環(huán)保性氯水溶制裝置實體系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特征

韓獨(dú)石

（白銀市普通高中通用技術(shù)課程韓獨(dú)石工作室，甘肅 白銀 730799）

實驗裝置是將各種不同的常用材料及構(gòu)件用具體的技術(shù)思想和方法，以一定的結(jié)構(gòu)形態(tài)組裝成能體現(xiàn)一般技術(shù)所含流程、系統(tǒng)、控制等功能的實物作品。為解決實驗中的問題而設(shè)計實驗裝置時，用的是技術(shù)思想和方法；反過來，一個設(shè)計科學(xué)、便于操作、有使用價值的具體實驗裝置，它必然處處體現(xiàn)出一般或抽象技術(shù)思想的豐富內(nèi)涵。

以筆者指導(dǎo)馬喜軍 （本工作室確立的青年骨干教師培養(yǎng)對象）運(yùn)用技術(shù)思想和方法設(shè)計制作的環(huán)保性氯水溶制裝置（見圖1）為案例，將國家課程校本化，通過觀察具體實驗裝置，了解系統(tǒng)科學(xué)常識，分析認(rèn)識系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，從而抽象出系統(tǒng)的特征的目的，是為了加深對通用技術(shù)教材《技術(shù)與設(shè)計2》第三單元“系統(tǒng)與設(shè)計”內(nèi)容的學(xué)習(xí)理解和和培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。因為這種將化學(xué)實驗創(chuàng)新與技術(shù)思想方法相融合，既提高化學(xué)實驗教學(xué)效果，又推動通用技術(shù)實踐活動探索實施的舉措，非常有利于培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力，可有效提高學(xué)生的科學(xué)和技術(shù)素養(yǎng)。

圖1 環(huán)保性氯水制備裝置

1 環(huán)保性氯水溶制裝置系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

環(huán)保性氯水溶制裝置由氯氣制取、氯水溶制、尾氣吸收三部分組成，部分與部分之間相互聯(lián)系、相互作用，并且服務(wù)于無污染制備氯水這一整體的目的，所以，從系統(tǒng)科學(xué)的角度看，在技術(shù)和設(shè)計領(lǐng)域內(nèi)，它是一個較為簡單的系統(tǒng)工程。系統(tǒng)有自然系統(tǒng)和人造系統(tǒng)之分，還有實體系統(tǒng)和抽象系統(tǒng)之別，該環(huán)保性氯水溶制裝置系統(tǒng)是人為設(shè)計制作的實物，應(yīng)歸類為人造系統(tǒng)所屬的實體系統(tǒng)。氯氣制取、氯水溶制、尾氣吸收三個部分（亦稱要素）從其結(jié)構(gòu)和功能看，每一部分又是一個子系統(tǒng)，三個子系統(tǒng)構(gòu)成環(huán)保性氯水溶制裝置這一系統(tǒng)整體。在環(huán)保性氯水溶制裝置系統(tǒng)整體中，氯水溶制子系統(tǒng)是最為重要的一個部分，但溶制氯水所需氯氣由氯氣制取子系統(tǒng)提供、溶制氯水時溶解剩余的尾氣由尾氣吸收子系統(tǒng)中和吸收，所以沒有氯氣制取和尾氣吸收兩個系統(tǒng)部分的配合，沒有三個子系統(tǒng)的相互聯(lián)系與作用，系統(tǒng)整體功能是絕對實現(xiàn)不了的；可見三個系統(tǒng)部分（子系統(tǒng)）缺一不可。

進(jìn)一步仔細(xì)觀察和研究，還不難發(fā)現(xiàn)：氯氣制取、氯水溶制、尾氣吸收三個部分既是環(huán)保性氯水溶制裝置系統(tǒng)整體中的子系統(tǒng)，他們各自又是一個獨(dú)立的系統(tǒng)：氯氣制取系統(tǒng)包含反應(yīng)、供酸、控溫和排氣四個子系統(tǒng)；氯水溶制系統(tǒng)包含氯氣輸入、氯氣溶解和尾氣輸出三個子系統(tǒng)；尾氣吸收系統(tǒng)包含尾氣輸入、尾氣中和反應(yīng)和尾氣檢驗吸收三個子系統(tǒng)。

2 環(huán)保性氯水溶制裝置系統(tǒng)的特征

2.1 整體性

就功能而言，雖然氯氣制取、氯水溶制、尾氣吸收三個子系統(tǒng)具有各自的特殊功能，但這三個子系統(tǒng)中任何一個子系統(tǒng)都無法單獨(dú)達(dá)到無污染制備氯水的目的，只有按照一定的實驗方式和步驟，各個子系統(tǒng)共同協(xié)作，再配合有效控制措施，才能實現(xiàn)溶制氯水快、試劑用量少和綠色環(huán)保等預(yù)期目標(biāo)，從而達(dá)到無污染總目的。所以，“一般來說，系統(tǒng)的整體功能大于組成系統(tǒng)的各部分的功能之和”[1]。

2.2 相關(guān)性

相關(guān)性是指組成系統(tǒng)的各要素之間或系統(tǒng)整體與部分之間的相互作用、相互聯(lián)系。例如，環(huán)保性氯水溶制裝置系統(tǒng)整體能順利完成氯氣制取、氯水溶制、尾氣吸收等一系列實驗任務(wù)，而且當(dāng)氯水溶制部分采取了加快溶解氯氣措施后，所需氯氣的量可以由尾氣吸收部分的余氣吸收瓶內(nèi)的余氣導(dǎo)入管管口冒出氣泡的大小來判斷 （①氣泡大時，余氣吸收瓶內(nèi)氫氧化鈉吸收液面冒出的未吸收完的尾氣泡沫較多，較大量尾氣泡沫進(jìn)入余氣吸收檢驗瓶后，會導(dǎo)致棉團(tuán)內(nèi)的氫氧化鈉液失效，進(jìn)而引起尾氣溢出吸收檢驗瓶散發(fā)到空氣中的可能；②氣泡小時，看不見余氣吸收瓶內(nèi)氫氧化鈉吸收液面冒出的未吸收完的尾氣泡沫，會影響氯水制備速度）：需要控制氯氣產(chǎn)生量（供應(yīng)）時，將氯氣制取部分的的酒精燈火焰稍稍移開燒瓶底部使反應(yīng)物稍微降溫，以降低反應(yīng)速度而減少產(chǎn)（供）氣量；需要加大氯氣產(chǎn)生量（供應(yīng)）時，將氯氣制取部分的的酒精燈火焰稍稍移近燒瓶底部給反應(yīng)物稍微加一點(diǎn)熱，或?qū)⒎忠郝┒穬?nèi)的鹽酸向燒瓶內(nèi)滴加幾滴，以提高反應(yīng)速度而增加產(chǎn)（供）氣量。這種由觀察尾氣吸收部分尾氣余量的大小，來判斷氯水溶制部分所需氯氣量的大小，再由氯氣所需量的大小去操控氯氣制取部分的化學(xué)反應(yīng)快慢程度，達(dá)到所需氯氣產(chǎn)生量（供應(yīng)）恰到好處的有機(jī)配合過程，說明系統(tǒng)的各要素之間或系統(tǒng)整體與部分之間的相互作用、相互聯(lián)系是不可或缺的。以上系統(tǒng)整體與部分、部分與部分之間的相互影響又相互制約的關(guān)系充分反映了系統(tǒng)所具有的相關(guān)性。

2.3 目的性

任何系統(tǒng)都具有某種目的，都要實現(xiàn)一定的功能，這是區(qū)別不同系統(tǒng)的標(biāo)志。系統(tǒng)的目的一般通過更具體的目標(biāo)來實現(xiàn)。例如，環(huán)保性氯水溶制裝置系統(tǒng)的目的是無污染制備氯水。為了達(dá)到無污染目的，設(shè)計這一系統(tǒng)時設(shè)置了綠色環(huán)保目標(biāo)——尾氣不能逸散到空氣中，綠色環(huán)保目標(biāo)的實現(xiàn)不能建立在不考慮反應(yīng)制取氯氣和吸收尾氣所需化學(xué)試劑消耗量的基礎(chǔ)上，因此，這一系統(tǒng)不能不增加節(jié)省試劑目標(biāo)。而節(jié)省試劑目標(biāo)的實現(xiàn)又能將氯氣的產(chǎn)生量控制得過小造成延長實驗時間，所以，系統(tǒng)還應(yīng)加上節(jié)省時間這一目標(biāo)。要實現(xiàn)多個目標(biāo)將會大大增加系統(tǒng)設(shè)計的難度，這時一定要從整體協(xié)調(diào)的角度出發(fā)尋求平衡，以獲得整體上的最佳效果。本環(huán)保性氯水溶制裝置系統(tǒng)在設(shè)計時，經(jīng)分析和試驗后增加了四處控制裝置，通過尾氣吸收部分的余氣吸收檢驗瓶內(nèi)浸泡有飽和氫氧化鈉溶液（內(nèi)加酚酞）的紅色棉花團(tuán)變色與否為信號，采用控溫（移動酒精燈）、控量（滴加濃鹽酸）或控氣流流向（交換開、關(guān)控制夾一和控制夾二）措施，巧妙達(dá)到了溶制氯水快、試劑用量少和綠色環(huán)保三個預(yù)期目標(biāo)，解決了實驗室制備氯水時氯氣泄漏問題，實現(xiàn)了無污染目的。

2.4 動態(tài)性

環(huán)保性氯水溶制裝置的運(yùn)行過程體現(xiàn)了系統(tǒng)的動態(tài)性。該系統(tǒng)無論其整體或某一部分，都處在不斷變化的動態(tài)之中。例如，氯氣制取部分的化學(xué)反應(yīng)一旦開始，生成的氯氣不得不通過氯氣輸入管先后進(jìn)入氯水溶制部分的兩個清水瓶中被部分溶解，溶剩的氯氣冒出液面后則通過余氣導(dǎo)入管又進(jìn)入尾氣吸收部分的兩級吸收瓶中，與吸收液中的氫氧化鈉發(fā)生中和反應(yīng)，形成短暫的動態(tài)平衡；隨著氯水濃度的逐漸增加，溶剩的氯氣則增加，而吸收液中的氫氧化鈉卻慢慢減少，尾氣將要逸散到空氣中時，則要采取控溫措施使氯氣發(fā)生量減少，促成產(chǎn)氣、溶氣和吸收氣的多種化學(xué)反應(yīng)的速度達(dá)到新的動態(tài)平衡狀態(tài)……由此驗證了“任何系統(tǒng)都是一個動態(tài)的系統(tǒng)，處在運(yùn)動變化和發(fā)展之中”[1]的結(jié)論，這也符合任何事物都是不斷變化的規(guī)律。運(yùn)用系統(tǒng)的動態(tài)觀點(diǎn)，有助于使我們不僅看到系統(tǒng)的現(xiàn)狀，而且看到系統(tǒng)的變化和發(fā)展，從而預(yù)測系統(tǒng)的將來，掌握系統(tǒng)的發(fā)展規(guī)律。

2.5 環(huán)境適應(yīng)性

系統(tǒng)必須適應(yīng)外部環(huán)境的變化。一般說來一個系統(tǒng)與其所處的環(huán)境之間通常都有物質(zhì)、能量和信息的交換，外界環(huán)境的變化會引起系統(tǒng)特性的改變，并相應(yīng)地引起系統(tǒng)功能和系統(tǒng)內(nèi)各部分相互關(guān)系的變化。本環(huán)保性氯水溶制裝置系統(tǒng)在運(yùn)作狀態(tài)中，物質(zhì)、能量和信息的交換尤為突出：三個部分中產(chǎn)氣、溶氣和吸收氣的三種化學(xué)反應(yīng)，使物質(zhì)和能量不斷發(fā)生著變化；調(diào)整系統(tǒng)的三部分中三種化學(xué)反應(yīng)不斷趨于平衡，就是以紅色棉花團(tuán)變色程度為信號而操控產(chǎn)生氯氣量來實現(xiàn)的。

環(huán)保性氯水溶制裝置所具有的以上五個特性，是一般系統(tǒng)必須具備的特征，所以，這一實驗裝置是一個實體型系統(tǒng)。

［1］顧建軍，等.技術(shù)與設(shè)計 2[M].2 版.江蘇教育出版社，2009，5.

［2］田武奎，陳平.通用技術(shù)基礎(chǔ)[M].東南大學(xué)出版社，2011，6.