熵理论指导下的原电池工作原理教学模式探究

熵理论指导下的化学开放性教学模式探究*

戴南阳1 胡志刚2**

（1．福建省南安第一中学福建泉州 362300；2. 福建师大化学化工学院福建福州350007）摘要熵定律这一自然界的重要定律也被认为是“一种新的世界观”。熵是一个不断被深化与泛化的概念。教学过程也是不断从低级有序向高级有序转化的过程，即是从“高熵”走向“低熵”。用熵理论指导下开放性教学模式，以“化学能转化为电能”为例进行课堂教学，从低级有序状态到非平衡态，输入新的教学手段、教学方式——涨落，通过非线性作用达到新的高级有序阶段。为学生的学习创造了一个广阔的思维空间和全方位、多层次、多渠道的学习环境。

关键词熵理论化学教学开放性教学模式原电池

DOI:10.13884/j.1003-3807hxjy.

熵被爱因斯坦誉为整个科学的首要定律，被认为是“一种新的世界观”。随着对这一概念研究的深入，熵的概念不再局限于物理学的范畴，而是渗透到经济，农业，能源等许多领域，有力地推动了其他学科的发展。本文试图将熵定律运用到中学化学教学中，重新优化化学课堂教学结构，进行开放性教学，以期提高课堂教学效率。

1 问题的提出

当前课堂教学效率低下的一个重要原因是将课堂看作一个封闭的系统，教学仅是知识的传递，教师把学生变成了“容器”，变成了可以任由教师灌输的“存储器”。在这样的教学活动中学生丧失了主体性，成了信息的被动受体，信息的流动是单向的、静态的，学生的头脑长期处于一种“休眠”状态，课堂教学系统几乎是思维静止的近平衡态。教师与学生之间这种近似线性的关系，必然会阻碍信息和能量的交流，从而使整个课堂教学系统的总熵值不断增加。

熵理论运用到教学中的出发点：教育教学的系统本应是由多个因素构成的复杂的开放系统，通过教师科学的教学组织，学生正确地运用学习方法，对学习的知识信息进行思维加工而达到有序的平衡态，即是从“高熵”走向“低熵”。熵原理指导下的课堂教学就是要提高遏制正熵、吸取负熵的能力，使学生在达到新的认识平衡的同时，增加自己的学识。

熵理论运用到教学中可促进教学系统有序演变，改变传统课堂教学封闭、僵化的状态，

*2013年福建育科学“十二五”规划重点课题（FJJKCGZ13-011）

**通信联系人，E-mail:

使整个教学体系趋于开放化、动态化、系统化，解决长期困扰我们的教学效率低下的问题。

2 熵理论

“什么是熵？没有什么问题在科学史的进程中被更为频繁地讨论过”，诺贝尔化学奖得主普里高津(I.Prigoging)如是说。熵是一个不断被深化与泛化的概念，可以分为4个发展阶段。

第1阶段，它起源于德国物理学家克劳修斯（Clausius）1865 年构造的热力学系统平衡态的一个状态函数d S=d Q/T，其意为热量除以温度的商，用来表述热力学第二定律[1]。杯中的水撒出去不会自动收回，即覆水难收；生米加热变成熟饭，熟饭不可能变回生米；热总是从高温物体传到低温物体，热不能自动从低温物体传向高温物体。克劳修斯认为，在密闭条件下，体系由有序自发地转变为无序的倾向，混乱度增大，不可逆转，这种推动体系变化的因素称作熵。在与外界隔离的体系中，一切不可逆的过程都是向混乱度增加的方向进行，这就是熵增加原理。

而后，玻尔兹曼（Boltzmann）把熵与系统微观状态函数建立了联系，对熵概念作了统计意义的解释，使熵成为系统组织的无序化程度的量度。

热力学第二定律引发可持续发展思想。热力学第一定律告诉人们能量是守恒的，既不能创生也不会消亡，只能从能量的一种形式转化到另一种不能再做功的无效能量，熵的增加就意味着有效能量的减少，世界总是趋向于最大紊乱度。热力学第二定律告诉我们，能量转换只能沿着一个方向进行，总是从高能量向低能量转换，从有序到无序，人类利用这个过程让能量做功，同时系统熵增加的过程，就意味着能量耗散了，从有用的能量转化向对人类无用的能量，如果不给予外界的干涉，系统的熵总是增加的，增加到最后，系统自动达到平衡态，也就是混沌无序的状态。热力学第二定律给人类生存敲响了警钟。1972年，马莎诸塞理工学院丹尼斯·米都斯（(Dennis L.Meadows)）领导的俱乐部提出了《增长的极限》的报告，人类无节制地消耗资源导致能源逐渐的耗尽、环境的污染，能量消耗大到最大值的熵——赫尔姆霍茨说的“热寂”，所有能量消耗一空，能量差趋于零，宇宙无可挽回地走向死亡。面对这样的情境，20世纪80年代初(美)里夫金(Rifkin，J.)、(美)霍华德(Howard，T.) 的撰写了很大影响力的著作《熵 : 一种新的世界观》，[2]1992年6月联合国环境与发展大会通过了《里约热内卢环境与发展宣言》提出了“可持续发展”战略。我国召开党的十八大中又提出“建立美丽国家”。

第2阶段。1944 年量子力学创始人薛定谔（E. Schrodinger）提出负熵的概念，认为生命有机体要摆脱死亡，就要不断地吸取负熵，以抵消它在生活中产生的熵增加，使自身维持在一个稳定的低熵水平上。

第3阶段。1948 年信息论创始人申农（C. E.Shannon）证明它和信息是一样的，在其经典论文《通信的数学原理》中运用公理化方法，提出了信息熵的概念，用以度量通信过程中信息源信号的不确定性。利用概率论定义提出信息的负熵定理：一个开放系统，取信息就等于吸收了负熵，可使系统的不确定性、紊乱度减少并趋于有序；丢失信息时，系统的熵增加，无序度随之增加。因此，信息与熵彼此是互补的，信息与负熵相当，而熵就是系统丢失了的信息的量度[3]。

第4阶段。诺贝尔化学奖得主比利时科学家普里高津（I. Prigoging）从定义非平衡态系统熵开始，引入一系列新概念，把热力学从平衡态拓展到非平衡态，进而拓展到远离平衡态，最终提出耗散结构理论，引起了宏观物理学领域的革命。该理论是熵概念深化的产物，是一种用热力学和统计物理学的方法研究耗散结构的性质及其形成稳定和演变的规律的科学，

其研究对象是开放系统，主要讨论的是一个系统从混沌向有序转化的机理、条件和规律。耗散结构论认为：一个远离平衡态的开放系统，靠外界不断供应能量和物质，当系统中的某个参量通过“涨落”达到一定的临界值时，便会打破系统原来的平衡结构，使系统进入一种远离平衡的无序状态，同时，该系统也便开始了更高层次的时间和空间上的物质再组织，从而产生巨大的系统超能，最终系统又将自发地进入一种动态的、功能有序的新状态。普利高津提出的耗散结构要求不断地“吐故纳新”，即不断地与外界发生物质和能量的交换，才能维持它的有序状态[4]。在耗散结构论中，熵和序是2个主要的概念。耗散结构的形成需要3个条件：（1）系统必须是远离平衡状态的开放系统；（2）系统的不同元素之间存在着非线性作用；（3）涨落导致有序。

熵是近年来研究特别活跃的基本概念。熵理论的发展历程见图1。

熵理论：

Fig.1 Development process of entropy theory

图1 熵理论的发展历程

3 问题探究

在熵理论指导下化学开放性教学模式可概括为图2：

Fig.2 The open chemistry teaching mode under the guidance of entropy theory

图2 熵理论指导下化学开放性教学模式[5]

帮助学生从低级有序状态向高级有序状态转化，绝不能靠教师单方面的知识传授，而应激活思维，使系统进入非平衡态。学生在学习过程中，当大脑处于全方位的开放状态时，就可以在不断吸收新知识的同时，巩固运用原有的知识。而学生思维系统的全方位开放，是由学生主观方面的“开放意识”和客观方面“使之开放的措施”共同决定的。主观方面的“开放意识”和学生的非智力因素相联系，诸如明确的学习动机、浓厚的学习兴趣、高度的注意力、顽强的意志力以及自信,进取而又虚心谦逊的良好心理品质等。客观方面的“开放措施”