详细表征(例如，大小，形状，功能化程度和分子间作用力)。分子状态和分子结构可能会随着时间、温度、压力等变化而变化，这些变化可以通过状态方程、平衡关系和动力学来描述，也可以通过自由能、焓和熵等热力学关系来描述。当考虑更大规模的系统时，系统会变得更加复杂，可能附加到系统上的功能或目的将从根本上改变其整体复杂性。系统的复杂性还受到系统状态的影响，如平衡、动态平衡、非平衡、混沌等[6]。
Figure 1. Internal complexity of the chemical system [6]
图1. 化学系统的内部复杂性[6]
无论是从化学反应、化学过程的复杂性，以及化学与其他学科关系的相互作用方面考量，还是从化学系统内部物质结构及其状态的复杂性来看，化学学科本质上就是一个复杂的系统。要想更好地认识化学学科、理解化学学科就需要通过系统思维这种思维方式来实现。
传统的化学教育观念受到还原论的影响，缺乏系统的观念，教师容易忽视化学学科本身的系统性，忽视化学知识之间的相互联系，习惯性地将复杂、系统的化学知识分解成零散的、碎片化的知识传授给学生。学生对知识只是被动地接收和简单地记忆，难以构建系统化的知识，难以形成对知识的全面理解，造成了“只见树木，不见森林”的情况，更不用说对化学产生更深层次的理解。在这种情况下化学教育中融入系统思维就显得尤为重要。
随着可持续发展理念不断地深入人心，清洁能源的开发、生态环境的保护、医疗卫生安全等问题都需要化学与其他科学领域通力协作。系统思维可以帮助人们具备跨学科思考和工作的能力，而化学系统思维可以帮助人们更好地理解化学系统如何与其他科学系统交互作用、相互影响，更好地协调化学系统与其他科学系统的关系，对于解决可持续发展问题具有十分重要的作用[7]。
将系统思维应用于化学教学，能用整体性、系统性的思维方法认识和解决化学教育问题。化学系统思维有助于教师树立系统观念，更好地解释复杂的化学概念，更好地帮助学生学习化学。系统思维能够帮助学生克服线性思维模式，以整体性的眼光认识化学学科，认识和理解复杂、深层次的化学概念，认识化学与其他学科的联系，更深入地了解化学及其应对全球挑战的相关价值，获得分析和解决复杂问题的能力[8]。
3. 高中化学系统思维的培养措施
3.1. 通过教学内容的系统化培养系统思维
教师要基于教材和课程标准设计教学方法，通过对教材内容的深度分析和重新构建，将相关知识整合成具有逻辑性的教学单元，以便更有效地帮助学生理解和掌握化学知识，发展化学学科核心素养。在此过程中，教师需要根据具体的教学情况，灵活调整知识结构，并对教学内容进行全面设计，以达到最佳的教学效果。
Figure 2. Unit teaching design idea of “the cycle of nitrogen”
图2. “氮的循环”单元教学设计思路
以“氮的循环”主题为例，“氮的循环”是鲁科版高中化学必修一的一个重要的章节，涵盖了氮的基本性质、氮的固定、一氧化氮和二氧化氮、氨和铵盐、硝酸、酸雨及其防治等内容。如图2所示，这一主题教学内容的设计可以按照“单质–氧化物–化合物”的顺序逐步深入，让学生能够循序渐进地掌握相关知识。
首先，从氮的单质开始，引导学生通过熟悉的自然现象(如雷雨肥庄稼)理解氮的固定过程。在这一过程中，学生可以了解到氮气在自然界中的存在形式及其如何通过雷电等自然现象被固定到土壤中。这种引入方式既贴近学生的生活实际，又能够激发他们的学习兴趣，为后续的学习奠定基础。
然后，可以通过对氮的氧化物(如一氧化氮和二氧化氮)的介绍，让学生了解这些氮氧化物的性质、反应以及它们在环境中的作用。例如，二氧化氮的形成及其对空气质量的影响，为学生提供了理解酸雨及其防治的重要背景知识。在这一部分内容的教学中，教师可以通过实验室实验和实际案例分析，使学生更直观地理解氮氧化物对环境的影响。
接下来，可以探讨氨和铵盐的性质及其在肥料中的应用，这不仅帮助学生理解氮化合物的实际应用，还能引导他们关注人类活动对环境的影响。硝酸作为重要的工业化学品，其生产过程和用途也是教学的重点内容之一，通过这一部分内容的学习，学生能够认识到硝酸在现代工业中的重要作用及其对环境的影响。
最后，讨论酸雨的形成机制及其防治措施，引导学生思考如何减少氮化合物对环境的负面影响，激发他们对环保的关注。通过这些内容的学习，学生能够将化学知识与自然和社会实际联系起来，形成系统化的思维方式，并建立起对氮循环及其影响的全面认识。
3.2. 跨学科融合培养系统思维
高中化学与其他学科(如物理、生物、地理等)存在着紧密的联系，因此可以探索跨学科的教学方法，将化学知识与其他学科知识融合起来，培养学生的系统思维能力。以“氮的循环”主题为例，我们可以通过让学生回忆和应用高一生物课上学到的植物细胞物质运输方式，来加深对氨气及其转化为氮肥过程的理解。首先，教师可以通过提出问题的方式引导学生思考，例如：“氨气转化为液态氮肥的途径有哪些？”在这一过程中，教师可以展示氨气的资料卡片，提供有关氨气的基本信息，包括其物理性质和化学行为。这一环节的设计意图在于引发学生的思考，让他们将所学的知识与新课题结合起来，理解氨气如何转化为液态氮肥。接下来，教师可以引导学生回忆高一生物课上关于植物细胞物质运输的知识。例如，学生可能记得植物细胞通过细胞膜的主动运输和被动运输来调节物质的进出。教师可以引导学生将这种知识应用到化学学习中，思考氨气是否能直接用于氮肥，并探讨氨气如何通过溶解在水中的方式转化为液态氮肥。通过这种跨学科的知识迁移，学生能够感受到不同学科知识之间的联系和逻辑性。这种联系不仅帮助他们更好地理解氨气的化学性质，还能够使他们认识到氮肥在农业生产中的实际应用。设计这一环节的目的在于通过对已知生物知识的复习和运用，使学生能够更容易接受和理解化学课程中的相关知识点。这种跨学科的教学策略能够促进学生对知识的综合理解，并提高他们的分析和解决问题的能力通过跨学科的学习，学生能够更好地认识到知识的整体性和系统性，提高他们运用系统思维解决复杂问题的能力。
3.3. 通过实验探究形成系统思维
化学实验是化学教学的重要组成部分。通过化学实验探究，学生可以更加深入地理解化学知识和规律。以“氮的循环”主题为例，教学设计通过演示实验和小组讨论，帮助学生深入理解氨气的性质及其与水的反应。首先，教师组织一次氨气溶于水的演示实验。实验过程中，教师需要重点分析实验现象以帮助学生建立理论与实际的联系。实验中，氨气极易溶于水(其溶解度约为1∶700)，当氨气溶解时，会导致瓶内的气压显著降低。由于大气压力作用，外部的水会被压入瓶中，从而形成喷泉现象。这一现象直观地展示了氨气溶解对气压的影响，帮助学生理解气体溶解度与压力变化之间的关系。接着，教师还需解释氨气与水反应后溶液的碱性特征。氨气与水反应生成氨水的反应式为：NH3 + H2O⇌NH4+ + OH−。此反应使得溶液呈碱性，影响到实验中的指示剂——酚酞。当溶液变碱性时，酚酞会由无色变为红色，因此喷泉液体呈现红色。通过这种方式，学生可以直观地看到氨气溶液的碱性特征，并将这一现象与化学反应的实际结果联系起来。在实验观察后，教师组织学生进行小组讨论。每组学生讨论实验中观察到的现象，并总结氨气溶于水后的化学反应及其影响。通过小组讨论，学生能够互相交流和分享对实验现象的理解，并形成对氨气与水反应的全面认识。通过化学实验探究，教师能够帮助学生将理论知识应用于实际操作中，同时促进学生在化学知识的学习过程中，形成更深入和系统的理解。
3.4. 在解决实际问题的过程中发展系统思维
运用系统思维解决实际问题，是学生系统思维发展的关键，而建立化学系统模型是运用系统思维解决实际问题的有效手段。学生在新情境中面对的复杂系统既包含学科知识，又有其他要素的影响。学生若没有掌握系统模型，则很难建立起化学知识与实际应用之间的联系以及理解新情境中复杂系统的因果关系。
以“氮的循环”主题为例，在教学过程中教师可以引导学生以氮元素为中心建立氮循环的系统模型(如图3所示)，逐步启发学生分析氮元素物质之间的相互转化，从物质转化和元素价态改变的视角体会其中蕴含的物质转化观念和物质转化规律。之后，学生以氮的固定、硝酸的性质、酸雨的防治为目的开展实验探究，认识氮循环模型的应用，掌握氮循环系统与自然系统、社会系统的相互作用；认识系统在不同的情境要素中发挥的作用可能是不同的。在面对生产、生活中与氮元素及其物质相关的问题时，促进学生对新情境中的氮循环体系或系统进行综合分析和预测。
Figure 3. System model of the “nitrogen cycle”
图3. “氮循环”系统模型
4. 结语
高中化学系统思维的培养是一个长期而复杂的过程，需要不断地探索和实践。教师在教育教学过程中应不断探索适合学生的系统思维培养策略，不断提高教学质量，进一步深化系统思维培养研究，为提高学生的化学学习能力和综合素养做出更大的贡献。
基金项目
山东省教育教学研究项目(2023JXY044)；聊城大学教学研究项目(LCUKC2303)。
NOTES
*通讯作者。