例析“熵”的教学设计
作者： 张宇摘 要：注意从思想性上进行深度挖掘以彰显物理学的魅力，让学生在较小的学习代价下有较大的收获，研究“熵”的教学就显得非常重要。
关键词：物理教学； “熵”
中图分类号：G633．7 文献标识码：A 文章编号：1006-3315（2011）7-113-002
在以往的高中物理教材中，有关熵的内容几乎从未涉及，教师们普遍认为熵的概念晦涩难懂，害怕学生学得一知半解，再加上考试不可能出现，不愿意对其补充、拓展，这使热学部分的完整性有所缺失，极具有学科教育价值的资源没有得到有效发挥，给教学留下遗憾。然而，在新课程的视角下，尽管学生由于数学知识储备不足而对熵的概念难以全面、深刻地理解，但它却是提高学生科学素养甚至培养学生科学世界观的极好素材。
一、重视过程体验
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，教师可作如下设计：
师：将一杯开水放在桌上，过一段时间水便冷却下来接近室温；将一块冰放在桌上，过一段时间冰便会融化成水并逐渐接近室温。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，一杯水过一段时间会自动沸腾起来；在室温下，一杯水会自动地结成冰块。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。
一盆清水中滴入一滴墨汁，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。
同学们还可以举出一些类似的例子吗？
生：战争中，一枚炸弹击中一间小木屋，木屑纷飞；又一枚炸弹落下，结果……小木屋轰然重现。
生（哄堂大笑）：怎么可能！
……
师：类似的例子还能举出很多，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唯一制约因素，因为它不能解决方向性问题，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。
二、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。《课程标准》希望学生通过物理概念和规律的学习，了解物理学的研究方法，认识实验、物理模型和数学工具在物理学发展过程中的作用。具体在教学中就是在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。
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“自然过程总是沿着有序→无序的方向进行”的结论，这时教师可以进一步地归纳引导：
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汽缸的左侧而不是右侧吗？
生：可以。用活塞推。
师：你搭积木每次都能搭成一座小屋吗？
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？
生：……
师：你随手撒牌能撒成同花顺吗？
生：不能。
师：如果置之不理，气体分子会聚集在汽缸的左侧而右侧保持真空吗？
生：不能。
师：如果随手乱扔积木，你能搭出小木屋吗？
生：不能。
师：现在你怎么理解“自然过程总是沿着有序→无序的方向进行”这句话？
生：这句话是有条件的，条件不是干涉系统。
师：漂亮！简言之，自发！
三、贴近学生生活，联系社会实际
在教学中将知识与学生的生活实际联系起来，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实践能力，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。
四、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。
熵是如此的重要，以至其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。以如下教学片断为例：
师：人和构成人的等量的化学物质，谁更有序？
生：人。
师：那么，人的生长过程中，系统的熵怎么变?
生：减少？
师：不是说熵增加的吗？难道人的诞生违反了热力学第二定律？
师：不是说熵增加的吗？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。
动植物食物是人类负熵的来源，那么动植物负熵从何而来呢？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。
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。因此，熵已不仅属于物理学范畴，甚至已不仅仅是一个概念，熵是一种世界观。作为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，让他们更加深刻地认识自然并处理好与自然的关系。