論熵理論視域F的化學教學

胡志剛　蔡奕津　陳鍵

摘要：熵理論已由最初的“熵增原理”發展到耗散結構等一系列理論體系，并且被自然科學和社會科學的諸多研究領域所借鑒。化學教學過程也遵循著運用熵理論的耗散結構“低級有序——混沌無序——高級有序”規律，體現出開放系統、創設非平衡態、引入漲落、運用非線性的作用。為優化化學教學提供了一個新的視域。

關鍵詞：熵理論；耗散結構；化學教學；非平衡態；非線性作用

文章編號：1005-6629（2016）1-0008-05 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

1.熵概念與熵理論的涵義

熵是一個不斷被深化與泛化的概念，可以分為四個發展階段。

第一階段。它起源于德國物理學家克勞修斯（Clausius）1865年構造的熱力學系統平衡態的一個狀態函數dS=dQ/T，其意為熱量除以溫度的商，用來表述熱力學第二定律。而后，玻爾茲曼（Bohzmann）把熵與系統微觀狀態函數建立了聯系，對熵概念作了統計意義的解釋，使熵成為系統組織的無序化程度的量度。克勞修斯在《熵》這篇論文中提出了熵增加原理。

第二階段。1944年，量子力學創始人薛定諤（E.Schrodinger）提出負熵的概念，認為生命有機體要擺脫死亡，就要不斷地吸取負熵，以抵消它在生活中產生的熵增加，使自身維持在一個穩定的低熵水平上。

第三階段。1948年，信息論創始人申農（C.E.Shannon）證明它和信息是一樣的，在其經典論文《通信的數學原理》中運用公理化方法，提出了信息熵的概念，用以度量通信過程中信息源信號的不確定性。利用概率論定義提出信息的負熵定理：一個開放系統，獲取信息就等于吸收了負熵，可使系統的不確定性、紊亂度減少并趨于有序；丟失信息時，系統的熵增加，無序度隨之增加。因此，信息與熵彼此是互補的，信息與負熵相當，而熵就是系統丟失了的信息的量度。

第四階段。諾貝爾化學獎得主比利時科學家普里高津（I.Prigoging）從定義非平衡態系統熵開始，引入一系列新概念，把熱力學從平衡態拓展到非平衡態，進而拓展到遠離平衡態，最終提出耗散結構理論，引起了宏觀物理學領域的革命。該理論是熵概念深化的產物，是一種用熱力學和統計物理學的方法研究耗散結構的性質及其形成穩定和演變的規律的科學，其研究對象是開放系統，主要討論的是一個系統從混沌向有序轉化的機理、條件和規律。耗散結構論認為：一個遠離平衡態的開放系統，靠外界不斷供應能量和物質，當系統中的某個參量通過“漲落”達到一定的臨界值時，便會打破系統原來的平衡結構，使系統進入一種遠離平衡的無序狀態，同時，該系統也便開始了更高層次的時間和空間上的物質再組織，從而產生巨大的系統超能，最終系統又將自發地進入一種動態的、功能有序的新狀態。普利高津提出的耗散結構要求不斷地“吐故納新”，即不斷地與外界發生物質和能量的交換，才能維持它的有序狀態。在耗散結構論中，熵和序是兩個主要的概念。耗散結構的形成需要三個條件：一是系統必須是遠離平衡狀態的開放系統；二是系統的不同元素之間存在著非線性作用；三是漲落導致有序。

本文所指的“熵理論”便是對這些與熵相關的理論的統稱。熵概念發展到今天，已經遠遠超出了最初嚴謹的科學應用，使一個單純描述微觀世界的熱力學的物理概念，變成了一個自然科學與社會科學統一的概念。例如，將熱力學系統中的熵、耗散結構理論與企業管理相結合，根據熵增原理，管理系統出現從有序到無序的演變，從本質上說明了企業管理的必要性。根據耗散結構理論，管理系統出現從無序到有序的演變，從本質上說明了企業應如何進行管理。

“熵理論”的演變過程詳見圖1：

2.熵理論指導下的化學教學模式的建構

化學課堂教學系統是由多個因素構成的復雜的開放系統，其內部各要素之間的相互作用滿足非線性關系，并遠離平衡態，而且在漲落的誘發下可以使系統不斷地結構化、層次化，從而從無序走向有序。所以說化學課堂教學系統屬于耗散結構，因而可以運用熵理論的原理嘗試構建一個優化化學課堂教學的化學教學模式。

學生的認知系統也可視為是一個耗散結構，學生的知識學習過程，實質上是一個耗散結構不斷由低級有序向高級有序躍遷的過程：隨著新知識的不斷輸入，學生的認知結構也不斷地實現自我的豐富化與多層次化。熵理論認為，一個遠離平衡態的耗散結構，要從低級狀態進入高級狀態，要從無序走向有序，必須對外開放，必須頻繁地與環境進行物質、能量和信息的交流。既然系統總熵值的減小只能在外界作用下實現，那就首先要讓系統極大限度地對外開放。所以，熵理論指導下的化學教學模式的首要任務便是創造一個開放的教學環境。營造一個開放的系統是為了使系統能夠更好地進人_個更高級的有序狀態，而欲達到這樣的目的，還應創設非平衡態，以打破系統原有的低級有序狀態。普利高津認為：非平衡是有序之源。一個內有動力、外有活力的教學系統必定是一個有差異的非均勻的、非平衡的系統。向有序性轉化而引發學生認知沖突，激發學生求知欲望，就是創設非平衡態與遠離平衡態的有效方法。可見，熵理論指導下的化學教學模式的第二個程序便是創設非平衡態。其實，在創設非平衡態的同時，也就在系統中引入了漲落。漲落導致有序，它強調了在非平衡態教學系統具備了形成耗散結構的客觀條件時，漲落對實現系統有序的決定作用。把漲落機制應用到教學系統中，就是要抓住教學系統中的小漲落或采取一些適當變革措施和手段創造小漲落，通過非線性作用使漲落由小變大、由局部到整體，發展成巨漲落，促進系統躍遷到新的有序狀態。其中非線性作用在系統升級中具有重要的意義。“非線性與線性是相對獨立作用的關系。線性作用具有獨立性、對稱性、均勻性的特點，這會使事物的演化趨于呆板、單調；而非線性作用具有相關性、非均勻性、非對稱性的屬性。教師、學生、教學媒體三者之間呈現出典型的非線性特征。三者之間的關系，隨著環境的變化而變化，充分利用環境的變化信息，利用它們來促進教學系統的改革，自發調整相互之間的關系，優化教學過程，走向有序。上述分析如圖2所示：

依據這個原理可這樣處理‘化學能與電能”的教學，見圖3。

當然，上述模式中各過程的發展是相對的，并沒有絕對鮮明的界線。在實際的教學活動中彼此密切相關、相互轉化，從而形成學生創新思維耗散結構的自組織過程，使學生的思維由無序向有序發展，由低級向高級進化。

3.對熵理論指導下的化學教學模式的要素詮釋

熵理論作為一個方法論，既然可以用于社會科學諸多領域，那么，它也應該適用于化學教學，詮釋化學教學規律，也可以應用熵理論嘗試構建化學教學模式。可以使化學教學系統不斷地從系統外界引進各種各樣的負熵流，不斷地抑制自己系統內部的熵產生，使整個化學課堂教學系統的總熵值不斷減小，使化學課堂在經歷“混沌無序”之后躍遷到高級有序的狀態。因此，化學教師在化學教學中可以有意識地運用該模式進行教學，以促進化學教學的高效進行。

3.1建立開放性的教學系統

3.1.1開放教學內容

教學要能促進學生思維的演化，豐富的知識資源至關重要。教學必須向學科前沿開放、向教科書開放、向課堂外開放、向學生開放、學科之間相互開放、評價標準多元與評價方式開放。

教學中對教材的把握不僅需要扣得準，而且需要放得開。例如氯氣制法的教學，在介紹教材中內容的基礎上，可通過研究性學習的指導，引導學生思考能否用其他的物質代替二氧化錳，如何除去氯氣中的氯化氫，如何干燥氯氣，如何減少氯氣的污染，能否設計更簡約化的制氯氣的裝置；又如阿伏伽德羅定律的教學中，要求學生通過讀教材找出：定律中有幾個“同”？這幾個“同”在定律中的作用是什么？根據該定律你是否能推導出其他推論？……

3.1.2開放教學手段

教學手段的開放，就是要注意多種教學手段的合理配合，充分調動學生的多重積極性。因此，教師在教學中不僅可以整合傳統的直觀的、演示的、講述的、討論的、實驗的等教學手段，而且更應該充分發揮多媒體計算機傳播大信息量、提供直觀形象的化學畫面、模擬不易操作的實驗、快速正確地處理實驗數據、進行知識的多元表征等優點。堅持教學的開放性，就需要揚長避短，綜合運用多種教學手段。

以“原電池”教學為例，教師可先用講授法簡單介紹其定義，再結合電腦模擬實驗加深對原電池的放電和離子移動現象的認識，然后提出問題（電流的流動方向），師生討論，教師適時引導。這樣多種教學手段綜合運用才能取得良好教學效果。

3.2創設非平衡態的教學系統

化學作為一門以實驗為主的學科，我們側重從實驗的角度來建構學生思維系統的非平衡過程。實驗教學實踐表明，實驗過程中所展示的一些新穎奇特、趣味盎然的實驗現象可以有效地將學生引人·種急欲解決問題的“憤悱”狀態。而這種學生欲罷難休的“憤悱”狀態正是學生思維遠離平衡態的集中表現。

3.2.1新奇性實驗

心理學的研究表明，當人的大腦接觸到由新奇現象所帶來的刺激時，會出現優勢興奮中心，此時大腦的勞動便處于緊張而愉快的狀態。因而實驗過程所再現的一些新異奇特的實驗現象常會在給學生的感觀造成強烈刺激的同時，使學生的思維處于非平衡態。

例如，講硫的氧化物時，課前將一束鮮艷奪目的鮮花插在集氣瓶中，學生的注意力全部集中在花上，情緒高漲。教師說，美麗的鮮花在—定條件下也會被腐蝕。請學生注意觀察將H2SO3溶液噴灑在花朵上，花朵就變得暗淡、蒼白。提問：為什么會產生這種現象呢？由此引入新課。奇特不已、妙趣橫生的現象誘發了學生的學習動機，給學生帶來心靈震撼的同時，也導致了思維非平衡態的出現，獲得極佳的教學效果。

3.2.2疑惑性實驗

一位哲人曾經說過，“思維自疑問和驚奇開始”。應當說，疑問是學生汲取知識的原動力，有疑惑才有探求，才有積極的思維活動。在化學實驗教學中，借助于疑惑性實驗給學生造成的強烈的認知沖突，可以有效地創設思維的非平衡態。

例如，“原電池”一課的教學也可以運用實驗手段來創設教學情景：鐵是比較活潑的金屬，銅是不活潑金屬；鐵能與稀硫酸反應，銅則不能，這是我們已經知道的事實，如果把這兩種金屬連接在一起，同時放到稀硫酸中會發生什么現象呢？在實驗中，學生會發現，左邊的燒杯里，鐵絲上有氣泡放出；在右邊的燒杯里，銅絲上也有氣泡放出，為什么呢？從而引發學生思考，進入認知的非平衡態。

3.2.3矛盾性實驗

化學實驗中所出現的一些或與學生的先前認識相悖，或與所預測的現象有違，以及在不同情況下所出現的實驗結果“自相矛盾”的情況，常常可以置學生的思維于“進退維谷”的窘境。促使學生的思維系統遠離非平衡狀態之后達到更高的有序狀態。

例如，為了鞏固AI（OH）3是兩性氫氧化物等有關知識，教師可設計實驗：向AlCl3溶液中加入適量的NaOH溶液，出現絮狀沉淀后，繼續滴入NaOH溶液。絮狀沉淀便消失了。為什么絮狀沉淀AI（OH）3能與NaOH溶液反應呢？產生矛盾情境，誘導學生思索。

3.3重視思維的觸發機制——引入漲落

漲落是一種躍遷、突變、擾動，在創新思維中表現為直覺、靈感、頓悟等思維的“巨漲落”。在教學過程中，教師若能積極創設良好的思維環境，則可有效地誘發學生思維“巨漲落”的產生。因此，教師應及時注意和把握教學系統內外的各種“漲落”現象，促成系統向有利于分支形成和發展的方向演化，避免教學系統混沌狀態的出現。

如在指導學生學習溶液pH的計算時，先讓學生思考pH=5的鹽酸稀釋10倍后，pH=？，通過分析，學生很容易得出pH=6。接著再讓他們練習：稀釋100倍、1000倍后溶液的pH為多少？若將題目改成pH=9的NaOH溶液分別稀釋10倍、100倍、1000倍又如何呢？學生緊張地練習著，教師也在尋找突破難點的時機。突然一位“機靈鬼”一拍桌子，說了句“老母雞怎能變成鴨？”。教師一聽，妙！時機來也！馬上請這位同學說說他想到了什么。經這位同學一指點，大家恍然大悟，酸經過稀釋不可能變成堿，堿也不可能經過稀釋變成酸。那問題出在哪呢？學生思維的積極性被極大地調動起來，經過討論很快得出“都是水的電離惹的禍”。這時教師及時總結：許多公式、定理的應用都是有條件的，同學們在解題時不能生搬硬套，一定要開動腦筋。接著再進行酸-酸混合，堿-堿混合，酸-堿混合溶液的計算中，學生顯然“成熟”了許多，難點一一化解，好一句生動的“老母雞變鴨”，讓學生印象深刻，也省去了許多重復練習的時間。

3.4運用非線性作用

非線性相互作用，能使系統各要素間產生協同作用。系統能由無序演化到有序，發生質變，其內在動力便是系統的協同作用。協同性是系統的普遍性，沒有協同性，在環境的干擾下，系統就會瓦解，其結構和層次就會破壞，其功能隨之消失或大大削弱。在化學課堂教學中要善于通過非線性作用，促進系統各要素間產生協同作用。實際教學中要協同好教學目標、師生情感、課堂內外等。

例如，筆者在一次有關化學電池的研究性學習過程中，對不同智能型學生進行活動分工，見表1：

這種教學，把全班教學、小組學習和獨立自學3種教學組織形式有機地組織起來。這種協同教學組織形式，既有利于提高教學質量，也容易滿足個別學生在學習上的要求。使學生努力在“人”與“物”、“人”與“人”及“己”與“己”之間的充分廣泛的信息交流的基礎上，通過對信息的加工處理，學生實現新的更高層次的平衡。

在福建石獅一中進行“熵理論在化學教學中應用”的試驗。調查結果用SPSS統計軟件對本次調查進行平均數差異顯著性檢驗，顯著性水平為0.05，檢測其雙尾顯著性概率即Sig.（2-tailed）=0.000<0.01，前后測成績存在極其顯著的差異，由此說明實施新的教學方法后效果顯著。

借助熵理論建構出一個符合學生發展特點的化學教學模式，其實質就是要運用熵理論，不斷地從化學教學系統外引進各種各樣的負熵流，不斷地抑制自己系統內部的熵產生，才會使整個化學課堂教學系統的總熵值不斷減小，并最終通過促成整個系統的巨漲落，使化學課堂教學系統離開原有的穩定狀態而躍遷到一個新的穩定有序的狀態，從而形成新的優化結構，使化學課堂在經歷“混沌無序”之后重新回歸到清晰有序的狀態，實現化學課堂教學的高效運轉。