淺談耗散結構理論在化學作業設計中的應用

胡珺晶

（江蘇省華羅庚中學江蘇金壇213200）

淺談耗散結構理論在化學作業設計中的應用

胡珺晶

（江蘇省華羅庚中學江蘇金壇213200）

學生學習化學的過程，實際上是將表面雜亂無序的大量化學基礎知識，根據其內涵堯本質及內在相互聯系，逐步變成有序的知識結構的過程。文章依托耗散結構理論，分析堯探討了該理論在中學化學作業設計中的一些應用。

耗散結構理論；化學作業設計；非平衡態；自組織；能量消耗

1967年,比利時物理學家普利高津發表了《結構、耗散和生命》一文,提出了耗散結構理論,這一重大貢獻,使其榮獲了1977年諾貝爾化學獎。耗散結構理論的基本思想是：一個遠離平衡態的非線性的開放系統(不管是物理的、化學的、生物的乃至社會的、經濟的系統)通過不斷地與外界交換物質和能量,在系統內部某個參量的變化達到一定的閾值時,通過漲落,系統可能發生突變即非平衡相變,由原來的混沌無序狀態轉變為一種在時間上、空間上或功能上的有序狀態。這種在遠離平衡的非線性區形成的新的穩定的宏觀有序結構,由于需要不斷與外界交換物質或能量才能維持,因此稱之為“耗散結構”(dissipative structure)。

學生學習化學的過程,是將零碎無序的化學知識,根據其內涵、本質以及知識間的相互聯系,逐步轉變為有序的知識結構的過程。從某種意義上說,由師生共同組成的化學教學系統,就是一個耗散結構。而作業作為鞏固知識、形成能力的重要手段之一,是培養學生良好學習習慣,促進學生個性發展的重要載體。它以教師的設計為前提,以對學生的輔導和評定為內容,是一種不可缺少的教學環節,因此作業設計決不是靈機一動,信手拈來,而是一項充滿藝術性、創造性的智力勞動。研究耗散結構理論并運用到中學化學作業的設計中,能夠鞏固教學成果,完善教學結構,深化教學改革。

一、傳統作業設計的弊端

在傳統守成思想指導下,作業被視為“課堂教學的延伸和補充”,作業的設計往往局限在知識再現的范疇內,應試訓練色彩濃厚,作業內容思維訓練的價值不高,對學生創新能力、人文精神與實踐能力的培養不夠,它有可能抑制學生的學習興趣,限制學生學習活動的空間和化學素養的提高,制約學生的個性化發展。傳統作業的典型代表就是“題海”作業,其缺陷主要表現在以下五個方面：作業(問題)提出的單向性、作業答案的絕對性、作業形式的單一性、作業完成的封閉性、作業評價的片面性。

二、耗散結構理論指導下的化學作業設計

新課程作業總的要求是：紙筆作業少,動手實驗作業多;知識記憶型作業少,應用型作業多;純知識作業少,背景作業多;學生作業量少,作業形式多;唯一答案少結論開放。而依托耗散結構理論,可從以下五個方面優化中學化學作業設計：

1.設計開放性作業，創設開放系統

耗散結構理論認為,一個系統只有在充分開放的條件下,才能提高有序度。有序的結構需要不斷地與外界進行物質、能量和信息的交流才能不斷地向前發展。因此,設計化學作業必須想方設法讓學生的思維系統全方位開放,使大腦處于高度的興奮狀態,從混亂無序變得條理清楚。

我們的教學要堅持以學生為本,充分尊重學生的興趣愛好,把學生置于一個動態、開放的學習環境中,為學生提供多元、綜合學習的機會,讓學生在無拘無束的環境中,學得主動,學得積極,使每位學生都成為學習的主人,體現自主開放的學習過程。根據教材和學生實際情況的需要,教師可設計以下三類開放性作業：(1)讓學生自己出題目,利用課余時間收集資料,相互探討,共同提高。如講完質量百分比濃度與溶液中溶質、溶液的關系,讓學生根據這三者之間的轉換關系及數學公式的變形來出題。學生非常開心,覺得自己了不起,可以出題目難倒對方,嘗到了成功的喜悅,進而調動了他們的學習積極性,將“要我學”轉變為“我要學”,從而實現良性循環。(2)讓學生借助網絡來學習。學生對分子、原子、化合價這些抽象概念比較模糊,不妨讓學生去電子閱覽室查閱資料,那里是個豐富多彩的世界。化靜為動,化抽象為直觀,一目了然,令學生興奮不已。有了自己的親身參與,深奧難懂的有關分子、原子的一些理論在同學們的自我探討中便會迎刃而解的。(3)在新課程的教材上,學生小組合作進行思考與交流,或者進行社會實踐活動的要求很多,例如：《化學1》的第三章第三節《用途廣泛的金屬材料》中“思考與交流：如何選用材料”、“實踐活動：角色扮演：是否應該停止使用鋁質飲料罐”;《化學2》的第二章第二節《化學能與電能》中“社會調查：常用化學電池的種類、名稱等;廢舊電池的回收途徑和處理方法”、“實踐活動：利用水果制作原電池”。由于課時和教學條件的限制,這些活動,只能以課外作業的形式,由學生小組討論合作完成。

2.做好反思性作業，構建非平衡狀態

普利高津認為：“非平衡是有序之源”。當系統遠離平衡的非穩態時,更加有利于負熵的輸入,從而達到更為有序的狀態。因而,如何在教學成果、學生思維、知識結構上構建思維的非平衡狀態,是優化作業設計的迫切需要。而反思性作業設計則是構建思維的非平衡狀態的一種嘗試。教師的發展必須找到一個支點——反思自我的教育教學。教師教的方法應根據學生學的方法。學生學的方法是通過學生做的方法來體驗,反思性作業應成為師生共同成長發展的沃土。

孔子；：“學而不思則罔,思而不學則怠。”反思性作業可通過“質疑袋”、“我的疑問”、“與老師對話”等形式設置。即學生把自己課堂上的聽課感受;課堂上教師示范解題過程中自己想到但未與教師交流的問題;作業中對某些習題不同解法的探討;學生情感、體驗的感受等,通過作業的形式記錄下來,這就在師生之間找尋了一個互相了解、交流的固定舞臺。例如,在此類作業中,利用嘗誤原理,構建非平衡狀態。教師在進行作業設計時,根據以往經驗,針對學生易犯錯誤,故意出錯或設計陷阱,誘使學生失誤或學生反思發現問題,再利用這些契機實現糾偏,達到教學的多方面目標。嘗誤原理的恰當使用,可以使學生的大腦從正常狀態進入一種矛盾的境地,思維處于一種強烈的非平衡狀態,可以激發學生反思,尋找錯誤的根源,從而加深對概念原理的本質理解,對培養學生思維的批判性具有獨到作用。再如,通過學生的反思性作業可培養其求異思維,使非平衡狀態成為有源之水。求同思維是必要的,但求異思維更能激發創造的火花。求異思維經過長期訓練,可以培養思維的可逆性、靈活性、深刻性、獨創性,它是非平衡狀態的源泉。

3.開設拓展性作業，構建大容量的信息庫

耗散結構理論指出：一個系統處于有序結構穩定狀態的必要條件是必須從外界輸入能量。對于作業設計而言,就是要構建大容量的信息庫,而只有構建大容量的信息庫,才有可能向學生連續不斷地輸入有用的化學信息,才有可能達到穩定的有序結構。開設拓展性作業是構建大容量信息庫的有效手段之一。而其又基于學科交叉整合思想。學科交叉整合思想是新課程改革的又一重要指導思想,學科整合有利于學生學習興趣的激發,有利于學生綜合素質的提高。

在拓展性作業中,教師把生物、物理、英語、語文以及信息技術等學科與化學學習整合起來,使他們都能為學生的發展服務。比如,學習《水的組成》時,讓學生搜集有關贊美水的詩詞、成語;學習《碳和碳的化合物》后,讓學生分析《石灰吟》中描述了幾個化學反應等等。把社會生活以及其他各科的學習活動結合起來,構成一個和諧的學習整體,以鞏固、應用、深化所學的化學知識,使學生在社會實踐中鞏固化學知識,發展化學能力、增強化學創新意識,在豐富的社會生活中得到鍛煉和提高。在這個過程中,教師要發揮主導作用,感知記憶特點,正確處理、高效使用信息庫。通過大容量的、正確無誤的信息的輸入,強烈刺激學生大腦皮層,從而激起學生思維,引發非平衡狀態的產生。

4.開展探究性作業，增加能量消耗，減少知識遺忘

根據耗散結構理論,要提高大腦的有序程度,應盡可能減少因遺忘而產生的熵增加,為了有效減少遺忘,要注意信息輸入的正確性和牢固性,對基本概念要做到正確理解,深刻領會。對于易錯易混淆的內容要理清思路,把握關鍵。傳統的作業設計,看起來傳遞了不少信息,但從耗散結構理論來看,這些知識實際上沒有被學生接受,能量沒有充分消耗,而若開展探究性作業則可以充分消耗能量。

探究性作業是教師有目的地引導學生自主發現、分析、解決問題,積極探究化學基本規律,認識化學在實現人與自然的和諧共處、促進人類和社會可持續發展中的地位和作用,從而培養學生合作意識、創新精神和實踐能力的系列策劃活動。如魯科版《化學1》第100頁第3題“食鹽、食醋、純堿等均為家庭廚房中常用的物質,利用這些物質你能完成下列哪些實驗？①檢驗自來水中是否含有Cl-;②鑒別食鹽和純堿;③檢驗蛋殼能否溶于酸;④除去熱水瓶內壁上的水垢。再加一題：能否讓一個比水杯口略大的蛋“鉆進”杯子？這種“生活中的化學”的題目最能激起學生探究的興趣。為了培養學生的創新能力和綜合運用知識能力,還可以設置各種探索型實驗、實驗設計(裝置改進、實驗微型化、尋找實驗替代品)或是某個專題的調查研究等作業。這類作業是師生參加課程建設的主要形式,是寶貴的教學資源,應重視開發和利用。

5.增設歸納-對比型作業，努力促進學生思維的自組織過程

由耗散結構理論可知,耗散結構實際上是一個“活”的非平衡的有序結構,是一種自組織現象,即開放系統遠離平衡狀態下,一旦信息的輸入達到一定的閾值,系統將產生突變,由原來的無序狀態轉變為有序狀態,這種自行產生的組織性的現象就是自組織現象,自組織才能產生新的結構。學生思維系統是一個開放系統,學生可通過多種途徑從外界吸收各種化學信息,經過自己加工處理分析,重新融合到大腦知識體系之中,形成新的知識結構,這就是學生思維的自組織過程。而增設歸納-對比型作業恰可使學生的認識從平衡狀態→非平衡狀態→新的平衡狀態……的不斷螺旋式上升中接近真理。

歸納型作業是讓學生主動參與,積極探索,自主構建知識網絡,從而形成一定的知識體系。化學知識雜而零碎,缺乏連貫性,歸納總結顯得尤為重要。每學完一章,讓學生歸納該章的知識要點,幾章學完后,歸納章與章的知識網絡。通過這類作業的練習,學生不僅鞏固了知識點,而且學會了歸納總結的幾種常見的方法：列表法、敘述法、圖示法等。

知識點之間的比較是學生牢固掌握知識、培養學生知識遷移能力和評價能力的重要途徑。通過比較,同中求異,異中求同,分析歸納產生這種現象的原因,挖掘問題的關鍵和實質。學生對溶解度和質量百分比的濃度搞不清楚,因此讓學生從兩者的概念、所要求的狀態、計算公式、兩者的聯系等方面列表作比較。又如比較排空氣法和排水法收集氣體各自的優點和缺點;碳、一氧化碳、氫氣還原氧化銅三套裝置的異同。通過對比學生會很容易理清相應的關系,起到了事半功倍的效果,這類作業主要在課后完成。

綜上所述,“教者有心,學者得益。”作業是教學的重要環節,對它設計的優化,可以最大限度地拓展學生的減負空間,豐富課余生活,發展獨特個性。正確利用耗散結構理論,多方位、多角度地設計化學作業,讓化學作業既注重基礎知識和技能的訓練,又優化學生學習的過程與方法;既重視學生化學素養的提高,又突出學生化學實踐的能力。設計“開放而有活力的化學作業”正是“努力建設開放而有活力的化學課程”的具體實踐。

［1]張國蘭.新課程理念下高一化學作業的設置探究［J].中學化學教與學，2007，（1）：33-35

［2]吳兆根.在作業設計中如何突出以生為本［J].化學教學，2008，（2）：17-18

［3]張逵.依托耗散理論引領中學化學教學［J].中學化學，2008，（1）：5-6

1008-0546（2011）03-0009-03

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10.3969/j.issn.1008-0546.2011.03.005