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摘要：关联性是系统的基本特征之一。运用系统的关联性设计化学实验方案，即深入系统内部找出系统中的主要结构，再将主要结构进行整合，整体把握，设计出实验方案。这对培养学生系统思维、帮助学生学会学习、促进学生提升科学探究的学科核心素养有重要意义。
关键词：关联性结构;物质转化;实验操作
文章编号：1008-0546（2019）01-0023-02 中图分类号：G632.41 文献标识码：B
doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2019.01.006
《普通高中化学课程标准（2017年版）》提出学生通过化学学习应能提高“科学探究与创新意识”的学科核心素养。近三年江苏化学高考题中每年都设置了设计化学实验方案的填空题，落实了基于这一化学学科核心素养的评价，即学生通过化学学习“能从问题和假设出发，依据探究目的，设计探究方案，运用化学实验方法进行实验探究”。设计实验方案也是一种科学探究。事实上，即使是高三学生，设计化学实验方案的能力薄弱也是普遍现象。化学实验是认识物质及其变化的基本方法，化学实验方案就像化学实验的“地图”，因此，从高一起就要引导学生重视设计化学实验方案。设计化学实验方案，是一个系统工程，可以运用系统的关联性进行设计。
一、系统的关联性简介
“从哲学的普遍联系原理看，现实世界中的系统是绝对的、普遍的，没有一个现实的事物完全不可被看作系统。一切事物都以系统方式存在，都可以用系统方法研究，这是系统科学的基本信念 [1]。” 系统是元素与结构的统一。“同一系统的不同元素之间按一定方式相互联系、相互作用，不存在与其他元素无任何联系的孤立元。所谓‘一定方式的联系’，意在要求元素之間的联系有某种确定性、秩序性，人们能够据以辨认该系统 [2]。”元素之间的关联性产生了系统内部的结构，人们可由系统内部的结构来辨认系统。
设计化学实验方案，即指实验者在实施化学实验前，根据化学实验目的和要求，运用化学知识和技能，分析实验原理，确定需要的仪器和试剂，对实验步骤进行合理安排与规划。一个完整的化学实验方案也是一个系统。化学实验离不开实验试剂、实验操作。化学实验所需的各种试剂、实验操作为化学实验方案系统中的元素，实验试剂与实验试剂、实验操作与实验操作、实验试剂与实验操作之间的关联即为化学实验方案系统中的结构。因此，设计化学实验方案是一个由下级向上级、由部分到整体主动构建化学实验系统的过程。根据系统的关联性特征，找出化学实验系统中结构的一般存在，对设计化学实验方案有很重要的作用。
二、化学科学实验系统中的结构
中学化学学习阶段，学生接受的主要是科学实验思维的培养，这种思维方式聚焦在实验目的、化学反应原理、实验装置和操作步骤上。化学科学实验的思维模型可归纳如下图[3]。
可见，被设计的化学实验方案系统中有两个主要结构，即物质转化、实验操作。物质与物质的反应、分离均需由实验操作实现，选择哪种实验操作则由物质转化决定，因此，这两个结构框架是相互融合、不可分离的。找出每个实验中的这两个结构，为设计化学实验方案奠定了基础。
三、设计化学实验方案的策略
粗盐的提纯是高中化学一个重要的教学内容，出现在《化学》（必修1）苏教版教材的专题一第二单元——研究物质的实验方法。以此为例来说明设计实验方案的步骤。
在粗盐中往往含有泥沙和可溶性杂质，如Ca2 、Mg2 、SO2-4 等离子。设计实验方案除去这些杂质，获得纯净的氯化钠晶体。
1.梳理物质转化流程
除去粗盐中Ca2 可选择CO2-3 、除去Mg2 可选择OH-、除去SO2-4 可选择Ba2 ，遵循不引入新杂质原则，应依次选择Na2CO3溶液、NaOH溶液、BaCl2溶液，使杂质转化为易清除的CaCO3沉淀、Mg（OH）2沉淀、
BaSO4沉淀。为了确保杂质离子被完全沉淀，所加沉淀剂需过量，过量的沉淀剂会引入新的杂质，必须由后加入的沉淀剂除去，因此，除杂时需考虑物质转化的顺序。综合整个过程，加入沉淀剂的合理顺序有三种：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种为例，杂质离子的转化流程如图2：
2.确定实验操作
根据物质转化，需要解决一个实验操作问题：需加入过量沉淀剂，怎么判断所加试剂已过量？可以证明溶液中无杂质离子或有加入的沉淀剂中含有的离子，两种思路选择的实验操作也不相同，根据便捷性，选择证明溶液中无杂质离子。比如，检验SO2-4 已被完全沉淀的操作为：向溶解所得溶液中加入BaCl2溶液至有大量沉淀生成，静置，向上层清液中滴加BaCl2溶液，若无沉淀生成，则SO2-4 被完全沉淀，可进行下一步操作。审视整个实验过程，首先应除去泥沙，用溶解过滤的方法除去，泥沙的过滤可以与BaSO4的过滤合并，CaCO3与Mg（OH）2合并过滤。（之所以BaSO4沉淀要及时过滤，是因为在后面加入过量Na2CO3溶液时，可能会出现溶解平衡移动，即BaSO4转化为BaCO3，SO2-4 被释放，仍然留在滤液中。这对不同年级的学生应该做不同的要求。）
3.描述实验方案
将两个结构融合，细化实验方案，用规范的化学语言描述实验过程。
称取3g粗盐于烧杯中，加入10mL水加热溶解。向其中滴加BaCl2溶液，至有大量沉淀生成，静置，向上层清液中滴加BaCl2溶液，若无沉淀生成，过滤。取滤液，依次加入NaOH溶液、Na2CO3溶液，并分别检验沉淀是否完全，过滤，向滤液中加入盐酸，搅拌，调pH
关键词：关联性结构;物质转化;实验操作
文章编号：1008-0546（2019）01-0023-02 中图分类号：G632.41 文献标识码：B
doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2019.01.006
《普通高中化学课程标准（2017年版）》提出学生通过化学学习应能提高“科学探究与创新意识”的学科核心素养。近三年江苏化学高考题中每年都设置了设计化学实验方案的填空题，落实了基于这一化学学科核心素养的评价，即学生通过化学学习“能从问题和假设出发，依据探究目的，设计探究方案，运用化学实验方法进行实验探究”。设计实验方案也是一种科学探究。事实上，即使是高三学生，设计化学实验方案的能力薄弱也是普遍现象。化学实验是认识物质及其变化的基本方法，化学实验方案就像化学实验的“地图”，因此，从高一起就要引导学生重视设计化学实验方案。设计化学实验方案，是一个系统工程，可以运用系统的关联性进行设计。
一、系统的关联性简介
“从哲学的普遍联系原理看，现实世界中的系统是绝对的、普遍的，没有一个现实的事物完全不可被看作系统。一切事物都以系统方式存在，都可以用系统方法研究，这是系统科学的基本信念 [1]。” 系统是元素与结构的统一。“同一系统的不同元素之间按一定方式相互联系、相互作用，不存在与其他元素无任何联系的孤立元。所谓‘一定方式的联系’，意在要求元素之間的联系有某种确定性、秩序性，人们能够据以辨认该系统 [2]。”元素之间的关联性产生了系统内部的结构，人们可由系统内部的结构来辨认系统。
设计化学实验方案，即指实验者在实施化学实验前，根据化学实验目的和要求，运用化学知识和技能，分析实验原理，确定需要的仪器和试剂，对实验步骤进行合理安排与规划。一个完整的化学实验方案也是一个系统。化学实验离不开实验试剂、实验操作。化学实验所需的各种试剂、实验操作为化学实验方案系统中的元素，实验试剂与实验试剂、实验操作与实验操作、实验试剂与实验操作之间的关联即为化学实验方案系统中的结构。因此，设计化学实验方案是一个由下级向上级、由部分到整体主动构建化学实验系统的过程。根据系统的关联性特征，找出化学实验系统中结构的一般存在，对设计化学实验方案有很重要的作用。
二、化学科学实验系统中的结构
中学化学学习阶段，学生接受的主要是科学实验思维的培养，这种思维方式聚焦在实验目的、化学反应原理、实验装置和操作步骤上。化学科学实验的思维模型可归纳如下图[3]。
可见，被设计的化学实验方案系统中有两个主要结构，即物质转化、实验操作。物质与物质的反应、分离均需由实验操作实现，选择哪种实验操作则由物质转化决定，因此，这两个结构框架是相互融合、不可分离的。找出每个实验中的这两个结构，为设计化学实验方案奠定了基础。
三、设计化学实验方案的策略
粗盐的提纯是高中化学一个重要的教学内容，出现在《化学》（必修1）苏教版教材的专题一第二单元——研究物质的实验方法。以此为例来说明设计实验方案的步骤。
在粗盐中往往含有泥沙和可溶性杂质，如Ca2 、Mg2 、SO2-4 等离子。设计实验方案除去这些杂质，获得纯净的氯化钠晶体。
1.梳理物质转化流程
除去粗盐中Ca2 可选择CO2-3 、除去Mg2 可选择OH-、除去SO2-4 可选择Ba2 ，遵循不引入新杂质原则，应依次选择Na2CO3溶液、NaOH溶液、BaCl2溶液，使杂质转化为易清除的CaCO3沉淀、Mg（OH）2沉淀、
BaSO4沉淀。为了确保杂质离子被完全沉淀，所加沉淀剂需过量，过量的沉淀剂会引入新的杂质，必须由后加入的沉淀剂除去，因此，除杂时需考虑物质转化的顺序。综合整个过程，加入沉淀剂的合理顺序有三种：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种为例，杂质离子的转化流程如图2：
2.确定实验操作
根据物质转化，需要解决一个实验操作问题：需加入过量沉淀剂，怎么判断所加试剂已过量？可以证明溶液中无杂质离子或有加入的沉淀剂中含有的离子，两种思路选择的实验操作也不相同，根据便捷性，选择证明溶液中无杂质离子。比如，检验SO2-4 已被完全沉淀的操作为：向溶解所得溶液中加入BaCl2溶液至有大量沉淀生成，静置，向上层清液中滴加BaCl2溶液，若无沉淀生成，则SO2-4 被完全沉淀，可进行下一步操作。审视整个实验过程，首先应除去泥沙，用溶解过滤的方法除去，泥沙的过滤可以与BaSO4的过滤合并，CaCO3与Mg（OH）2合并过滤。（之所以BaSO4沉淀要及时过滤，是因为在后面加入过量Na2CO3溶液时，可能会出现溶解平衡移动，即BaSO4转化为BaCO3，SO2-4 被释放，仍然留在滤液中。这对不同年级的学生应该做不同的要求。）
3.描述实验方案
将两个结构融合，细化实验方案，用规范的化学语言描述实验过程。
称取3g粗盐于烧杯中，加入10mL水加热溶解。向其中滴加BaCl2溶液，至有大量沉淀生成，静置，向上层清液中滴加BaCl2溶液，若无沉淀生成，过滤。取滤液，依次加入NaOH溶液、Na2CO3溶液，并分别检验沉淀是否完全，过滤，向滤液中加入盐酸，搅拌，调pH