信息熵理論在物理教學中的應用

華玉梅

（深圳市塘尾萬里學校 廣東 深圳 518103）

在課堂教學活動中，教學模式和課堂管理是兩個關鍵環(huán)節(jié)，筆者以熵理論為基礎，在教學設計中設計靈活多樣的教學活動，提高學生探究問題的興趣，促進發(fā)展學生的思維能力.素質(zhì)教育與新課程改革理念的融入，使整個課堂氣氛充滿新鮮的活力，師生交流更加順暢，學生可以最大程度地獲得有用信息，課堂氣氛不再拘泥于傳統(tǒng)理念和模式.

1 熵的基本理論

1.1 熵的建立

1865年，克勞修斯在研究如何提高蒸汽機效率的基礎上，提出了熵問題.他在這一年發(fā)表的論文《力學的熱理論的主要方程之便于應用的形式》中認為，系統(tǒng)從溫度為T的熱源中所吸收的熱量dQ，被T來除所得的商，就是該系統(tǒng)在無限小過程中熵的增量dS，即克勞修斯的熱力學熵的物理意義是，能量在傳遞（或轉換）的過程中，能量子的分布會愈來愈松散而無序.

1.2 玻爾茲曼熵

1872年玻爾茲曼對克勞修斯的熱力學熵理論進行了拓展.他首先提出了微觀態(tài)的概念.所謂微觀態(tài)，實質(zhì)上是系統(tǒng)內(nèi)粒子數(shù)的某種可能組態(tài)（即可能的一種分布方式），一種可能的組態(tài)，叫做一個微觀態(tài).一種宏觀態(tài)所對應微觀態(tài)的數(shù)目W叫熱力學概率.玻爾茲曼在此基礎上，得出了熵的又一個表達式S＝klnW，式中k是玻爾茲曼常數(shù)，W代表了微觀態(tài)數(shù)目.熵是系統(tǒng)微觀粒子無序量大小的度量，它把宏觀量熵與微觀狀態(tài)數(shù)W聯(lián)系起來，從而以概率的形式表述了熵及熱力學第二定律的重要物理意義.

1.3 信息熵

1948年，申農(nóng)（shannon）把玻爾茲曼定義的熵引入到信息論中，他把熵看作某一隨機事件中不確定性的量度，從而奠定了信息論的基礎.在科學上，信息具有嚴格和確切的含義，它是指某些抽象的，能被貯存、提取、傳遞和交換的資料以及數(shù)據(jù)的集合，用信息量來作為定量的描述.

根據(jù)申農(nóng)的信息熵理論，信息熵定義為

式中，Pi代表了系統(tǒng)第i個微觀態(tài)出現(xiàn)的概率.在信息論中把信息看作一種用以清除不確定性的東西.因此，信息數(shù)量的大小，可以用被消除的不確定性的多少來量度.

2 用信息熵理論改革教學模式

物理課堂的傳統(tǒng)教學模式是教師在講臺上一邊板書一邊講，學生坐在下面聽，學生被動的接受知識，這是一種單向傳遞信息的教學.這種教學模式過于呆板，不利于學生負熵值的增加.在實際教學活動中，筆者采用“提問式”教學的方法，增加了課堂的互動環(huán)節(jié)，提高了學生的學習興趣.物理課堂中的師生交流是“能量”交換的一個重要途徑，是師生思維向同一個方向發(fā)展的一個重要體現(xiàn)，它非常有利于提高學生的學習能力.對于提問的形式，不僅僅是教師提問學生回答，還鼓勵學生提問教師回答.筆者發(fā)現(xiàn)，在課堂上能夠提出問題的學生，他的思維是在課堂內(nèi)的，對于知識的渴望促進他更用心的學習，學習成績也比較好.

多媒體教學能夠很好地增加教學系統(tǒng)的負熵，多媒體技術的引進對改革物理課堂教學模式，提高教學效果起著重要作用.利用多媒體技術使物理現(xiàn)象可視化，物理事實直觀化，創(chuàng)設學習情境，激發(fā)學生的學習興趣，提高教學質(zhì)量.

3 用信息熵理論進行課堂教學管理

在課堂上實施物理教學，學生坐在座位上學習，環(huán)境比較封閉.學生個體的“能量”耗散渠道受阻，教學系統(tǒng)內(nèi)的熵值容易增加，教學活動與外界環(huán)境無能量交換，整個教育教學過程就容易成“一潭死水”，教學效果被削弱.

筆者認為可以通過增加物理實驗教學的比重和合理安排實驗課時來調(diào)整物理課堂教學的狀態(tài)，充分調(diào)動學生的情緒，促使物理教學管理從無序走向有序.實驗教學是物理教學中的一個重要組成部分.實際教學中，由于學校實驗器材、實驗場地等客觀條件的限制，往往以教師的演示實驗為主，以學生自主實驗為輔，學生的動手機會少，實驗教學效果大打折扣.筆者在實踐中采取在教學安排上進行調(diào)整：安排某些班級先理論再實驗，某些班級先實驗再理論，加強對課外實驗、科技制作的指導，努力做到理論學習和動手實驗穿插進行.

課堂雖然是個相對封閉的空間，但每一位學生的思維不可能完全不受外界影響，教師要充分利用這些外界因素進行課堂管理.在教學中，教師要掌握學生的心理活動，利用現(xiàn)有資源充分調(diào)節(jié)課堂氣氛，控制教與學過程中的熵變方向，增大負熵值，使課堂教學逐漸從無序走向有序.否則，過度的批評、責罰等無效的課堂管理行為只會增大有效課堂管理行為的熵值，使課堂管理更加無序.比如在“長度和時間的測量”的教學中，教師可以采用分組實驗的方法，四人一組，根據(jù)學生情況合理安排小組成員，學生在教師的指導下完成實驗，小組成員討論得出結論后，再由教師進行集中講評.有分組、有實驗、有討論、有總結、有講評的一體化教學過程，教師可以很好地控制課堂秩序，順利達到教學目標.

4 結語

筆者從信息熵的理論出發(fā)，對物理課堂教學系統(tǒng)進行有效的構建和控制，針對教學模式和課堂管理兩個關鍵環(huán)節(jié)進行了有針對性的改善，探索出一條提高物理課堂教學效果的途徑.

1 趙凱華.新概念物理 熱學（第二版）.北京：高等教育出版社，1998.12

2 陳集炎，唐詩.用信息熵評價微格教學課例的實驗研究.黑龍江科技信息，2011（4）

3 周曉偉.熵理論在職業(yè)院校物理教學實踐中的應用研究.新課程（教育技術），2011（3）

4 徐榮.基于信息熵的教學模糊綜合評價研究.安徽工程科技學院學報，2010（4）

5 張東，張寧.物理學中的熵理論及其應用研究.北京聯(lián)合大學學報，2007（21）

6 傅德榮，章慧敏.教育信息處理.北京：北京師范大學出版社，2001.9