“熵”的教学思考与设计

江苏省南京市第一中学 王越 选自《中学物理教学参考》2009年第3期

新课程、新教材，新在教育理念及教师的教学方式、学生的学习方式。就课堂教学而言，具体体现在教学目标的设定、教学内容的挖掘、教学手段的选择和教学过程的设计。下面以“熵”的教学设计为例，谈谈对新课程背景下的课堂教学的一点体会。

一、教材的编写意图和课堂教学目标的确立

人教版《物理》选修3－3在编写过程中充分体现了新课程教育理念，把提高学生的物理素养作为第一目标，并将这一目标分成两个层次：学习物理学的知识、方法和通过物理学认识世界。

在具体教学过程中恰当地确立教学目标需要注意以下两点：

1．教学目标不是千篇一律和一成不变的

教学目标的设定受很多因素制约，如学生情况、教师情况、教学资源的占有量、外界环境限制等，所以，每节课的教学目标往往不同，即使同一节课，不同时间、不同地点、不同对象的教学目标也往往不同。教师要根据具体情况确立适当的教学目标。

2．充分挖掘教学中蕴含的教育因子

教材为教师搭建了活动平台，教师要通过这个平台教给学生什么呢？教知识，教方法，在教学活动中提高学生的能力、素养，影响学生的世界观、价值观、人生观。因此，教师必须从教材和其他教学资源中挖掘相关的教学因子，设定相应的教学目标。例如，空气湿度和相对湿度的教学，难以做更深更广的挖掘，因此，以知识的掌握、常识的介绍、使之更好地为日常生活服务就成为主要教学目标。再如，“物体是由分子构成的”一节，设计了人类对物质结构和空间本质的认识过程，是物质观、世界观、科学观教育的良好素材，而高二的学生又具备了一定的哲学基础，如果教师能掌握一些哲学基本理论，就可以将辩证唯物主义世界观、科学观的培养设为教学目标。

限于中学生的知识水平，热力学第二定律在高中物理中是非重点内容，熵更是次要目标，如果我们因此在教学时一带而过，那真是暴殄天物。爱因斯坦曾说“熵理论对于整个科学来说是第一法则”。可见熵的内涵博大精深，有待我们去挖掘其适合高中生的部分。和熵一样，教材中有大量的素材可以用来培养学生的能力，影响他们的世界观、人生观、价值观，影响他们的思维方式、行为方式，这才是学校教育的根本目标，也是新课程之“新”的根本所在。

因此，通过热力学第二定律和熵的教学，希望在学生的心中长时间留下熵理论的烙印。

二、教学目标的达成途径

1．重视过程体验

现代教育心理学家布鲁纳说：“我们教一门科目，不是建造有关这门科目的一个小型现代图书馆，而是使学生亲自进行像数学家思考数学，像史学家思考史学那样，使知识的获得过程体现出来。认识是一个过程，而不是一件产品。”教师教学生，不是要学生把结果记录下来，而是要使他参与知识构建的过程，所以，最有效的教学过程是体验的过程。体验思维创造的过程，体验应用实践的过程，体验学习的艰辛与喜悦，体验科学的壮美与神奇。

人们对热力学第二定律的最初认识来源于长期的实践，为了使学生对此有更深的体验，使其更好地接近和理解热力学第二定律，笔者做了如下设计。

师：一杯开水，放在桌上，过一段时间便冷却接近室温；一块冰，放在桌上，过一段时间便会融化咸水并逐渐接近室温。这两个过程都是自发进行的，都满足热力学第一定律。

对称性是许多物理规律的一个重要特性，那么，会不会有相反的过程存在呢？在室温下，一杯水放在桌上，过一段时间自动沸腾起来；一杯水自动地结成冰块。常识告诉我们，这些是绝对不可能实现的！但这些过程并不违反热力学第一定律！

我们还可以举出更多的例子。

一盆清水，滴入一滴墨汁，顺时针搅拌100圈，会看到什么现象？再逆时针搅拌100圈，会看到墨汁重新聚集成一滴吗？常识告诉我们，绝对不可能！那只会更加均匀。

类似例子同学们可以举出一些吗？

生：战争中，有一座小木屋，一枚炸弹落下，木屑纷飞；又一枚炸弹落下，结果……小木屋轰然重现！

生：（轰然大笑）怎么可能！

……

师：类似的例子同学们还能举出很多，一些过程随处可见，但它们的逆过程绝不可能发生。可这些逆过程都符合热力学第一定律或能量守恒定律，但显然都不可能发生，这说明一个热力学过程能否发生，热力学第一定律并非是唯一制约因素，因为它不能解决方向性的问题，于是人们意识到一定还有一个制约着物理过程发生方向的规律存在。这就是热力学第二定律。

将历史浓缩，用课堂问答的形式，在思辨中总结认识，称为融入式体验。

另一种方式是将历史资料充实后提供给学生阅读、体会，称为呈现式体验，适用于学生基础知识暂时无法达到的环节。如：

师：对发现热力学第二定律做出开拓性贡献的是法国年轻的工程师卡诺，出于提高蒸汽机效率的目的，卡诺运用“卡诺热机”的理想模型提出卡诺定理：“热机必须工作于两个热源之间，其效率只取决于两个热源的温度差，而与工作物质无关。

在卡诺研究的基础上，德国物理学家克劳修斯和英国物理学家汤姆逊（开尔文勋爵）几乎同时地从不同角度提出了热力学第二定律。

克劳修斯表述：“热量不能独立地、不付代价地从低温物体传向高温物体。”

“独立地、不付代价地”指不能自发地进行，即不引起其他变化。实际上可以实现热量从低温物体传向高温物体，如空调、冰箱，但这些电器必须依靠外界做功才能实现热传递，这就引起了其他变化，不是自发的。

开尔文表述：“从单一热源吸热使之全部用来对外做功而不产生其他变化是不可能的。”

后来，德国物理、化学家奥斯特瓦尔德也提出了另一著名的表述：“第二类永动机是不可能制成的。”第二类永动机就是违反开尔文表述的热机，尽管它遵循热力学第一定律，但还是无法实现的。

我们还可以举出无数个自然界存在的不可逆过程，可以证明克劳修斯表述和开尔文表述是完全等效的，我们还可以把任何两个不同的不可逆过程联系起来，从一个过程的不可逆证明另一个过程的不可逆。从某种意义上讲，只要认真观察每个人都可以从具体过程中提出自己的热力学第二定律的表述。明天请同学们每人至少提出一个以你自己名字命名的表述。

无论是哪一种表述，它们的共同点是：一切与热现象有关的宏观过程都是不可逆的。

可是，为什么？为什么会这样呢？（以此引入微观解释）

2．重视科学方法的学习

良好的方法能使我们更好地发挥运用天赋的才能，而拙劣的方法则可能阻碍才能的发挥。新课程让学生通过物理概念和规律的学习过程，了解物理学的研究方法，认识物理实验、物理模型和数学工具在物理学发展过程中的作用。具体在教学中就是系统和全面地学习物理学的同时，进一步强调物理学的研究思想和方法。

归纳法是一种从个别事实中概括出一般概念、一般规律的思维方法。物理学是以实验为基础的科学，大量的物理概念、规律正是由许多实验事实经过抽象思维的加工归纳而成的。热学中有许多学习归纳法的素材，如玻意耳定律可以做出归纳式的教学设计在实验室中完成。为热力学第一定律做出巨大贡献的焦耳所作的一系列实验，盖斯、迈尔、亥姆霍兹等人对能量守恒定律的研究，建立在大量事实基础上的热力学第二定律等，无不体现了归纳思想，归纳过程中时常闪现创新的火花。在教学中如果注意引导学生去体会归纳，乃至设置情境、让学生亲身投入其中去经历科学发现的过程，不仅可使学生更好地掌握知识，同时还可体验蕴藏其中的科学美、激发进一步学习物理的兴趣，更可以锻炼创新思维、掌握一种研究方法。

同大量自然规律一样，自然过程的方向性规律乃至热力学第二定律都是在大量事实归纳的基础上提出的，帮助学生发现现象、对比，寻找条件上、结论上、形式上、逻辑上等各方面的共同点，提出猜想、验证、修正再猜想、再验证……学生将因此终生受益。

例如，为使学生正确理解熵的概念，教材举出了扑克牌顺序、气体分子运动、搭积木等例子，运用排列组合的知识，求出各种情形下微观态的个数，引导学生将事情发生的几率与各种情形微观态的数量相联系，归纳出“自然过程总是向着有序→无序的方向进行”的结论。这时教师可以趁热打铁，进一步进行归纳引导：

师：你能排出同花顺吗？

生：当然能！

师：你能每次都排出同花顺吗？

生：当然！……只要让我看牌。

师：你能让所有气体分子全部都出现在气缸的左侧而不是右侧吗？

生：用活塞推。

师：你搭积木每次都能搭成一座小木屋吗？

生：上幼儿园时就能了。

师：那你凭什么说自然过程总是从有序向无序呢？你总能使无序变成有序嘛！

生：？？？……

师：你随手撒牌能撒成同花顺吗？

生：不能。师：如果置之不理，气体分子会聚集在左侧而右侧保持真空吗？

生：不能。

师：如果随手乱扔，你能扔出小木屋吗？

生：不能。

师：现在你怎么理解“自然过程总是向着有序一无序的方向进行”这句话？

生：这句话是有条件的，条件是不干涉系统。

师：对！简言之，自发！

3．贴近学生生活，联系社会实际

将教学内容和生活实际联系起来，用身边常见的现象和例子说明问题，不仅可以激发学生的学习热情，强化实践意识，提高学生分析问题和解决问题的能力，还可以拓展学生的视野，帮助学生形成科学的价值观，增强社会责任感。

例如，在提出克劳修斯表述时，可以运用气体定律、热力学第一定律同学生一起研究冰箱、空调制冷制热的原理。在提出开尔文表述时，查询资料，列举各种热机的效率，进而分析一些著名的第二类永动机。这些分析能拉近科学与生活的距离，使学生对物理学增加亲切感、减少距离感、消除恐惧感，从而提高学习的兴趣与效率。

4．作超越物理学范畴的拓展、挖掘

学习物理学的最终目标是通过物理学认识世界，促成思想认识上的飞跃。熵的内涵和意义已远远超出了物理学的范畴，进入了生命科学、信息技术科学、环境科学、化学、甚至人文科学领域。熵决定了宇宙向何处去，熵决定了某项计划是否可行，熵甚至可以度量一个企业团队的活力……向学生展示这些，对学生的思维深度、广度，甚至是世界观、人生观、价值观都是一种影响甚至改造，这正是“熵”教学的真正意义所在。

教学片断：

师：人和构成人的等量的化学物质，谁更有序？

生：人。

师：那么，人的诞生过程，系统的熵怎么变？

生：减少。师：不是说熵是增加的吗？难道人的诞生违反了热力学第二定律？

生：熵增加原理的适用范围是孤立系统，人不是孤立的，人与外界有物质交换。

师：你找到问题的关键了!生命的出现、物种的进化都是从低级到高级、从无序到有序，表面看来这违反了热力学第二定律，其实恰恰从另一个方面证明了熵增加原理。生命体是一个开放系统，一方面，新陈代谢使有机物分解、生命体衰老，物质结构从有序变为无序，熵增加；另一方面生命体从外界摄入食物、水，在体内进行各种生命物质的合成，物质结构从无序变为有序，熵减小；青少年期，总体熵减小，老年期总体熵增加；如薛定谔所说，生命通过从外界摄取负熵为生。人类摄取动植物食物，这是人类负熵的来源，那么动植物的负熵从何而来呢？地球生命的原动力在哪儿？

生：太阳。

师：从这个角度，同学们如何去理解人口无限膨胀会导致人类灾难？

生：太阳能是有限的，所以地球能供养的人口是有限的，多了就没吃的了，所以我们要搞好计划生育。

生：（大笑）

师：确实如此。动物数量过剩，会造成食物短缺，动物就会大量死亡以维持平衡。但人类改造环境的手段异常强大，会想尽一切办法生存下去，这就必然导致平衡被更严重地打破，自然界将失去自我调节能力，最终崩溃。劫后余生的幸存者在新的平衡下重新开始。人类是不可能征服自然的，因为自然界的背后是不可战胜的自然规律。

人类对熵的认识的发展史既是一部科学研究史，也是一部思想发展史。由于经典力学在时间上是可逆的，因此，在19世纪以前，人们总认为自然过程是没有方向性的，即谈不上进化，而热力学第二定律则把进化的概念引入了物理学。这是科学思想史上的一个里程碑。

19世纪的两大科学理论——热力学理论和生物进化论都反映了自然界的演化。热力学第二定律指出物质向着熵增加的、产生混乱的方向发展；达尔文的生物进化论则提出生物的进化朝着产生有序的方向发展。这两者似乎是矛盾的。有人提出：“克劳修斯和达尔文不可能都是对的。”达尔文则提出：“热力学第二定律不适用于生命物质，因为生物不是一台热机。”这样物质世界就被割裂为生物世界和非生物世界，两个世界遵循相反的规律，可是两个世界的联系又是如此的紧密，从而在当时造成了思想上的大混乱。后来的研究发现，热力学第二定律研究的是平衡态，处理孤立系统的自发过程，而生物体是个开放系统，生命过程是外界干涉下的非平衡过程，使得思想认识得到了澄清。20世纪70年代，物理学家、诺贝尔化学奖得主普利高津建立了非平衡态热力学，重新将生物界与非生物界统一在热力学理论之下，实现了科学和思想的双重飞跃。

熵已不仅属于物理学范畴了，甚至已不仅是一个概念了，熵是一种世界观。

熵是一种世界观，物理学又何尝不是呢？作为一名践行新课程的物理教师，我们有必要将这种观点传递给我们的学生，世界的未来。

发布时间：2010/1/14 下午2:19:00  阅读次数：9098