用熵理论构建无机及分析化学教学策略

[摘要]熵理论对教学改革具有重要的借鉴意义。通过将熵理论应用于无机及分析化学课程的教学实践中，提出高质高效的教学策略：培养任课教师的开放性素质，运用开放性的教学手段，向学生开放化学实验室。把熵理论用于无机及分析化学教学，为促进教学系统有序演变及教学质量的提高提供了新的视角和方法。

[关键词]熵理论；无机及分析化学；教学策略

[中图分类号]G642

[文献标识码]A

[文章编号]2095-3712（2015）19-0079-02[ZW（N]

[作者简介]严新（1966—），女，福建仙游人，硕士，盐城工学院化学化工学院副教授，研究方向：基础化学教学。

一、熵理论概述[摘要]

在化学热力学中，熵是一个很重要的概念，它是描述系统混乱程度的物理量。热力学第二定律可以表述为：隔离系统的熵永不减少。随着研究的深入，关于熵的理论逐渐走出热力学的范围，被广泛应用于许多自然科学领域，甚至在社会科学领域也有应用。爱因斯坦说过：熵理论对于整个科学来说是第一法则。[1]

普里高津（Ilya Prigogine）在研究热力学时，提出了耗散结构理论。[2]他认为，远离平衡态的系统不能用简单的热力学理论研究，应该引入“负熵”的概念进行分析。他把敞开系统的熵变分解为两部分：dS=diS+ deS。diS为系统内部不可逆过程对熵变的贡献，diS≥0，称为内熵增；deS为系统与外界热交换对熵变的贡献，称为熵流，可以是任意值。如果外界给系统注入负熵流，且deS足够小，它就能抵消掉系统的内熵增，使系统的总熵减小，系统进入相对有序的状态。

普利高津将热力学和统计热力学从平衡态推到远离平衡态时发现，一个敞开系统在远离平衡态的非线性区，通过外界能量和负熵的输入，当某些参量或约束条件（如化学反应亲和势、浓度梯度等）超出某一阈值时，系统会从原来的混沌无序状态转变为时间上、空间上或功能上的有序状态。这种远离平衡态形成的新的稳定的宏观有序结构，只要不断地耗散外界的物质和能量，就不会因外界的微小波动而消失。由于这种状态需要外界的能量和负熵的输入来维持，故称为“耗散结构”。

无机及分析化学课程的教学系统是由本课程的教学管理人员、教师、学生以及教学内容、教学方法等多个要素构成的一个动态的、多元的、复杂的敞开系统。把握熵理论的开放性特征、非平衡特征进行无机及分析化学的教学，可以使我们从一个新的视角对教育教学进行探索。找出有效降熵机制，重新优化无机及分析化学教与学的过程，对于本课程的教学改革有一定的启示作用。[3]

二、熵理论的应用[HTSS]

（一）熵理论在无机及分析化学课堂中的应用

在无机及分析化学的教学环节中，课堂是主阵地，抓好课堂教学这个环节可以有效提高整个教学系统结构的有序程度。传统课堂中，学生是知识的被动接受者，教师只是教材知识的传声筒，在一个相对封闭的环境——教室中实施教学。如果课堂机械沉闷，系统内熵值很容易增加，向无序化方向发展，这样的课堂不仅会浪费许多时间和精力，还会磨灭学生探索知识的兴趣。

耗散结构理论认为，非平衡是有序之源，要提高课堂的教学效果，就要激发学生的学习兴趣，发挥学生的主观能动性。因此，教师要精心设计教学，制造充满问题的教学情境，尽量使学生的认知与思维发生冲突，引发认知结构的不平衡，从而激发学生对所学内容的兴趣，积极思考。思维初始阶段的混乱是一个熵增过程，而在教师的引导下，学生一步步探索，对获得的知识进行有序化的加工，使混乱无序向有序突变，从而形成完整的结构化的知识，学生的化学学习能力也随之提高。

例如，在讲解离子化合物的性质时，学生需要根据离子键的强弱来比较NaF、NaCl的熔点高低。由于离子键的本质是静电引力，与核间距的平方成反比相关，Cl-的半径大于F-，即NaCl的核间距大于NaF，所以NaF的熔点高于NaCl的熔点。这时，教师应接着问：Cu+的半径为96pm，Na+的半径为95pm，那么CuCl与NaCl的熔点哪个高哪个低？学生往往会根据刚学的知识经验回答：两者的熔点应该差不多。然后，教师给出熔点数据：CuCl，422℃；NaCl，801℃。学生看到数据会觉得惊讶和困惑，显然，这与学生原有的认知结构相矛盾。这一矛盾会促使学生产生强烈的学习动机，积极地寻求问题的答案。最后，教师引入负熵流的概念，引导学生学习离子的极化理论。

总之，教师在教学中要不断制造认知冲突，让学生的学习能力偏离原有的平衡状态，使以前的认知结构得到补充，并螺旋式上升到一个新的高度，达到新的高级有序的平衡。因此，无机及分析化学的课堂所追求的有序，并不是混乱度越小就越好，是让学生主动学习而不是被动听课。教师不仅要传输教学信息，还要让学生有适当的思维空间，以引起学生情绪上的共鸣。此时，课堂的混乱度虽然增加，但气氛轻松愉悦，充满生机和活力。因此，教师要善于调控课堂气氛，使混乱度保持在适当的范围内，让课堂在有序中包含着无序，无序中又包含着高度有序。只有这样才能充分发挥教育者的主导作用和学生的主体作用，使教师和学生的行为自由与思维自由达到有机的统一。只有尽可能地产生负熵流，减少无机及分析化学教学系统的熵增，才能构建高效和有序的课堂。

（二）熵理论在无机及分析化学课程教学中的应用

理想状态下的无机及分析化学教学是全方位开放的教师和学生的思维系统。要在教学中为学生创造一个开阔的思维空间，提供一个多方位的、多角度的、多渠道的教学环境，应做到以下几点：

1.培养任课教师的开放性素质

一方面鼓励教师多参加学术交流，汲取更多的教学经验，另一方面督促教师收集与无机及分析化学课程相关的各种信息。教师在教学过程中合理利用信息，适当地拓宽深化教学内容，贯彻与日常生活、自然现象、工程技术等应用相结合的思想，增加信息熵的输入，有利于保持教学系统的有序度。

2.运用开放性的教学手段

通过整合多种教学方式来调动学生的学习积极性，可达到教学的最优效果。例如通过多媒体来改善课堂教学的无序状态。多媒体教学能增加系统的负熵，用动画等手段直观地展示一些无机及分析化学的原理、实验现象，让学生在大脑中对文字与图像信息进行有效结合，可以提高教学效率，激发学生的学习兴趣。再如，在讲解物质结构的内容时，对于电子的运动状态、原子结构和晶体结构等微观世界，语言描述远远不如多媒体动画生动形象，后者既可以加深学生对物质微观结构的理解，又可以培养学生的空间想象力。

3.向学生开放化学实验室

化学的发展是建立在实验的基础上的，基础化学理论的思想和方法同样也体现在化学实验之中。向学生开放实验室，为学生提供一个从事科学研究的场地，可以让学生体验到化学学习的乐趣，提高学生学习的自信心。学生可随时进入实验室，课堂所学知识得以应用，成就感增强，这有利于学生在实践中进行自主性、探索性学习，在挫折中经历成功，从而培养其良好的心理素质和科研素质，为以后的发展奠定基础。

（三）熵理论在无机及分析化学课程学习中的应用

在教育心理学中，人的大脑被称为“认知系统”。学习时，认知系统一方面接受大量的外界信息刺激，另一方面，认知系统根据所获得的各种信息时刻进行自我调整和更新，改组内部结构，使之丰富和完善。由此可见，认知系统是一个典型的普里高津耗散结构。从耗散结构理论来看，学习的过程就是一个接收外界的信息并对其归纳整理、建立有序化结构的过程。人的学习过程其实是一个吸收外界的“负熵流”、总熵值变小的过程，而认知系统对所学知识的遗忘过程则是内熵增加的过程。

因此在无机及分析化学的教学中，教师要引导学生给认知系统输入丰富、新颖、多变的信息，刺激认知系统，克服阻碍变化的同化作用，使认知系统的原有图式产生相应的改变，形成更复杂多元、更高层次的有序化结构，即达到一种较高水平的平衡状态，使学生的学习能力和智力水平得到发展。如果再有新的刺激出现，又会产生新一轮的同化、顺应、平衡过程，平衡的这种连续不断地发展就是整个认知发展的过程。[4]总之，在学习过程中，只有给认知系统输入新鲜、多变、递增的外界信息，才能使认知系统掌握新信息的速度超过遗忘速度，即负熵流超过内熵增，引起认知结构的更新。

参考文献：

[1]〔美〕杰里米·里夫金，〔美〕特德·霍华德.熵：一种新的世界观[M].吕明，袁舟，译.上海：上海译文出版社，1987.

[2]〔比利时〕普里戈金.从混沌到有序[M].上海：上海译文出版社，1987.

[3]陈晶，胡志刚.刍议熵理论在化学教学中的应用[J].化学教学，2010（6）.

[4]皮亚杰.教育科学与儿童心理学[M].北京：文化教育出版社，1981.