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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
课堂教学作为一个复杂系统,其构成要素本身是复杂多变的,并且内部要素之间随着时间与空间的不同,其相互作用机制与方式也是各不相同的,我们把这种作用规律称之为非线性作用。课堂教学正是通过这种非线性作用,实现课堂教学的整体发展。
3.中学化学教学资源现状
3.1教材
教材是课程的重要组成部分,它系统地反映了课程内容,是教师组织教学的主要依据,是学生学习知识、技能和方法的重要载体,也是促进学生形成健康情感、态度和价值观的催化剂。对于目前我国大部分高中所采用的化学教材,我们认为其中有这样一环是欠缺的,那就是工具方法。它是一种综合运用化学和其他学科的知识、技能用以解决具体的问题的一类方法,与实验室工作、工业生产和日常生活密切联系。
3.2教师
新课程标准给广大中学化学教师带来了新机遇和新挑战,面对新课标、新教材,教师必须全面提高自身素质。由于培养学生的科学素养是化学课程的主要目标与任务,化学教师的科学素养水平将直接影响科学教育的质量,影响学生科学素养的培养。目前,我们的教师存在的问题主要有:
(1)单薄的专业知识难以应对教学,期待教师具备和谐的知识结构。
(2)教师对新课改的认识模糊,对课程改革疑虑较多。
3.3学生
当今社会科技迅猛发展,学校教育应着眼于培养学生自主学习的能力,夯实学生"终身学习"的基础。有关专家认为:21世纪的教育,要培养学生四种本领,即学会求知,学会实践、创造,学会共同生活,学会生存。由于长期受"应试教育"的影响,我们的学生存在的问题主要有:
(1)学生轻视实验,对剧烈的化学实验有恐惧心理。
(2)学生自我反思能力缺少必要的培养。
(3)学生创新意识薄弱。
一、现代化的教学手段的介入
现代科技和教育的发展,为改进传统教育模式,丰富教学方式和形式提供了可能。教师除了采用课堂讲授、实验演示、对学生提问、分组讨论、要求学生查资料和写小论文等,传统的教学方式之外,还可恰当地运用现代化的教学手段,如网络、投影仪、录音录像、多媒体课件、复杂化学过程的演示动画等,增强对学生的吸引力,增加课堂的趣味性。更重要的是可表现出客观事物和各种化学现象,能在短时间内展示事物的运动和发展的全过程,为学生提供大量而丰富的感性材料,突破传统教学手段在时间、空间上的限制,将传统教学手段不能表现的许多现象和过程进行形象而生动的模拟表现,有效地增强教学效果。教师是知识的先行者,更是学习的先行者,改进教学方法是教师的职责之所在。科技的发展,为新时代的教 育提供了现代化的教学平台,为传统教学模式注入了新鲜的活力。老师除了采用对学生提问、分组讨论,要求学生查资料、写小论文等等传统的教学方式之外,还可以 适当地运用电化教学手段,如网络、投影仪、录音录 像、制作多媒体课件。特别是制作复杂化学过程的 演示动画,它除了增强对学生的吸引力,增加课堂的趣味性和视觉上的冲击以外,更重要的是可以表现客观事物和各种化学现象,能在短时间内展示事物的运动和发展的全过程,为学生提供大量而丰富的感性材料,突破传统教学手段在时间、空间上的限制,能将传统教学手段不能表现的许多现象和过程进行形象而生动的模拟表现,它是传统教学手段的补充和延伸,两者协调配合,就能取得更好的教学效果。
二、教学思想与方法的改革
传统的化学课堂教学只关注知识的接受和技能的训练,现在仍有许多学校强调学生的任务就是要消化、理解教师讲授的内容,把学生当作灌输的对象,甚至连一些化学实验现象都只是教师的 口述,而不给他们亲自动手或观看演示实验的机会。这就导致大多数学生逐渐养成一种不爱问、不想问“为什么”、也不 知道要问“为什么”的麻木习惯。《纲要》中明确提出:“改革课程过于注重知识传授的倾向,强调形成积极主动的学习态度,使获得基础知识与基本技能的过程同时成为学生学会学习和形成正确价值观的过程。”现代课堂教学注重追求知识、技能;过程、方法;情感态度、价值观三个方面的有机整合,在知识教学的同时,关注过程方法、情感体验。课程改革的理念是注重培养学生终生学习的能力。要提高学生的能力,就要在教学中加强学生的科学素养、发现问题、分析问题、解决问题能力的培养。在平时的教学过程与复习时,都不能重结论、轻过程;重简单应用的机械操练、轻问题情境和解决问题的思路分析,而应重视获取知识的过程,让学生掌握学习化学的基本科学思维方法。以课本知识为基本探究内容,以周围环境为参照对象,让学生亲身经历和体验科学探究的过程,主动学习,逐步形成科学的探究能力。所以,我们教师必须精心备课:备教材、备学生、备教法、备学法。在教学过程中,应充分体现“精导、互动、点拨、训练的教学模式。联系生活实际,使学生积极主动地学习,使获得化学知识和技能的转变称为理解化学、进行科学探究、形成科学价值观的过程,重视知识的有效传播和灵活应用。切实寻找提高教育教学质量的有效途径,提高教学效率是现代教学的基本要求,也是提高教学质量的关键。教师是教学过程的主导者,教师的教学观念必须适应教育发展和教学实际的需要。教学过程是师生交往、共同发展的互动过程,教师教和学生学彼此形成一个“学习的共同体”,因此要创设充满乐趣、激情的课堂;要通过让学生的智力接受挑战、思维产生碰撞、情感受到熏陶的课堂教学行为培养学生创新精神和实践能力。
三、针对教学目标的看法
选修手持技术实验课的学生是2009级的化学师范生,共有155人,分为6个大组,每个大组又分为8个小组,每个小组3~4名学生。每个学生3次,4个学时∕次。共12个学时。(1)系列实验1任务、内容是:介绍手持技术相关的基本知识,学生尽快熟练掌握各种传感器的使用方法、工作原理及维护方法,能利用手持技术进行简单的化学实验。(2)系列实验2任务、内容是:除了让学生进一步熟悉手持技术的操作外,进行较复杂实验。比如:同时连接2个或2个以上的传感器时如何来设置页面以及如何设置坐标轴上X轴、Y轴显示的物理量等,更主要的是以手持技术为工具的探究,体验手持技术与化学教学的整合,突出手持技术在解决化学教学中的重难点问题时的优势。(3)系列实验3任务、内容是:训练手持技术与多种传感器相连,在同一时间内进行多种数据的采集和处理,内容与社会生活相联系,通过实验感受手持技术在综合性实验中的应用,能利用手持技术设计综合实验。体现从生活走进化学、从化学走向社会的新课程理念。
2开设手持技术实验后的调查分析
手持技术实验课教学效果如何?利用手持技术进行教学的有效性、可操作性和认同性怎样呢?我们对选修“手持技术实验”课的155名学生进行了问卷调查。调查问卷由21道大选择题(包括47道小选择题)和2道开放性问答题组成。调查采用无记名方式,共发放问卷155份,收回148份,其中有效问卷144份。调查的内容主要包括:(1)手持技术的优点(第3-5题);(2)手持技术对化学教学的影响(第6-8题);(3)使用手持技术教学的态度(第13-14题);(4)影响手持技术在中学化学教学中广泛应用的因素(第15题);(5)手持技术实验课的实施效果(第16-23题)。以下是在统计分析调查问卷的基础上,结合实验过程中的观察以及对部分学生的访谈对调查结果进行的评析。
2.1手持技术操作的难易程度
通过对学生的访谈发现,在开设手持技术实验课之前,绝大多数学生从未听说过手持技术,只有个别学生通过图书、期刊等对手持技术略有了解,但从未见过实物,可见手持技术在河南并未得到广泛应用。第一次接触手持技术仪器时,80%的学生感觉很新奇,很想进一步了解。只有7%的学生对其有恐惧感。调查表明:绝大多数的学生认为手持技术的操作不难,这与当今大学生思想开放,接受新事物的能力强有很大关系。
2.2手持技术的优点
与传统化学实验相比较,使用手持技术实验的优点如表5所示。学生认为手持技术的优点排序为直观、便携、操作简单、准确、实时,其中对准确、实时2大优点的认可度较低。
2.3手持技术对化学教学的影响
学习手持技术仪器的操作是为了更好地在化学教学中应用,而在化学教学中使用手持技术产生的作用将直接影响手持技术的应用范围。调查结果表明,手持技术对学生学习化学既有正面的积极地作用(图1),又有负面的消极的影响(图2),影响程度的大小取决于具体应用手持技术的情况(图3、图4)。
2.4影响手持技术应用的因素
手持技术在中学化学中的广泛使用受到诸多因素的影响。这些影响因素大致可以分为8类:经济条件或成本问题、学校的态度问题、化学教学实践(如教学内容的选取课时数量)问题、学生方面的问题、教师的专业水平及观念意识问题、评价的问题、手持技术本身的问题及学校外部压力的问题。61.2%的学生认为手持技术有一定的教学适用范围。一是由于经济等因素无法购买手持技术设备;二是虽购买了手持技术设备,也因其他条件的限制未广泛使用;三是手持技术不能代替传统实验,有些实验用手持技术合适,而另一些实验用传统的仪器更好。手持技术要想在中学中得到推广和使用,最大的障碍是:52.1%的学生认为是学校没有设备或者设备少,43.7%的学生则认为是没有相配套的教学资源(课堂教学设计案例、实验案例),57%的学生认为学校领导的支持最为重要。
2.5学生对手持技术的认同感
应用和推广手持技术任重道远,师范生是未来的教师,担负着重大的责任,他们是否愿意成为新思想和新技术的传播者,推广和使用手持技术呢?此次问卷中设计了第13题和第14题进行相关的调查。
2.6学生对手持技术实验课实施的效果评价
2.6.1学生对系列实验1实施效果的评价
有17%的学生认为效果很好,62%的学生认为效果好。这些认为教师讲解得条理清晰,跟随教师一起操作,又通过几个小实验的练习,基本掌握了手持技术的操作步骤。
2.6.2学生对系列实验2、3实施效果的评价
从图7可以看出,14.6%的学生认为很好,59.7%的学生认为好,这说明大多数学生认可系列实验2、3的教学效果。但相比较实验2采取的指导探究式教学组织形式,学生更喜欢实验3开放式的合作探究式教学,他们认为这样有利于提高思考能力和创新能力,同时有助于提高科学探究的能力。对于系列实验2、3内容(图8),85%的学生认为贴近初、高中化学教学,对今后从事初、高中化学教学有用。从难易程度上,多数学生(64.6%)认为实验内容不难也不太简单,属于一般难度。
2.6.3学生对自我开发实验能力的评价
开设手持技术实验课,不仅是为了让学生了解手持技术,熟练掌握其基本操作,更主要的是让学生将手持技术作为一种工具,能开发出合适的案例,提高探究的能力。学生能否开发出适合的案例呢?调查表明,88.8%的学生认为自己能,但需要时间,11.2%的学生觉得自己不能开发出新的手持技术实验。这说明绝大多数的学生还是很自信的。对于开放题“您认为利用手持技术可以和初、高中化学中的哪些实验相结合或者是对哪些实验进行改进”,大多数学生写了测量反应的热效应、强弱电解质的电导率等,是比较简单的定量实验,而且还和手持技术实验课上的实验内容很相似。这对应了学生的选择“能,但需要时间”。
3结论与反思
3.1结论
调查结果表明,手持技术实验课取得了良好的教学效果,绝大多数学生对手持技术进行教学的有效性、可操作性和认同性持肯定的态度,即对化学师范生开展手持技术实验课是可行的。大多数学生认为实验内容贴近初、高中化学教学,对今后从事初、高中化学教学有实际应用价值,而且难度适中,层次性的实验教学模式恰当,所以对化学师范生开设手持技术实验课是必要的。另外,选修手持技术实验课的已是大三学生,具备一定的知识基础,在教学过程中能较快地掌握手持技术的使用方法,理解手持技术的工作原理以及仪器的维护。他们不仅了解了一种现代化实验手段,认可其在化学教学中的独特优势,愿意在条件许可时使用手持技术进行教学,而且能够与初、高中化学课程整合,开发实验,提高科学探究能力。
3.2反思
一、优化课堂教学的基点是转变教学理念
新课程淡化了学科中心,为教材的多样化、教学方式的多样化创造了条件。教学设计要贴近学生、贴近实际、贴近社会,真正体现从生活逻辑到知识逻辑,不是简单地照搬书上的素材,也不仅仅是用生活的例子来印证书本的结论。教学方式在体现学生自主、合作探究的前提下可以多种多样。旧教材只有一维要求,而新课程里每一节都设置了三维教学目标,除原有的知识与技能外,还重视了科学探究的教育作用,强调了过程方法的学习。教师要从“教教材”转变为“用教材”,通过有效的校本教研活动,根据学情融入自己的科学精神和智慧,进行重组、活用,使预设尽可能得到精彩的生成。因为预设与生成都是精彩的课堂教学不可或缺的两个方面,预设水平高且能不断生成的课,才算是精彩的。过分强调预设缺乏必要的开放和不断的生成,就会使课堂教学变得机械、沉闷,使师生生命力得不到充分发挥;单纯依靠开放和生成,缺乏精心的准备和充分的预设,课堂教学则会变得无序、缺乏目标和计划,也不会有良好的生成效果。因此,教师只有在精心预设的基础上,针对教学实际进行灵活调控,追求动态生成,课堂教学的有效性才能在预设与生成的融合中达成。
二、优化课堂教学的着眼点是建构高效的教学结构
现代教学论认为,应变“教”的课堂结构为“学”的课堂结构,变课堂为学堂。不同的课型有各自的基本结构模式,同一课型的结构模式,也会因教学指导思想的不同、客观教学条件的变化而变化。课堂结构高效化并不一定是大容量、快节奏和高要求,一个有活力的、高效化的课堂结构,必须具备如下六个因素:构成一个“环环紧扣、层层人深、步步有新、相互促进”的有机整体;教师对教学内容的处理与学生原有的认识结构相适应;学生主动、积极参与的程度;学生当堂练习的数量和质量;课堂信息反馈畅通的程度,能否做到及时反馈及时调节;充分有效地利用课堂教学时间。课堂教学结构上教师应给学生充分的时间和空间,努力创设以问题为核心的学习情境,学生在此情境中能运用自主合作和探究的学习方式展开有效的学习活动。教学过程充分体现为教师和学生的对话过程,教学目标在对话中生成,师生在对话中实现共同发展。
三、优化课堂教学的关键点是选择高效的教学方法
新课程要求以学生为本,“教师走向学生”,从学生的实际出发,“以学定教”——根据学生的学情确定教学内容、教学策略。教学有法,教无定法,重在得法,贵在用活。教学是个千变万化的动态系统,不能刻意追求和照搬某一种模式。课堂教学是一门极其复杂、内涵非常丰富的艺术。只有科学性、灵活性、创造性地使用教法,才能适应课改要求。新课程提倡自主学习、合作学习、探究学习等方式,但并没有否认传统的启发式、讲授式教学等方式,只是以往的教学方式太单一,不能满足不同特点、不同学生发展的要求。任何教学方式本身都是中性的,用得好是好方法,用得不好就是坏方法,它的功效发挥取决于多种因素的和谐,所以要克服形式主义。教师的教学方式在新课程教学中是否适用,一要看是否体现了新课程理念;二要看是否有利于实现教学目标;三要看是否与教学内容的性质相符;四要看是否调动了学生学习的积极性;五要看教学技术手段的使用是否得当;六要看是否有利于教师发挥自己的教学优势。
四、优化课堂教学的落脚点是培养学生的学科能力
在教学的过程中,学生可以动手操作、动眼观察、动脑思考、动流,教师引导学生投入到这些活动中,让他们亲身感悟知识的产生和发展过程。首先要致力于营造一种平等、和谐、支持性的学习氛围,给学生以友爱、平等、快乐、成功的享受,营造出具有真诚接受和理解为特征的课堂教学氛围,激发学生的学习动机,唤醒学生的学习需求,变被动学习为主动学习,使学生意识到自己在一个群体中存在的价值。教学过程好不好的标准,主要是看课堂师生互动是否有效、学生是否人人参与、教学流程是否有创意、学生的思维是否产生碰撞和智力是否得到挑战、师生的个性是否张扬等;优良的教学过程是以有效实现“过程与方法”课程目标为前提的,要求教师是学生学习的合作者、引导者和参与者,是“平等中的首席”,教学过程是师生交往、共同发展的互动过程,教师教和学生学彼此形成一个“学习的共同体”。
五、优化课堂教学的拓展点是革新实验教学
一、教学过程中存在的问题
在新课改的实施过程中,经过各级各部门的多方培训,每个人都知道要转变学习方式,开课时都积极组织探究活动……似乎已做得差不多了,但实际上问题不少。课堂教学由原来的“满堂灌”,变成了“满堂乱”。实践中还出现感觉课时不足、学生发展不均衡等一系列问题。实践证明,在转变学习方式上还有许多问题,需要深入地研究和解决。
二、有效转变学习方式的几点做法
1.转变学习方式要以学生为本,充分调动、保护学生的积极性,让学生体验到学习的乐趣,在学习中发展个性。
学习方式的优化是以学生将来能有效地自主学习、创新,即可持续发展为长期目标的。这需要教师和学生共同来探索、实践,需要考虑到学生和教师的实际情况,统筹规划。
勇于在课堂中实践新的教学理念,可以使教师渐渐养成乐于培养学生动手、探究的教学习惯,如果能不断将实际实施的教学方案与原有的、经验中的教学方案进行比较、改进和反思,那么一定会成长为熟练驾驭新课程理念的创新型教师。
2.转变学习方式的过程中保证基础知识的落实
在新课程实施的过程中,我重在思考如何激发学生学习的热情,如何提高学生自主学习的能力?同时,我又要保证基础知识的落实。觉得,对于现在的学生而言,激发他们的学习兴趣是非常重要的。兴趣可以克服学生的厌学情绪,才更愿意去学习,夯实基础。
对于不同学情的学生要特殊对待。对于成绩不是很好的学生要制订比较小的目标让他们经过努力就能实现。一般情况下,学生是能实现这个目标的,学生从中就能产生成功的喜悦。
3.将多种学习方式相结合
现代教学主张自主、探究、合作的学习方式。自主、探究、合作的学习方式使他们思维更加活跃,进而增强了学生对问题的理解和解决能力。但自主、探究、合作的学习方式对学生自身条件和外部条件都有比较高的要求。学生的知识水平、学习和探究能力的薄弱,都会成为转变学习方式的障碍。传统的接受式学习方式虽然不利于培养学生的创造、独立获取新知识的能力,但对外部条件要求较低,占用的时间少。一些孤立的化学事实、抽象的概念和化学符号等采用接受式的学习方式效率可能会更高。