浅谈耗散结构理论在化学作业设计中的应用

胡珺晶

（江苏省华罗庚中学江苏金坛213200）

浅谈耗散结构理论在化学作业设计中的应用

胡珺晶

（江苏省华罗庚中学江苏金坛213200）

学生学习化学的过程，实际上是将表面杂乱无序的大量化学基础知识，根据其内涵尧本质及内在相互联系，逐步变成有序的知识结构的过程。文章依托耗散结构理论，分析尧探讨了该理论在中学化学作业设计中的一些应用。

耗散结构理论；化学作业设计；非平衡态；自组织；能量消耗

1967年,比利时物理学家普利高津发表了《结构、耗散和生命》一文,提出了耗散结构理论,这一重大贡献,使其荣获了1977年诺贝尔化学奖。耗散结构理论的基本思想是：一个远离平衡态的非线性的开放系统(不管是物理的、化学的、生物的乃至社会的、经济的系统)通过不断地与外界交换物质和能量,在系统内部某个参量的变化达到一定的阈值时,通过涨落,系统可能发生突变即非平衡相变,由原来的混沌无序状态转变为一种在时间上、空间上或功能上的有序状态。这种在远离平衡的非线性区形成的新的稳定的宏观有序结构,由于需要不断与外界交换物质或能量才能维持,因此称之为“耗散结构”(dissipative structure)。

学生学习化学的过程,是将零碎无序的化学知识,根据其内涵、本质以及知识间的相互联系,逐步转变为有序的知识结构的过程。从某种意义上说,由师生共同组成的化学教学系统,就是一个耗散结构。而作业作为巩固知识、形成能力的重要手段之一,是培养学生良好学习习惯,促进学生个性发展的重要载体。它以教师的设计为前提,以对学生的辅导和评定为内容,是一种不可缺少的教学环节,因此作业设计决不是灵机一动,信手拈来,而是一项充满艺术性、创造性的智力劳动。研究耗散结构理论并运用到中学化学作业的设计中,能够巩固教学成果,完善教学结构,深化教学改革。

一、传统作业设计的弊端

在传统守成思想指导下,作业被视为“课堂教学的延伸和补充”,作业的设计往往局限在知识再现的范畴内,应试训练色彩浓厚,作业内容思维训练的价值不高,对学生创新能力、人文精神与实践能力的培养不够,它有可能抑制学生的学习兴趣,限制学生学习活动的空间和化学素养的提高,制约学生的个性化发展。传统作业的典型代表就是“题海”作业,其缺陷主要表现在以下五个方面：作业(问题)提出的单向性、作业答案的绝对性、作业形式的单一性、作业完成的封闭性、作业评价的片面性。

二、耗散结构理论指导下的化学作业设计

新课程作业总的要求是：纸笔作业少,动手实验作业多;知识记忆型作业少,应用型作业多;纯知识作业少,背景作业多;学生作业量少,作业形式多;唯一答案少结论开放。而依托耗散结构理论,可从以下五个方面优化中学化学作业设计：

1.设计开放性作业，创设开放系统

耗散结构理论认为,一个系统只有在充分开放的条件下,才能提高有序度。有序的结构需要不断地与外界进行物质、能量和信息的交流才能不断地向前发展。因此,设计化学作业必须想方设法让学生的思维系统全方位开放,使大脑处于高度的兴奋状态,从混乱无序变得条理清楚。

我们的教学要坚持以学生为本,充分尊重学生的兴趣爱好,把学生置于一个动态、开放的学习环境中,为学生提供多元、综合学习的机会,让学生在无拘无束的环境中,学得主动,学得积极,使每位学生都成为学习的主人,体现自主开放的学习过程。根据教材和学生实际情况的需要,教师可设计以下三类开放性作业：(1)让学生自己出题目,利用课余时间收集资料,相互探讨,共同提高。如讲完质量百分比浓度与溶液中溶质、溶液的关系,让学生根据这三者之间的转换关系及数学公式的变形来出题。学生非常开心,觉得自己了不起,可以出题目难倒对方,尝到了成功的喜悦,进而调动了他们的学习积极性,将“要我学”转变为“我要学”,从而实现良性循环。(2)让学生借助网络来学习。学生对分子、原子、化合价这些抽象概念比较模糊,不妨让学生去电子阅览室查阅资料,那里是个丰富多彩的世界。化静为动,化抽象为直观,一目了然,令学生兴奋不已。有了自己的亲身参与,深奥难懂的有关分子、原子的一些理论在同学们的自我探讨中便会迎刃而解的。(3)在新课程的教材上,学生小组合作进行思考与交流,或者进行社会实践活动的要求很多,例如：《化学1》的第三章第三节《用途广泛的金属材料》中“思考与交流：如何选用材料”、“实践活动：角色扮演：是否应该停止使用铝质饮料罐”;《化学2》的第二章第二节《化学能与电能》中“社会调查：常用化学电池的种类、名称等;废旧电池的回收途径和处理方法”、“实践活动：利用水果制作原电池”。由于课时和教学条件的限制,这些活动,只能以课外作业的形式,由学生小组讨论合作完成。

2.做好反思性作业，构建非平衡状态

普利高津认为：“非平衡是有序之源”。当系统远离平衡的非稳态时,更加有利于负熵的输入,从而达到更为有序的状态。因而,如何在教学成果、学生思维、知识结构上构建思维的非平衡状态,是优化作业设计的迫切需要。而反思性作业设计则是构建思维的非平衡状态的一种尝试。教师的发展必须找到一个支点——反思自我的教育教学。教师教的方法应根据学生学的方法。学生学的方法是通过学生做的方法来体验,反思性作业应成为师生共同成长发展的沃土。

孔子；：“学而不思则罔,思而不学则怠。”反思性作业可通过“质疑袋”、“我的疑问”、“与老师对话”等形式设置。即学生把自己课堂上的听课感受;课堂上教师示范解题过程中自己想到但未与教师交流的问题;作业中对某些习题不同解法的探讨;学生情感、体验的感受等,通过作业的形式记录下来,这就在师生之间找寻了一个互相了解、交流的固定舞台。例如,在此类作业中,利用尝误原理,构建非平衡状态。教师在进行作业设计时,根据以往经验,针对学生易犯错误,故意出错或设计陷阱,诱使学生失误或学生反思发现问题,再利用这些契机实现纠偏,达到教学的多方面目标。尝误原理的恰当使用,可以使学生的大脑从正常状态进入一种矛盾的境地,思维处于一种强烈的非平衡状态,可以激发学生反思,寻找错误的根源,从而加深对概念原理的本质理解,对培养学生思维的批判性具有独到作用。再如,通过学生的反思性作业可培养其求异思维,使非平衡状态成为有源之水。求同思维是必要的,但求异思维更能激发创造的火花。求异思维经过长期训练,可以培养思维的可逆性、灵活性、深刻性、独创性,它是非平衡状态的源泉。

3.开设拓展性作业，构建大容量的信息库

耗散结构理论指出：一个系统处于有序结构稳定状态的必要条件是必须从外界输入能量。对于作业设计而言,就是要构建大容量的信息库,而只有构建大容量的信息库,才有可能向学生连续不断地输入有用的化学信息,才有可能达到稳定的有序结构。开设拓展性作业是构建大容量信息库的有效手段之一。而其又基于学科交叉整合思想。学科交叉整合思想是新课程改革的又一重要指导思想,学科整合有利于学生学习兴趣的激发,有利于学生综合素质的提高。

在拓展性作业中,教师把生物、物理、英语、语文以及信息技术等学科与化学学习整合起来,使他们都能为学生的发展服务。比如,学习《水的组成》时,让学生搜集有关赞美水的诗词、成语;学习《碳和碳的化合物》后,让学生分析《石灰吟》中描述了几个化学反应等等。把社会生活以及其他各科的学习活动结合起来,构成一个和谐的学习整体,以巩固、应用、深化所学的化学知识,使学生在社会实践中巩固化学知识,发展化学能力、增强化学创新意识,在丰富的社会生活中得到锻炼和提高。在这个过程中,教师要发挥主导作用,感知记忆特点,正确处理、高效使用信息库。通过大容量的、正确无误的信息的输入,强烈刺激学生大脑皮层,从而激起学生思维,引发非平衡状态的产生。

4.开展探究性作业，增加能量消耗，减少知识遗忘

根据耗散结构理论,要提高大脑的有序程度,应尽可能减少因遗忘而产生的熵增加,为了有效减少遗忘,要注意信息输入的正确性和牢固性,对基本概念要做到正确理解,深刻领会。对于易错易混淆的内容要理清思路,把握关键。传统的作业设计,看起来传递了不少信息,但从耗散结构理论来看,这些知识实际上没有被学生接受,能量没有充分消耗,而若开展探究性作业则可以充分消耗能量。

探究性作业是教师有目的地引导学生自主发现、分析、解决问题,积极探究化学基本规律,认识化学在实现人与自然的和谐共处、促进人类和社会可持续发展中的地位和作用,从而培养学生合作意识、创新精神和实践能力的系列策划活动。如鲁科版《化学1》第100页第3题“食盐、食醋、纯碱等均为家庭厨房中常用的物质,利用这些物质你能完成下列哪些实验？①检验自来水中是否含有Cl-;②鉴别食盐和纯碱;③检验蛋壳能否溶于酸;④除去热水瓶内壁上的水垢。再加一题：能否让一个比水杯口略大的蛋“钻进”杯子？这种“生活中的化学”的题目最能激起学生探究的兴趣。为了培养学生的创新能力和综合运用知识能力,还可以设置各种探索型实验、实验设计(装置改进、实验微型化、寻找实验替代品)或是某个专题的调查研究等作业。这类作业是师生参加课程建设的主要形式,是宝贵的教学资源,应重视开发和利用。

5.增设归纳-对比型作业，努力促进学生思维的自组织过程

由耗散结构理论可知,耗散结构实际上是一个“活”的非平衡的有序结构,是一种自组织现象,即开放系统远离平衡状态下,一旦信息的输入达到一定的阈值,系统将产生突变,由原来的无序状态转变为有序状态,这种自行产生的组织性的现象就是自组织现象,自组织才能产生新的结构。学生思维系统是一个开放系统,学生可通过多种途径从外界吸收各种化学信息,经过自己加工处理分析,重新融合到大脑知识体系之中,形成新的知识结构,这就是学生思维的自组织过程。而增设归纳-对比型作业恰可使学生的认识从平衡状态→非平衡状态→新的平衡状态……的不断螺旋式上升中接近真理。

归纳型作业是让学生主动参与,积极探索,自主构建知识网络,从而形成一定的知识体系。化学知识杂而零碎,缺乏连贯性,归纳总结显得尤为重要。每学完一章,让学生归纳该章的知识要点,几章学完后,归纳章与章的知识网络。通过这类作业的练习,学生不仅巩固了知识点,而且学会了归纳总结的几种常见的方法：列表法、叙述法、图示法等。

知识点之间的比较是学生牢固掌握知识、培养学生知识迁移能力和评价能力的重要途径。通过比较,同中求异,异中求同,分析归纳产生这种现象的原因,挖掘问题的关键和实质。学生对溶解度和质量百分比的浓度搞不清楚,因此让学生从两者的概念、所要求的状态、计算公式、两者的联系等方面列表作比较。又如比较排空气法和排水法收集气体各自的优点和缺点;碳、一氧化碳、氢气还原氧化铜三套装置的异同。通过对比学生会很容易理清相应的关系,起到了事半功倍的效果,这类作业主要在课后完成。

综上所述,“教者有心,学者得益。”作业是教学的重要环节,对它设计的优化,可以最大限度地拓展学生的减负空间,丰富课余生活,发展独特个性。正确利用耗散结构理论,多方位、多角度地设计化学作业,让化学作业既注重基础知识和技能的训练,又优化学生学习的过程与方法;既重视学生化学素养的提高,又突出学生化学实践的能力。设计“开放而有活力的化学作业”正是“努力建设开放而有活力的化学课程”的具体实践。

［1]张国兰.新课程理念下高一化学作业的设置探究［J].中学化学教与学，2007，（1）：33-35

［2]吴兆根.在作业设计中如何突出以生为本［J].化学教学，2008，（2）：17-18

［3]张逵.依托耗散理论引领中学化学教学［J].中学化学，2008，（1）：5-6

1008-0546（2011）03-0009-03

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10.3969/j.issn.1008-0546.2011.03.005