化学教学系统――化学教学熵综述

　　【摘要】：文章阐述了熵理论及其发展，结合化学教学系统的特点，应用熵理论解决目前教材、教师、学生存在的一些主要问题，对中学化学教学资源的重新优化、整合，指导中学化学课堂教学，使其由无序到有序。

　　【关键词】：熵理论；化学教学熵；化学教学特点；化学教学资源

　　中图分类号：O6文献标识码：A文章编号：1002-6908(2008)0110172-02

　　随着人们对熵研究的深入，熵的概念已逐渐走出物理学的范围，获得了新的生命力。熵现象存在于人类生活的每个角落，发生在宇宙的每一个地方，而且，还很难举出自然界中，哪些方面的知识是与熵理论根本无关的。爱因斯坦曾说过，"熵理论，对整个科学来说是第一法则"。认识和掌握熵原理，对于我们用科学思想及世界观去指导和调整人类与自然界关系以及人类活动行为都是十分必要的。近一百年来，熵理论不断在深化，有力地推动了许多学科的飞速发展。

　　1.熵理论的发展

　　1.1熵概念的建立--热力学熵

　　1865年，克劳修斯在研究如何提高蒸汽机效率的基础上，提出了熵问题。他在这一年发表的论文《力学的热理论的主要方程之便于应用的形式》中认为，系统从温度为T的热源中所吸收的热量dQ，被T来除所得的商，就是该系统在无限小过程中熵的增量dS，即

　　dS≥dQ／T(1)

　　这一关系式给出了系统宏观变量温度、热量与熵S之间的联系。克劳修斯认为热量是能量传递(或转换)的一种表现，而能量是由很小的能量子组成的，所以，能量在传递(或转换)的过程中，能量子的分布会愈来愈松散而无序。这样，能量的品位或品质也就随之变差了。但克劳修斯所定义的热力学熵仍有很大的局限性，因为热力学熵不能量度系统结构中组态变化而引起的熵变。

　　1.2熵的进一步推广--信息熵

　　1948年，申农(shannon)把玻尔兹曼定义的熵引入到信息论中，他把熵看作某一随机事件中不确定性的量度，从而奠定了信息论的基础。信息，通常指在学习或观测中所得到的新闻、消息、知识和数据。在科学上，信息具有严格和确切的含义，他是指某些抽象的，能被贮存、提取、传递和交换的资料以及数据的集合，用信息量来作为定量的描述。根据申农的信息熵理论，信息熵定义为

　　S=-kΣPilnPi(2)

　　在(2)式中，Pi代表了系统第i个微观态出现的概率。在信息论中把信息看作为一种用以清除不确定性的东西。因此，信息数量的大小，可以用被消除的不确定性的多少来量度。

　　1.3负熵理论的提出

　　随着人们对熵理论的研究深入，新的概念不断涌现。1943年，奥地利著名理论物理学家、量子波动力学创始人薛定谔将其在爱尔兰都柏林三一学院的讲演稿，整理成了《生命是什么？》一书，于1944年出版。在这本书中，薛定谔提出了"负熵'概念。薛定谔认为，玻耳兹曼统计熵S=klnW式中无序度的量度W的倒数l／W可以作为有序度的一个直接量度，因此，玻耳兹曼方程可以写成这样：-S=klnl／W。据此，可以认为负熵就是取负号的熵，是有序的一个量度。负熵的引入，从表面上看，是以l／W替代玻耳兹曼方程中的W，与玻耳兹曼正熵仅差一个负号而已。其实，负熵引入了一个与正熵完全相反的概念。正熵的增加意味着事物向着混乱无序的方向发展、是退化的标志；而负熵的增加却意味着事物向着有序的方向发展、是进化的标志。负熵理论的建立，不但一举把克劳修斯熵理论从窒息状态中解救了出来，而且也填平了达尔文的生物进化论与克劳修斯熵理论间的不可逾越的鸿沟。可以说，负熵理论的建立，是熵理论发展史上的一个里程碑。

　　1.4耗散结构理论与熵理论

　　比利时化学家伊利亚?普里戈金(I?R?Prigogine)于1969年提出了耗散结构理论，他将理论热力学推向当代的最高峰。因此，荣获1977年诺贝尔化学奖。该理论认为：一种远离非平衡状态的开放系统，只要系统与外界不断交换能量或物质，当外界条件变化达到一定值时，系统可以产生突变，从原来的无序状态转变为更高级的有序结构。有序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。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或能量来维持，即为耗散结构。根据耗散结构理论，我们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，到了一定程度即可实现朝有序方向突变。

　　1.5化学教学熵

　　化学教学熵表征的是化学教学系统的无序性的大小，也即化学教学系统的混乱度。化学教学熵越大，混乱度越大，化学教学系统越无序。反之，化学教学熵越小，混乱度也越小，化学教学系统越有序。

　　2.化学教学系统特点

　　2.1复杂性

　　化学教学系统是一个结构复杂的系统，其构成要素有教师，学生，教学目标，教学内容，教学方法与手段。教师，学生作为人的要素，他们各自有自己独立的各不相同的思想、情感、价值观。教学目标，教学内容，教学方法与手段作为物的要素，他们不仅依赖于教育系统，还要依赖于社会系统，发挥作用时还要依赖于人的系统。

　　2.2开放性

　　课堂教学系统中最活跃的因子是教师与学生，他们生存于一定的社会、家庭环境中，并时刻受着社会家庭环境的熏陶与感染，形成了独特的心理结构。当他们进入课堂教学系统时，无法也不可能屏蔽外部环境的影响，并在外部环境与课堂教学的双重影响下，自我觉悟，自我发展。由此看来，课堂教学本质上是开放的，其中既有物质层面的输入，也有制度层面的输入，更有文化层面的输入。

　　2.3远离平衡性

　　普利高津认为，非平衡是有序之源。这里的非平衡态即指远离平衡态，它是一种把系统从无序推向有序，形成耗散结构的推动力。在课堂教学中教师以教学目标为导向，教材为依托，运用多种教学方法与手段使学生原有的心理系统的平衡态破缺了，导致了认知结构，技能结构，过程与方法结构及情感态度与价值观结构高度混乱，远离平衡态，为学生的发展提供了契机。

　　2.4非线性 …… 此处隐藏：766字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……