熵理论在中学化学新课程中的融合运用，本文主要内容关键词为：新课程论文,理论论文,中学化学论文，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。
如今的中学使用的化学教材是课改后的新教材，学生是经过课改后来学习化学的。课改后的教材对于知识的难度降低许多，但是在短时间学习的内容却大大增多。化学新课程的理念是采用探究式的学习方法来学习化学，许多教师都认为课改后化学难教，对于教材难把握，学生的学习积极性也低。在这过程中，笔者发现熵理论对于提高学生学习积极性有极其重要的作用。熵理论可作用于社会科学的各个方面，但熵在课堂教学方面的应用还很少。本文将探讨熵在教学中的应用，尤其是在化学教学中的指导作用。
一、熵理论
熵(Entropy)是物理化学中的一个状态函数，1865年克劳修斯用其来表示可逆过程中物质吸收的热与温度之比值。根据热力学第二定律，在孤立系统中，熵总是趋于增大的，这就是著名的熵增加定律。熵定律也可以进一步理解为：孤立系统内部总是从有序状态自发地变为无序状态，最后不可挽回地朝着最为混乱无序的状态趋近。熵定律只能适用于孤立系统，而在现实世界中真正的孤立系统是不存在的。熵是反映系统无序程度的量，熵越大，系统无序程度越高。
二、耗散结构理论与熵理论的作用
1969年比利时学者普利高津根据熵理论提出和创立了“耗散结构”的概念和理论。耗散结构理论认为：一个远离非平衡状态的开放系统，只要通过不断交换物质与能量，在外界条件变化达到一定的阈值时，系统可以产生突变，从原有的混沌无序状态转变为更高级的有序状态。这种在远离平衡情况下形成的新的有序结构，依靠不断地耗散外界的物质和能量来维持，即为耗散结构。普利高津在不违背熵定律的前提下，将熵的变化分成两个部分。在开放系统与外界的物质和能量的交换过程中，由于熵增加原理，系统内部不断增加的熵称为“正熵”。而另一部分通过耗散结构作用使系统的总熵减少的熵流称为“负熵”。大脑系统就是一个耗散结构，平时根据熵的理论，系统总是朝着混乱无序发展。但是我们根据耗散理论，可以从外界吸收能量与物质来使系统负熵增加，从而使熵的增加量减少，到一定程度可实现朝有序突变，从而可以吸收外界知识，使教学达到一个有序的非平衡状态。运用耗散理论指导化学教学，研究学生的认识过程怎样才能从混沌无序到有序，将给化学课堂教学带来新的生机。
熵理论使我们从一个新的视角对教育教学进行探索。由于教育教学系统中存在的冲突或危机，所以教学系统的熵难免要增加，朝着混乱无序变化。熵理论是通过教育者对于混乱的有效调控最大限度地增加教育教学系统负熵流，使教育教学系统从无序达到最大限度的有序，从而使学习者即学生个体身心得到全面、和谐的发展。通过教育熵理论的指导，可以最大限度地减少熵。熵理论可以作用于化学新课程的教学当中，指引化学课堂教学由无序到有序。
三、教育熵的作用原理
教育熵是教育者通过高效地利用教育影响这个媒介保证了教育教学系统有序化进展，最大限度地减少熵的产生，增加负熵流，从而使学生个体身心得到全面的发展。教育教学过程实际是教育熵不断减少也即教育教学系统不断趋向有序的过程。
四、课堂教学中导致熵增加的因素
教育教学系统在运行过程中出现各种不协调的现象，都会造成系统的熵增加，从而使教学向着混乱无序发展。教学的有序指教学管理的有序及教学秩序的有序和教学纪律的有序等。教师在教学过程中条理清晰地将知识传授给学生，学生在学习过程中认真吸收，课后教师对学生掌握情况进行分析与补漏，学生进一步巩固，从而形成有序的过程。教学的无序是教学过程中教师对知识内容把握不清或引导学习方法有误，从而使学生无法很好掌握知识，使师生间的教与学出现冲突，使课堂混乱度增加，无序度增加。尤其是对于化学新课程教学，很多老师无法把握新课程教学的精髓，从而使教学难度增加。教学的有序性和无序性是相互对立又相互联系的矛盾统一体，在一定条件下可以相互转化。
1.教学的组织结构不清引起熵增加
教学组织结构上的分工不清楚使掌管各职能的单位间发生冲突。管理层与下面各执行部门之间无明显权属关系，致使命令无法及时到达，造成教学时机延误。管理机构分工不明确，致使出现事务管理方面，有的事没人管，有的事人人都要管，有的事很多人管却无人能管得好。教师工作由于管理部门与各教研室无法形成很好的沟通，从而使教师能力被不当放置，无法在合适位置发挥自己效用，造成人力资源流失，从而使教师教学积极性降低，处于被动消极状态，容易忽视学生的主体作用，削弱与学生的互动性。同时教学人员间没有良好沟通，矛盾重重，影响正常的教学工作。这些都是由于管理不当引起的熵的增加。
2.教学系统不合理引起熵增加
教学系统中包括了教育者与教育对象，二者都会产生对系统影响的熵增加。首先是教育者，若教育者由于管理不当的因素，没有将身心放在教学之上，必然导致系统的熵增加，使课堂更加无序，必然导致学生主体地位受一定影响，教学效果无法达到良好。
3.教学人员的个人素质不强引起的熵增加
教学的重要步骤就是上课，要保证教学效果就必须做到课堂教学情况良好，这与教师的个人素质息息相关。教师的个人素质高，对于课本教材内容把握准确，使用合适的教学方法，才能保证教学效果高。如果教师素质低下，无法准确把握教材重难点，没有合适的教学技巧，或教师上课只顾自己完成教学任务，忽略与学生的互动，忽视学生学习的主体地位，上课不负责任，只为上完课而上课，都将造成系统熵的增加。
4.教学过程课堂掌控不够引起熵增加
教师的课堂教学是最重要的环节，这个过程是学生吸收知识的过程，教师要以合理有效的方法引导学生学习教材知识。对教材内容的处理是教师应注重的，良好的处理能使学生更好地学习。如果教学过程对教材处理不当，应用方法不当，都将导致学生对知识的不良吸收，从而使混乱度增加，也就是熵增加，使系统朝无序走向。除了教师对于教学内容的把握是使熵增加的因素，对于课堂中经常出现的突发因素等，教师如果处理不当也将导致熵的增加。课堂中经常突发一些情况，这些情况正是人脑的反映。人脑本就是个无序的系统，学生对于教师的讲解无法理解，就会使课堂教学出现意外情况，学生对于不懂的知识会提出疑问，若无法理解就会思维停顿，继续下去的学习内容就会受影响，头脑混乱度增加，必然会朝更无序方向发展。这也就是教学过程熵增加引起的混乱度增加，无序性增加。
五、根据耗散理论引入负熵使化学教学由无序向有序发展
1944年奥地利物理学家薛定谔(E.Schr
dinger)提出了“负熵”的概念，即带负号的熵的相反值(-S)。由于熵（混乱度）与系统的无序性联系在一起，那么负熵自然而然与有机体的有序性联系在一起，即“负熵”为“有序度”。耗散结构认为：一个开放着的系统，在远离平衡状态的条件下可以由混沌朝有序方向转化，有序的组织“可以通过一个‘自组织’过程从无序和混沌中‘自发地’产生出来”，系统通过正反馈与外界物质交换能量，使有序状态参量不断增强超过临界值（分叉点时的值）时，系统便进入高一级的阶段，这个高级阶段叫“耗散结构”。远离平衡态的耗散结构要从低级状态进入高级状态，要从无序走向有序，必须对外开放，必须频繁地与环境进行物质、能量和信息的交流。在学习过程中，学生的大脑就是一个耗散结构。因此，教师在教学过程中必须想方设法促进学生思维系统的全方位开放，使学生的大脑处于积极主动的学习状态，从而能多渠道、有效地摄入更多信息，促进知识体系的构建。新课程中的开放式化学教学就是有效的尝试。按照上述理论，任何事物的出现和存在都要有一定的条件，耗散结构也是一定条件下的产物。我们可以根据形成耗散结构的条件适当地引入负熵以减少系统混乱度，使系统朝有序的状态前进。
1.加大系统开放性，增加系统负熵流
根据熵理论与耗散结构理论，产生耗散结构的系统必须是一个开放的系统，要形成一个有序的结构，只有想办法尽力克服熵的增加。这就要求系统必须开放，并且从外界获得负熵流来降低自己的熵值。在系统中，熵值越小，表明系统越有序；相反，熵值越大，则说明系统越无序或有序性越弱。根据熵增加原理，系统的熵增加是不可避免的，当系统达到平衡时，熵值最大，系统也最混乱、最无序。当最终达到平衡态时，熵值达到最大，此时系统变成一种最无序的死的结构。开放系统可以通过从外界不断获得负熵的方法使系统的总熵值变化，增加量减少，从而使系统维持稳定，最终将系统从无序过渡到有序。学校教育教学系统必须大大加强自身的开放性，吸引更高素质的人才，引进更先进的教学设施，开辟畅通的信息渠道，并在系统中合理使用，使这些人才、经费、技术、设备充分发挥效益。建立优胜劣汰机制，对臃肿的机构和冗余的人员必须彻底精简。这样在高效教育教学系统中形成一种竞争向上的局面，就可大大减少系统的熵产生，最终使系统的总熵趋于减少，高效教学管理系统才能得到有序化发展。要加大系统开放性，首先必须从理念上达到开放。化学新课程的理念是采用探究式学习，培养学生的创新思维，这就要求我们摈弃旧有的落后的理念，引进和吸收新的合适的理念。关于教学内容的开放，新课程中已经越来越多地介绍新科技的运用，如纳米材料等，这就要求我们跟上时代的步伐，在教学内容中能与新科技接轨，才能丰富学生的知识面。另外还要注重教学方法的开放。以往的教学多是教师根据书本在教室里详细地讲解，无法通过生动的直观的现象引导学生学习，让学生觉得学习枯燥，失去兴趣。新课程中，多种教学手段已经越来越广泛被使用，今天我们可以利用多媒体、投影仪、实验室等多种教辅工具进行生动的演示，更能激发学生的学习兴趣，使课堂教学有序化。
2.非平衡状态下的学习达到有序
耗散结构理论指出，“非平衡是有序之源”，由于在非平衡态时系统不稳定，在外界因素作用下才能实现结构的变化，才能由混乱的状态到有序的状态。非平衡状态是指系统远离平衡态。在平衡态时由于系统处于稳定的状态，此时很难改变其状态，而在平衡态时混乱度最大，系统最无序，我们无法使其变成新的有序的状态。只有在远离平衡态，即非平衡态时，由于系统不稳定，根据耗散理论，我们可以形成一个开放的系统，不断从外界吸收能量，进而改变非平衡态，使其达到新的有序的状态。学生的大脑就是一个耗散结构，我们必须使其在非平衡态时，从外界吸收知识，在头脑中构建成型，与旧有知识结构结合，改变旧有知识结构，促使非平衡态向有序状态转化。我们可以通过举例来构建非平衡态。如学习“原电池”这一节时，我们可以举“格林太太自从镶了一颗金牙和一颗钢牙后经常头疼，这是为什么呢”的例子。学生由于凭借旧有知识无法回答，就会在脑中形成疑问，就构成了非平衡态，我们就可以进一步引导其学习以下的内容，这样就调动了学生的学习积极性。
3.通过系统内部各要素非线性作用达到创新
系统内部各要素的非线性作用是推动系统向有序发展的动力，是形成耗散结构的重要前提。对于新课程来说，尤其倡导学生的创新意识，创新就是一个非线性作用的过程。我们对于问题的思考，有时可以轻易解答，但只能用旧有方法模式；有时百思不得其解，有时灵机一动能得到绝妙的解法并且是新的方案。对于创新来说，这就是非线性的过程。在教学过程中，教师要着重培养学生的思维能力，相对于新课程教学，已经不是简单地完成教学任务而已，更重要的任务是培养学生打破常规，勇于创新的精神。平时要多激励学生，同时要注重思维能力培养，在非线性作用下使大脑很好作用实现创新，能有效地减少教学过程的熵增加。对于教学系统内部，对于管理机构与教学人员之间的分工要明确，职责要清晰，才不会造成人才的浪费。教学系统内部各种人员之间必然存在着各种矛盾与摩擦，要处理好人员之间关系，才能保证教学有序进行。同时，平常要注重教师素质的提高，激发教师的教学热情，使教师能全身心投入教育事业，可保证教学正常有序进行，管理人员、教学人员有机结合促使教学系统良性循环，有效地减少熵的增加，使系统更加有序。
4.促进学生思维自组织活动减少熵的增加
在教学过程中，学生是学习的主体，教师只是起辅助作用，我们应当充分发挥学生的主动性。以往的“填鸭式”“灌输式”教学都不适用于新课程。新课程提倡的是探究式学习，突出了学生的主体地位。作为教师应当把握这个前提，在教学过程中应采取让学生自己发现问题、提出问题、找出答案的教学方法，应该是引导而不是直接讲解，必须在教学过程设计中突出学生的主体地位，培养学生的思维能力和创新意识。如“燃料燃烧释放的热量”这一节课，我们可以提出引导的问题，如“相同质量的不同燃料为什么燃烧放出的热量却不同？”引导学生阅读教材，发现问题并解决问题，再安排学生自己来讲解，将课堂的主动权交给他们，从而由开始提出问题并讨论时的混乱无序慢慢地向有序发展，培养他们的思维能力与综合能力。
六、熵理论指导新课程实验教学
在化学新课程中对于实验的要求也有了改变，不再有以往整节课都是实验的，而是在教学中安排演示实验及一些小实验。对于实验的要求也不大一样，新课程倡导学生进行探究式实验，要求学生会设计实验，对于学生的思维能力及动手能力有进一步要求，其难度增加。在这过程中，由于实验的要求改变，对学生的要求提高，将不可避免引起熵的增加，我们必须正确地指导实验教学，减少熵的增加，使课堂向有序发展。
1.运用熵理论进行开放式实验教学
目前，高中化学的课堂实验教学中还存在着封闭教学的影响，具体表现在教师和学生之间缺乏信息交流，输入学生头脑中的信息没能得到及时的反馈，学生学习的思维过程和疑难也很少反映出来。实验教学过程存在讲解多引导少，教师仍是很详细地讲解实验内容，给定实验方案。其结果是学生接受较差，难以从实验中得到知识，只是为了做实验而实验，使混乱度增加，也就是熵增加。要改变这状况，就必须营造一个开放的系统，教师要注意与学生的交流，讲解的内容要及时得到学生的反馈，对其疑问进行及时解答，及时矫正其学习过程中出现的错误，使其远离平衡态，使负熵增加，引导其由无序到有序。
2.运用熵理论进行探究式实验教学
当前新课程提倡的是探究性学习，探究性实验能引起认知冲突和思维不平衡态。与以往的实验教学有所不同的是，如今的实验教学不应采取手把手详细讲解的方法，而应当充分调动学生的思维与积极性，让其动手动脑进行探究性实验。探究性实验教学要求教师不能采取硬性灌输知识的方法，应当积极对学生进行引导，在实验教学中逐步设疑，引导学生自己通过设计实验、探讨实验现象解决，在适当时候进行点拨。探究式实验教学重要的是教师的引导及学生对实验的积极思考。比如在学习“化学反应限度”时，进行氯化铁与碘化钾反应生成二价铁与碘单质的实验，怎么样才能说明这是可逆反应呢？可以引导学生思考并探究，最后自己设计方案来验证。
3.运用熵理论引导学生对实验进行自组织学习
由耗散理论可知，要使系统引入负熵，减少熵的增加，学生的大脑就是一个耗散结构，他是一个开放的系统，就必须与外界不停地交换物质与能量。这是个自组织过程，学生能不停地从外界吸收知识，通过大脑消化，使其结合起来。在实验教学过程中，学生是通过教师讲解完成知识的传递。而在旧的实验教学中，学生的主体性太弱，对于教师的依赖性太强，致使学生积极性不高。耗散结构强调的是学习过程中学生的自组织过程，这就突出了学生的主体地位，要求学生不仅要听讲，同时要动脑思考，动手探究，动笔记录。教师应根据新课程的特点，适当对学生进行引导，使其思维活跃，自己能设计实验，动手实验，记录实验现象，可得出结论，倡导其自主性，将负熵引入教学，减少混乱度，达到教学的有序性。如“化学电源”这节课，对于书中的活动与探究，我们可以让学生自组织，引导他们根据化学电池的反应原理思考并设计实验方案，最后得出结果，并让小组汇报方案，这样更能培养学生主动思考的能力。
熵增理论认为由于熵（混乱度）的增加，必然使系统朝更无序的状态前进，最后达到最为混乱的平衡态。普利高津的耗散结构认为非平衡是有序之源，学生实验能力的提高，就是由于当教学处于非平衡态时，系统内部与外部容易相呼应，打破旧的平衡，吸收新的物质与能量达到新的平衡。在非平衡状态，学生对于实验存在着众多的疑问，同时对实验本身充满好奇，这时教师可以通过适当的引导，吸引学生的兴趣，通过设疑等手段，引导学生提出问题，对现象进行思考，使其最终达到一个有序的状态。
对于熵理论在化学教学中的应用，我们还只是初步地探究。熵已经越来越广泛地被运用于各社会学科，我们期待熵的进一步运用。