淺談耗散結(jié)構(gòu)理論在化學(xué)作業(yè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

胡珺晶

（江蘇省華羅庚中學(xué)江蘇金壇213200）

淺談耗散結(jié)構(gòu)理論在化學(xué)作業(yè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

胡珺晶

（江蘇省華羅庚中學(xué)江蘇金壇213200）

學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的過程，實(shí)際上是將表面雜亂無序的大量化學(xué)基礎(chǔ)知識，根據(jù)其內(nèi)涵堯本質(zhì)及內(nèi)在相互聯(lián)系，逐步變成有序的知識結(jié)構(gòu)的過程。文章依托耗散結(jié)構(gòu)理論，分析堯探討了該理論在中學(xué)化學(xué)作業(yè)設(shè)計(jì)中的一些應(yīng)用。

耗散結(jié)構(gòu)理論；化學(xué)作業(yè)設(shè)計(jì)；非平衡態(tài)；自組織；能量消耗

1967年,比利時物理學(xué)家普利高津發(fā)表了《結(jié)構(gòu)、耗散和生命》一文,提出了耗散結(jié)構(gòu)理論,這一重大貢獻(xiàn),使其榮獲了1977年諾貝爾化學(xué)獎。耗散結(jié)構(gòu)理論的基本思想是：一個遠(yuǎn)離平衡態(tài)的非線性的開放系統(tǒng)(不管是物理的、化學(xué)的、生物的乃至社會的、經(jīng)濟(jì)的系統(tǒng))通過不斷地與外界交換物質(zhì)和能量,在系統(tǒng)內(nèi)部某個參量的變化達(dá)到一定的閾值時,通過漲落,系統(tǒng)可能發(fā)生突變即非平衡相變,由原來的混沌無序狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N在時間上、空間上或功能上的有序狀態(tài)。這種在遠(yuǎn)離平衡的非線性區(qū)形成的新的穩(wěn)定的宏觀有序結(jié)構(gòu),由于需要不斷與外界交換物質(zhì)或能量才能維持,因此稱之為“耗散結(jié)構(gòu)”(dissipative structure)。

學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的過程,是將零碎無序的化學(xué)知識,根據(jù)其內(nèi)涵、本質(zhì)以及知識間的相互聯(lián)系,逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橛行虻闹R結(jié)構(gòu)的過程。從某種意義上說,由師生共同組成的化學(xué)教學(xué)系統(tǒng),就是一個耗散結(jié)構(gòu)。而作業(yè)作為鞏固知識、形成能力的重要手段之一,是培養(yǎng)學(xué)生良好學(xué)習(xí)習(xí)慣,促進(jìn)學(xué)生個性發(fā)展的重要載體。它以教師的設(shè)計(jì)為前提,以對學(xué)生的輔導(dǎo)和評定為內(nèi)容,是一種不可缺少的教學(xué)環(huán)節(jié),因此作業(yè)設(shè)計(jì)決不是靈機(jī)一動,信手拈來,而是一項(xiàng)充滿藝術(shù)性、創(chuàng)造性的智力勞動。研究耗散結(jié)構(gòu)理論并運(yùn)用到中學(xué)化學(xué)作業(yè)的設(shè)計(jì)中,能夠鞏固教學(xué)成果,完善教學(xué)結(jié)構(gòu),深化教學(xué)改革。

一、傳統(tǒng)作業(yè)設(shè)計(jì)的弊端

在傳統(tǒng)守成思想指導(dǎo)下,作業(yè)被視為“課堂教學(xué)的延伸和補(bǔ)充”,作業(yè)的設(shè)計(jì)往往局限在知識再現(xiàn)的范疇內(nèi),應(yīng)試訓(xùn)練色彩濃厚,作業(yè)內(nèi)容思維訓(xùn)練的價值不高,對學(xué)生創(chuàng)新能力、人文精神與實(shí)踐能力的培養(yǎng)不夠,它有可能抑制學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,限制學(xué)生學(xué)習(xí)活動的空間和化學(xué)素養(yǎng)的提高,制約學(xué)生的個性化發(fā)展。傳統(tǒng)作業(yè)的典型代表就是“題?！弊鳂I(yè),其缺陷主要表現(xiàn)在以下五個方面：作業(yè)(問題)提出的單向性、作業(yè)答案的絕對性、作業(yè)形式的單一性、作業(yè)完成的封閉性、作業(yè)評價的片面性。

二、耗散結(jié)構(gòu)理論指導(dǎo)下的化學(xué)作業(yè)設(shè)計(jì)

新課程作業(yè)總的要求是：紙筆作業(yè)少,動手實(shí)驗(yàn)作業(yè)多;知識記憶型作業(yè)少,應(yīng)用型作業(yè)多;純知識作業(yè)少,背景作業(yè)多;學(xué)生作業(yè)量少,作業(yè)形式多;唯一答案少結(jié)論開放。而依托耗散結(jié)構(gòu)理論,可從以下五個方面優(yōu)化中學(xué)化學(xué)作業(yè)設(shè)計(jì)：

1.設(shè)計(jì)開放性作業(yè)，創(chuàng)設(shè)開放系統(tǒng)

耗散結(jié)構(gòu)理論認(rèn)為,一個系統(tǒng)只有在充分開放的條件下,才能提高有序度。有序的結(jié)構(gòu)需要不斷地與外界進(jìn)行物質(zhì)、能量和信息的交流才能不斷地向前發(fā)展。因此,設(shè)計(jì)化學(xué)作業(yè)必須想方設(shè)法讓學(xué)生的思維系統(tǒng)全方位開放,使大腦處于高度的興奮狀態(tài),從混亂無序變得條理清楚。

我們的教學(xué)要堅(jiān)持以學(xué)生為本,充分尊重學(xué)生的興趣愛好,把學(xué)生置于一個動態(tài)、開放的學(xué)習(xí)環(huán)境中,為學(xué)生提供多元、綜合學(xué)習(xí)的機(jī)會,讓學(xué)生在無拘無束的環(huán)境中,學(xué)得主動,學(xué)得積極,使每位學(xué)生都成為學(xué)習(xí)的主人,體現(xiàn)自主開放的學(xué)習(xí)過程。根據(jù)教材和學(xué)生實(shí)際情況的需要,教師可設(shè)計(jì)以下三類開放性作業(yè)：(1)讓學(xué)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(zhì)量百分比濃度與溶液中溶質(zhì)、溶液的關(guān)系,讓學(xué)生根據(jù)這三者之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系及數(shù)學(xué)公式的變形來出題。學(xué)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(jìn)而調(diào)動了他們的學(xué)習(xí)積極性,將“要我學(xué)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤拔乙獙W(xué)”,從而實(shí)現(xiàn)良性循環(huán)。(2)讓學(xué)生借助網(wǎng)絡(luò)來學(xué)習(xí)。學(xué)生對分子、原子、化合價這些抽象概念比較模糊,不妨讓學(xué)生去電子閱覽室查閱資料,那里是個豐富多彩的世界?；o為動,化抽象為直觀,一目了然,令學(xué)生興奮不已。有了自己的親身參與,深奧難懂的有關(guān)分子、原子的一些理論在同學(xué)們的自我探討中便會迎刃而解的。(3)在新課程的教材上,學(xué)生小組合作進(jìn)行思考與交流,或者進(jìn)行社會實(shí)踐活動的要求很多,例如：《化學(xué)1》的第三章第三節(jié)《用途廣泛的金屬材料》中“思考與交流：如何選用材料”、“實(shí)踐活動：角色扮演：是否應(yīng)該停止使用鋁質(zhì)飲料罐”;《化學(xué)2》的第二章第二節(jié)《化學(xué)能與電能》中“社會調(diào)查：常用化學(xué)電池的種類、名稱等;廢舊電池的回收途徑和處理方法”、“實(shí)踐活動：利用水果制作原電池”。由于課時和教學(xué)條件的限制,這些活動,只能以課外作業(yè)的形式,由學(xué)生小組討論合作完成。

2.做好反思性作業(yè)，構(gòu)建非平衡狀態(tài)

普利高津認(rèn)為：“非平衡是有序之源”。當(dāng)系統(tǒng)遠(yuǎn)離平衡的非穩(wěn)態(tài)時,更加有利于負(fù)熵的輸入,從而達(dá)到更為有序的狀態(tài)。因而,如何在教學(xué)成果、學(xué)生思維、知識結(jié)構(gòu)上構(gòu)建思維的非平衡狀態(tài),是優(yōu)化作業(yè)設(shè)計(jì)的迫切需要。而反思性作業(yè)設(shè)計(jì)則是構(gòu)建思維的非平衡狀態(tài)的一種嘗試。教師的發(fā)展必須找到一個支點(diǎn)——反思自我的教育教學(xué)。教師教的方法應(yīng)根據(jù)學(xué)生學(xué)的方法。學(xué)生學(xué)的方法是通過學(xué)生做的方法來體驗(yàn),反思性作業(yè)應(yīng)成為師生共同成長發(fā)展的沃土。

孔子；：“學(xué)而不思則罔,思而不學(xué)則怠。”反思性作業(yè)可通過“質(zhì)疑袋”、“我的疑問”、“與老師對話”等形式設(shè)置。即學(xué)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(yè)中對某些習(xí)題不同解法的探討;學(xué)生情感、體驗(yàn)的感受等,通過作業(yè)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(yè)中,利用嘗誤原理,構(gòu)建非平衡狀態(tài)。教師在進(jìn)行作業(yè)設(shè)計(jì)時,根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn),針對學(xué)生易犯錯誤,故意出錯或設(shè)計(jì)陷阱,誘使學(xué)生失誤或?qū)W生反思發(fā)現(xiàn)問題,再利用這些契機(jī)實(shí)現(xiàn)糾偏,達(dá)到教學(xué)的多方面目標(biāo)。嘗誤原理的恰當(dāng)使用,可以使學(xué)生的大腦從正常狀態(tài)進(jìn)入一種矛盾的境地,思維處于一種強(qiáng)烈的非平衡狀態(tài),可以激發(fā)學(xué)生反思,尋找錯誤的根源,從而加深對概念原理的本質(zhì)理解,對培養(yǎng)學(xué)生思維的批判性具有獨(dú)到作用。再如,通過學(xué)生的反思性作業(yè)可培養(yǎng)其求異思維,使非平衡狀態(tài)成為有源之水。求同思維是必要的,但求異思維更能激發(fā)創(chuàng)造的火花。求異思維經(jīng)過長期訓(xùn)練,可以培養(yǎng)思維的可逆性、靈活性、深刻性、獨(dú)創(chuàng)性,它是非平衡狀態(tài)的源泉。

3.開設(shè)拓展性作業(yè)，構(gòu)建大容量的信息庫

耗散結(jié)構(gòu)理論指出：一個系統(tǒng)處于有序結(jié)構(gòu)穩(wěn)定狀態(tài)的必要條件是必須從外界輸入能量。對于作業(yè)設(shè)計(jì)而言,就是要構(gòu)建大容量的信息庫,而只有構(gòu)建大容量的信息庫,才有可能向?qū)W生連續(xù)不斷地輸入有用的化學(xué)信息,才有可能達(dá)到穩(wěn)定的有序結(jié)構(gòu)。開設(shè)拓展性作業(yè)是構(gòu)建大容量信息庫的有效手段之一。而其又基于學(xué)科交叉整合思想。學(xué)科交叉整合思想是新課程改革的又一重要指導(dǎo)思想,學(xué)科整合有利于學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的激發(fā),有利于學(xué)生綜合素質(zhì)的提高。

在拓展性作業(yè)中,教師把生物、物理、英語、語文以及信息技術(shù)等學(xué)科與化學(xué)學(xué)習(xí)整合起來,使他們都能為學(xué)生的發(fā)展服務(wù)。比如,學(xué)習(xí)《水的組成》時,讓學(xué)生搜集有關(guān)贊美水的詩詞、成語;學(xué)習(xí)《碳和碳的化合物》后,讓學(xué)生分析《石灰吟》中描述了幾個化學(xué)反應(yīng)等等。把社會生活以及其他各科的學(xué)習(xí)活動結(jié)合起來,構(gòu)成一個和諧的學(xué)習(xí)整體,以鞏固、應(yīng)用、深化所學(xué)的化學(xué)知識,使學(xué)生在社會實(shí)踐中鞏固化學(xué)知識,發(fā)展化學(xué)能力、增強(qiáng)化學(xué)創(chuàng)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(fā)揮主導(dǎo)作用,感知記憶特點(diǎn),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(qiáng)烈刺激學(xué)生大腦皮層,從而激起學(xué)生思維,引發(fā)非平衡狀態(tài)的產(chǎn)生。

4.開展探究性作業(yè)，增加能量消耗，減少知識遺忘

根據(jù)耗散結(jié)構(gòu)理論,要提高大腦的有序程度,應(yīng)盡可能減少因遺忘而產(chǎn)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(lǐng)會。對于易錯易混淆的內(nèi)容要理清思路,把握關(guān)鍵。傳統(tǒng)的作業(yè)設(shè)計(jì),看起來傳遞了不少信息,但從耗散結(jié)構(gòu)理論來看,這些知識實(shí)際上沒有被學(xué)生接受,能量沒有充分消耗,而若開展探究性作業(yè)則可以充分消耗能量。

探究性作業(yè)是教師有目的地引導(dǎo)學(xué)生自主發(fā)現(xiàn)、分析、解決問題,積極探究化學(xué)基本規(guī)律,認(rèn)識化學(xué)在實(shí)現(xiàn)人與自然的和諧共處、促進(jìn)人類和社會可持續(xù)發(fā)展中的地位和作用,從而培養(yǎng)學(xué)生合作意識、創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的系列策劃活動。如魯科版《化學(xué)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(zhì),利用這些物質(zhì)你能完成下列哪些實(shí)驗(yàn)？①檢驗(yàn)自來水中是否含有Cl-;②鑒別食鹽和純堿;③檢驗(yàn)蛋殼能否溶于酸;④除去熱水瓶內(nèi)壁上的水垢。再加一題：能否讓一個比水杯口略大的蛋“鉆進(jìn)”杯子？這種“生活中的化學(xué)”的題目最能激起學(xué)生探究的興趣。為了培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和綜合運(yùn)用知識能力,還可以設(shè)置各種探索型實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)(裝置改進(jìn)、實(shí)驗(yàn)微型化、尋找實(shí)驗(yàn)替代品)或是某個專題的調(diào)查研究等作業(yè)。這類作業(yè)是師生參加課程建設(shè)的主要形式,是寶貴的教學(xué)資源,應(yīng)重視開發(fā)和利用。

5.增設(shè)歸納-對比型作業(yè)，努力促進(jìn)學(xué)生思維的自組織過程

由耗散結(jié)構(gòu)理論可知,耗散結(jié)構(gòu)實(shí)際上是一個“活”的非平衡的有序結(jié)構(gòu),是一種自組織現(xiàn)象,即開放系統(tǒng)遠(yuǎn)離平衡狀態(tài)下,一旦信息的輸入達(dá)到一定的閾值,系統(tǒng)將產(chǎn)生突變,由原來的無序狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛行驙顟B(tài),這種自行產(chǎn)生的組織性的現(xiàn)象就是自組織現(xiàn)象,自組織才能產(chǎn)生新的結(jié)構(gòu)。學(xué)生思維系統(tǒng)是一個開放系統(tǒng),學(xué)生可通過多種途徑從外界吸收各種化學(xué)信息,經(jīng)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(jié)構(gòu),這就是學(xué)生思維的自組織過程。而增設(shè)歸納-對比型作業(yè)恰可使學(xué)生的認(rèn)識從平衡狀態(tài)→非平衡狀態(tài)→新的平衡狀態(tài)……的不斷螺旋式上升中接近真理。

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

知識點(diǎn)之間的比較是學(xué)生牢固掌握知識、培養(yǎng)學(xué)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(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因,挖掘問題的關(guān)鍵和實(shí)質(zhì)。學(xué)生對溶解度和質(zhì)量百分比的濃度搞不清楚,因此讓學(xué)生從兩者的概念、所要求的狀態(tài)、計(jì)算公式、兩者的聯(lián)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(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn);碳、一氧化碳、氫氣還原氧化銅三套裝置的異同。通過對比學(xué)生會很容易理清相應(yīng)的關(guān)系,起到了事半功倍的效果,這類作業(yè)主要在課后完成。

綜上所述,“教者有心,學(xué)者得益?！弊鳂I(yè)是教學(xué)的重要環(huán)節(jié),對它設(shè)計(jì)的優(yōu)化,可以最大限度地拓展學(xué)生的減負(fù)空間,豐富課余生活,發(fā)展獨(dú)特個性。正確利用耗散結(jié)構(gòu)理論,多方位、多角度地設(shè)計(jì)化學(xué)作業(yè),讓化學(xué)作業(yè)既注重基礎(chǔ)知識和技能的訓(xùn)練,又優(yōu)化學(xué)生學(xué)習(xí)的過程與方法;既重視學(xué)生化學(xué)素養(yǎng)的提高,又突出學(xué)生化學(xué)實(shí)踐的能力。設(shè)計(jì)“開放而有活力的化學(xué)作業(yè)”正是“努力建設(shè)開放而有活力的化學(xué)課程”的具體實(shí)踐。

［1]張國蘭.新課程理念下高一化學(xué)作業(yè)的設(shè)置探究［J].中學(xué)化學(xué)教與學(xué)，2007，（1）：33-35

［2]吳兆根.在作業(yè)設(shè)計(jì)中如何突出以生為本［J].化學(xué)教學(xué)，2008，（2）：17-18

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

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