熵理论在化学课堂有效教学中的应用初探
一：问题的提出：
课堂教学有效性是新课程改革追求的目标之一,在当今“减负增效”背景下,有效性更是成为“教学的生命”。课程改革专家余文森教授把课堂教学的有效性定义为：通过课堂教学活动,学生在学业上有收获,有提高,有进步。但是新教材所规定的课时比较少，教材缺乏一定的系统性，学生需要掌握的内容又比较多，学业比较重。在教学任务的目标达成和教学任务的内容完成过程难以一致或者不匹配的时候，如何提高课堂的有效教学，是否需要有一种新的理论进行指导，是我们需要思考的。
二：熵理论概述及其作用：
熵的概念最初是由R.J.克劳修斯在19世纪中叶建立的，他提出了热力学第二定律，据此定义了熵这一热力学函数，并用符号“S”表示。爱因斯坦曾说过:“熵理论，对整个科学来说是第一法则”。在一个封闭系统中，熵总是趋向于增大的过程，即封闭体系的内部总是由有序走向无序的过程。熵越大，无序程度就越大。在我们的化学课堂教学中，存在学生家庭背景不同，新知识接受程度不同，教师专业基础扎实程度不同，教师个性不同等因素，这些都造成教育时时在发生冲突，导致教育系统内熵时时在增加，不利于我们教师的专业成长，学生的科学素养培养。1944年奥地利物理学家薜定谔(E．Schr·dinger)提出了“负熵”的概念，他认为要维持和发展系统的有序化，就必须系统的外界输入“负熵”才可抵消系统的熵值增长，显然负熵是衡量系统有序度，组织化的度量。如果在我们的教学过程中注意信息输入与信息反馈的有效调控，教学节奏和任务的难度或复杂程度与学生的实际学情相适应，与学生理解接受能力相适应，保证信息传输处于最佳状态，最大程度地产生负熵，减少化学教学系统熵的增加吗，那么一个活泼高效的生态课堂就会给学生更多的知识更多的能力，课堂教学才会发生更大的有效性，这才是实施新课程的最终目标。
三：应用熵理论进行高中化学课堂有效教学
1．把握教学系统的开放性特征进行有效教学
熵是一个在封闭体系条件下建立讨论的一个状态函数，如果要提高系统有序度，就必须通过与外界环境不断地进行物质、能量的交换。化学课堂本身就是一个相对封闭的体系，在课堂上教师与学生，学生与教材，媒体，教师与教材，媒体构成三个子系统，要把这三个子系统有序的组织在一起，就必须采取开放式教学方式，全方位地开放教师和学生的思维系统，积极引导学生自主参与教学的全过程，实现化学新课程的有效教堂。
（1）教学过程中教师思想的开放性
按照新课程的要求教师不再是知识的占有者、传道者，而是应该成为学生发展的促进者和指导者。教师向学生输入的信息越多,受教育者就越容易从一种模糊不清的状态走向清晰。化学语言丰富多彩，它包括化学式，化学方程式，定义计算公式等等，形象地表示了微观世界，简洁明了，它本身就代表着一种信息。本质上讲,语言是以信息为基础,本身产生的结果仍是信息。那么学生得到的知识就是一个一个经过学生大脑过滤的信息。因此,化学教学的过程就是一个信息传递的过程。在教学过程中教师应该多了解学科前沿信息，把这些传达给学生,使他们在内心醒悟到学习化学不仅仅为了会考高考,更重要的是培养自身的科学素养，为今后的工作打下一个良好的思维基础,成为一个有实力参与国际竞争的复合型人才。
（2）教学过程中学生获得信息渠道的开放性
在整个化学教学中教师必须促进学生思维系统的全方位开放，引导学生摆脱“教材中心、课文中心”的束缚，引导学生在生活中获得信息，使学生更加广泛而有效地获得更多的化学信息。
案例1 在苏教版化学1专题2第二单元《钢铁的腐蚀》这节内容中学生通过铁的生锈原理可以联想到生活中存在的各种防锈方法。教师可以通过交流与讨论这个栏目引导学生在媒介中获取信息。如让学生通过各种媒介(如报纸、广播、电视、杂志、网络等)，了解化学领域的最新进展，查找和所学化学知识有关的相关内容。
案例2 苏教版必修2《太阳能，生物质能和氢能的利用》这节内容中，笔者先请学生在互联网中分组查找煤、石油、天然气的形成、目前化石燃料的使用、储量和使用年限的计算、以节能减排为目标的新能源的开发和利用、车用乙醇汽油和沼气池的使用等信息，然后再增加一些相关的图片、录象资料、动画，将其汇编成一个网页，最后由学生自主学习和交流。再者可以以研究性学习课程为载体，进一步引导学生在调查实践中获得信息。在获得信息的方法上，教师可以通过阅读、讲述、讨论、观察、实验等多种教学组织形式以及运用实物展示、影像等媒体，让信息通过听、看、动手调查等多渠道输出给学生。另外还要保证信息源对学生的刺激足够强。这既要注意保证教学媒体有一定的直观性和可观性，也要注意有声有色、图文并茂的综合信息，同时或者交替地给学生感官。以不同形式的反复多次的刺激，对课堂教学有效性的落实起到积极作用。
案例3 在学习《盐类的水解》这节内容时，笔者除了通过演示实验、学生探究实验等教学组织形式给学生提供直观的信息之外，还增加碳酸氢钠和硫酸铝反应的实验，模拟设计了灭火器，并演示了该反应用于灭火的过程，使学生不但理解了灭火的原理，还接受防火安全教育，学以致用，激发学生浓厚的学习兴趣，进一步增强课堂教学效果。
（3）教学过程中问题设置的开放性
问题是生长新思想、新方法、新知识的种子。学习过程实质是提出问题、分析问题、解决问题的思维过程。问题既是教学活动的起点和归宿，也是贯穿于整个教学过程的主线。因此，有价值的开放性的问题，能有效地引发学生的思考，真正参与到学习活动之中，以达到掌握知识、训练思维能力的目的，实现真正意义上的化学课堂教学的有效性。开放性问题要符合以下几点：
(l)问题的探索性。问题和结论间有多种思维途径或循序渐进的思维环节，或同一问题因思维途径不同而产生多种不同的结论。如在高三复习还原性强弱，要判断铁和铜的金属活动性强弱的问题，可以让学生自主讨论归纳通过与氯气反应、铁与铜的盐溶液反应、与稀盐酸(或稀硫酸)反应，原电池，化学反应速率等知识来解决。
(2)问题的多样性。指把同一知识点从不同角度不同方式设计成问题一即转换设问角度，如以物质的量概念为核心的化学方程式计算可以设计成这样的问题：
问题1:若有40克36.5%的浓盐酸与MnO2完全反应，可制得标况下氯气的体积多少升?
问题2:要制得2.24 L氯气(标况下)，需要溶质质量分数36.5%的浓盐酸的质量是多少克?
问题3:若有40克的浓盐酸完全反应，制得2.24 L氯气(标况下)，则该浓盐酸的溶质质量分数为多少?
2． 把握化学教学非平衡特征进行有效教学
教学非平衡态不是不平衡，也不是平衡，而是在教学过程中层层推进不断打破学生原有的知识结构，有序推进课堂教学的过程，它是教学有序的前提条件。把握化学教学系统的非平衡特征，在课堂教学结构中设法构建思维的突破点，通过揭示事物的矛盾以引起学生内心的冲突，动摇学生己有的认知结构的平衡状态，从而激发新思维，促成新知识的获取，实现化学课堂的动态有效教学。现以本人在高三一堂公开课《再探喷泉实验))教学过程设计节选为例，浅析如何在化学课堂中抓住 “新课引入点、教学重难点、课的结束点”构建学生思维的非平衡态。
（1）新课引入点构建学生思维的非平衡态
【教师活动】演示实验:利用酒精，浓硫酸和水等试剂演示喷泉实验
设疑:为什么酒精会产生喷泉现象？它与课本NH3的喷泉实验在本质上有何异同？能否用O2来设计一个喷泉实验？
【学生活动】观察实验，描述实验现象:酒精液体顺着导管迅速往上涌，产生的无色喷泉。对酒精和氨气能产生喷泉的异同点大多数学生还是可以较圆满的解释，但对于后面的设计实验丝毫没有头绪。
【设计意图】心理学研究表明，人都有填补认知空缺、解决认知失衡、认知困惑和冲突的本能。所以新课伊始就引起学生强烈的认知冲突，产生心理上的无限困惑。正是学生的己有知识和经验与新知识或新问题的这一矛盾冲突，激发起学生对新知识的需要、学生的认识兴趣和思考、探索愿望。学生内心具有了学习新知识的渴望，就能促使他去思考、去行动。这样新颖别致、扣人心弦、新奇巧妙的新课导入，使学生的思维一开始就处于高度的非平衡状态，学生和教师之间、学生和教材之间等都很容易发生共鸣，学生的认识结构就很容易随着认识矛盾的解决进入更高的有序状态。课题的引入是一门技术，更是一门艺术。好的新课引入从一开始就具有趣味、美感和激情，而学生有效的学习就是始于有趣味、美感和激情的课堂情境之中。
（2）在教学过程中构建学生思维的非平衡态，突破重难点
【教师活动】：产生喷泉就要使烧瓶内外产生压强差，如果不考虑改变装置的情况下，如何操作才能让装置2产生喷泉现象呢？
图1 图2 图3
【学生活动】：图1是因为引入水后，氨气极易溶于水，使得内压小于外压，因此图2在缺少水的引入情况下，要让气体主动与水接触引发喷泉，可以考虑热敷法。
【教师活动】：如果将课本图1的装置该成图3，则如何操作可以引起喷泉现象？
【学生活动】：可以充入与氨气反应的气体如HCl，将NH3反应完，引起内压小于外压。
【教师活动】：教师演示该实验过程。打开止水夹，从1处通入HCl，整个烧瓶充满白烟，不一会儿产生白色的喷泉。 图 4
【学生活动】：后排同学站立起来，看见现象后惊叹不已。
【教师活动】：通过该实验是否能沿用刚才设计的思路，设计O2的喷泉实验呢？
【学生活动】：学生按小组讨论，教师顺势引导，共同设计出图4装置
【教师活动】：喷泉实验室利用了容器内外的压强差而产生的，那么我们学过的还有哪些实验过程利用到压强差，或者避免压强差呢？
【设计意图】没有认知冲突的课堂教学就象一潭没有涟漪的静水。课堂设计中应重视设置认知冲突，构建学生思维的非平衡态。它一方面可以唤起学生的思维注意，活跃课堂气氛，激发学生的情绪注意，使学生从情感上参与课堂教学。另一方面可以使学生通过有张有弛、跌宕起伏的认知矛盾的解决过程实现提出问题
分析问题 解决问题 有序的螺旋式思维发展。本课在新课引入后，首先让学生根据氨气与水反应能导致烧瓶内压强减小这个事实回顾基础知识，然后进行逆向思维，图1是水主动引入，可以考虑图2利用热敷法氨气主动与水接触，一样能够产生相同的效果。通过学生分析讨论归纳，充分展示学生得出“喷泉现象的本质”这个教学重点的思维过程。然后教师对照前面让学生设计O2的喷泉实验。学生从容易获得的知识找到:“是氨气极易溶于水引起压强差”这个答案。但这个答案和学生头脑中已有的生活经验“O2难溶于水”严重相悖，使学生产生“认知失衡”，定势思维，O2难溶于水怎么产生压强差呢?。而人都有保持认知平衡的倾向，为了消除因“认知失衡”导致紧张感，避免思维僵化，教师搭桥铺路，让学生设计图3产生喷泉的方法，扩大知识面，积极思考得出“可以引入能消耗氧气且反应前后能产生压强变化较大的物质”。在变“认知失衡”为“认知平衡”的过程中使教学难点的突破，学生思维的发展水到渠成，促进学生思维纵深发展。
（3）在课的结束点构建学生思维的非平衡态
【教师活动】：今天我们借助喷泉实验，探讨了压强差在化学实验中的应用。只要你不断思考，善于思考就可以利用压强差设计很多实验装置，提高我们的实验效果。比如在过滤实验中为了使操作省力可以设计出能自动添加液体装置，请依据所给出的仪器设计一个“自动加液过滤器”。
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【学生活动】：小组讨论共同设计实验
【设计意图】：结课有法，但无定法，贵在得法。好的结课，包罗万象，具有艺术魅力。在本课的结束点，通过设计自动加液过滤器，把问题留给学生。这种结课方式能承上启下，既能总结、巩固本节课的主要内容，又能给学生心理上留下悬念，唤起学生应用知识的强烈愿望，达到“课虽尽而意无穷”的教学效果。把课堂教学和“小发明”结合起来，把理论学习和观察实践联系起来，拓展学生学习化学的时间和空间，增加运用科学知识的能力，培养学生发散思维和动手实践能力，展示了化学学科有效教学的独特魅力。
3．把握教学系统的自我调节特征进行有效教学
卢梭说的好“只有成为学生的知心朋友,才能做一名真正的教师”。教学过程是一个动态发展的过程，不确定因素很多，在新课程理念下教师要摆脱以往教学过程一味追求严谨性、有序性、完整性的状态，要唤醒学生主体意识，为学生营造一种从心灵上感觉自由、安全的质疑氛围，鼓励学生自主探究，促使学生学会学习、自主学习，真正构建一个师生和谐的生态课堂。
（1）关注化学课堂纪律的影响因素，创设和谐的课堂心理氛围。
化学有很多需要记忆理解的东西，对于一个高中生而言，元素化合物知识记忆量大且易混淆，化学用语、化学计算、化学基本概念的学习等易引起学生学习分化的教学难点、实验设计思路与评价的难度控制不当、实验操作程序与注意事项的描述的烦琐等最容易使学生产生学习化学的挫折感，这些都会引发学生在课堂上的纪律问题，造成其在心理上的障碍。因此,教师要帮助学生树立自信心和兴趣。特别是帮助所谓的“后进生”铺设由浅入深的问题台阶，让其容易达到的目标并及时给予真诚的鼓励, 根据情况调节教学节奏，支持学生互帮互学,改变旧的学习方法,养成新的学习习惯，从而在一定程度上让他们意识到:“我是可以取得成功的。”而逐渐变得自信。孔子曰:“知之者不如好之者,好之者不如乐之者。”要多鼓励、少批评,激活他们的学习动机,增强他们的学习积极性,变被动地接受知识为主动地探求知识,使之成为乐之者。这样,我们的教学才达到了目的。
(2) 培养学生自主探究学习，促进学生“自组织”能力的形成
探究过程是学生不断建构自身认知的过程。学生经由自主探究性学习后能引发一系列更有效的学习行为，必将升华对学习的本质、科学过程的本质的认识，并由学习的直接经验逐步意识到自我发展的意义。从这个角度看，有效的探究性学习活动沉淀下来的是一种思维方式和自主精神。
A：对现有教材进行二次开发和利用。现在的苏教版化学编排了众多彩色图片，
有化学发展的历史资料图片、有实验操作图片、有实验现象图片、有数据资料图
片，这些图片清晰地表现了主题，使教材显得更加生动活泼。灵活应用教材中提
供的图片，可以达到培养学生的自主探究能力的目的。
案例4 在学习《化学与生活》“空气质量发的改善”时，可以按照教材编排“空
气质量对人体健康的影响”、“ 空气污染指数的确定”、“ 酸雨的危害”、“ 使用
氢气作为燃料的汽车”、“居室中甲醛气体的检验”等图片和资料，引发学生就
城市“环保汽车”的兴起、2010年上海世博会、新能源的开发利用等社会热门
问题进行讨论，得出防治空气污染，己经成为全球经济发展中的一项十分迫切而
且意义重大的课题，节能减排刻不容缓的结论。
案例5 《有机化学基础》讲授酚醛树脂的结构时，利用线型结构和体型结构的图片，可以引导学生学生交流讨论两者结构上的差异性，从而导出在制备过程过中因为原料的配比不同，催化剂的酸碱性不同造成结构上的差异这一结论，同时还可以讨论线型结构和体型结构对于高分子材料在某些物理性质如热塑性上的差别，讨论使用塑料制品的利与弊，以及塑料制品的回收再生和循环利用问题。
图片给予的学习空间是教材编排者和教师无法想象的。学生通过观察、讨论、分析图片，很容易形成许许多多的结论，并且学生对图片相关知识的理解掌握程度更加深刻，师生相互之间交流和合作更加融洽。
B：对实验进行探究与改进。化学是一门以实验为基础的自然学科，化学实验是有效培养学生实验探究能力和创新能力，激活课堂，激发学生学习兴趣的最为有效的载体。教材拥有许多演示实验、学生实验和探究性实验。但是教材中的部分实验还存在很大的开发空间，对这些探究实验的改进可以进一步激发学生自主探究学习的意识，培养自主探究学习的能力。
案例6 必修1 喷泉实验
若只是按照教材的要求呈现给高一学生，虽然节省了时间，但学生只有感官，惊叹一声却无法感受和理解该过程的本质和变化规律。为了充分体现学生的主体地位，使他们在实验中逐步形成探究的思维，我在教学过程中将其设计如下:
1、创设问题情境:教师演示让学生观察喷泉。
2、教师设计问题:从定性的角度分析，喷泉实验产生的原因?
从定量的角度分析，喷泉实验产生的原因?（教师提供数据）
3、学生探究实验
(1)如果更换烧瓶内气体（如HCl），是否可以产生喷泉现象？你认为对该气体的性质有什么要求?
(2)如果仅更换胶头滴管内液体，对应有哪些气体也可能完成喷泉实验?
(3)如果同时更换呢?
4、学生收集和处理信息得到结论
(l)减小烧瓶内压强的方法;(2)增大下方水压来产生喷泉的方式。
5. 自然界中也有类似喷泉的现象比如火山喷发，它的原理是什么？能否用给定试剂浓硫酸，酒精，水来设计一套能产生喷泉现象的装置，
C: 利用课堂资源，激励生成问题
课堂的教与学是动态的过程。化学世界中物质变化的多样性、复杂性，物质性质学习的阶段性和理论理解的有限性，学生在学习过程中认识能力的差异性都可能成为化学课堂教学中的动态生成资源，因此在自主探究性学习的过程中常常会出现一些出人意外的事情。教师在教学过程中要及时把握这些动态生成的课堂资源，因势利导，组织自主探究性教学活动，进一步激励学生就生成的新问题进行自主探究，将会收到意想不到的课堂教学效果。如SO2通入石灰水中不变浑浊，是因为气体通入的速率过快还是因为生成的Ca(HSO3)2溶解性太大所造成的；酚酞试液滴入氢氧化钠溶液中没有出现红色消失是因为氢氧化钠浓度问题还是因为酚酞被空气所氧化导致；铝丝插入硫酸铜溶液中没有看见有红色的铜生成，反而在铝表面一开始出现很多气泡，这又是为什么？等等。从这些非预设的“意外”事故中捕捉探究素材，敏锐地洞察学生的思维，可以达到或超过预期的教学效果。
四：总结
从熵理论引出的负熵对于开放系统具有重要意义,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；负熵的增加却意味着事物朝着有序的方向发展,是进化的标志。我们的化学教学亦是如此,一方面要尽量控制熵增,另一方面要尽可能的获取使教学过程更有生命力,更有序的负熵,即新的教学理念、理论知识和专业技能等,在教学中既注重知识的传播又注重方法的传递。提高教学质量,发挥学生最大潜能。当然熵理论在化学教育中的作用和指导意义还需要不断的研究，但是在新课程背景下更好的实施有效课堂，这一理论不失为一种有效策略。
本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/08ebf90985868762caaedd3383c4bb4cf6ecb745.html
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