从熵增加原理的教学看新课程对社会人文的关注

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1、从熵增加原理的教学看新课程对社会人文的关注新课标普通高中物理选修 12 （司南版）、 热现象与规律 第三章 不可逆的物理过程 第 3 节 不可逆过程与熵2熵与熵增加原理厦门第六中学 陈宗荣【教学目标】初步了解熵是描述系统无序程度的物理量，知道熵增加原理， 尝试用具体事例说明熵增加原理。通过观 察分析、动手实验、社会 调查和讨论交流，提高学生自主学习的能力和实践能力。利用身 边物理和 谚语，提高学生学习物理的兴趣，培养其理论联系实际和科学发展观的意识，培养学生的 环境保护和可持续发展意识 。【教学过程】问题引入：热力学第一定律告诉我们能量是守恒的、不 灭的，只能从一种形式转变到另一种形式。这是不

2、是说我们就可以高枕无 忧地滥用那万世不竭的物 质和能源了呢？学生展示课前搜集的本地能源使用情况，提出自己的见解，交流探究计划。教师小结：正方认为既然能量是守恒的，使用能源就如把钱 从左口袋转移到右口袋， 总数是不会变化的；反方反驳，既然如此，何必强调节约能源呢？希望通过下面两节课的学习，能帮你进一步了解其中的关系。板书课题：2熵与熵增加原理一、熵情景创设：分别播放国庆阅兵队伍和闹市人群的视频录像，让学生感受对比阅兵队伍整齐划一的步伐声和闹市嘈杂难忍的噪声， 对有序和无序有个感性 认识。图 1 阅兵队伍有序 图 2 闹市人群无序问：这两个视频片段反差强烈，你 觉得最大的不同是什么？引导学生从视觉

3、和听觉方面分析回答。学生阅读 P59 最后一段至 P60 第一段， 说说物理学中引入熵这个物理量的意义，并指出上面两图所体现的熵的高低。教师小结并板书：一、熵（entropy）物理意义：为了描述分子运动的无序程度的差异。符号：S。定义：熵是系统无序程度的量度。指出：熵值越大，意味着系统越 “混乱”和“分散”，无序程度越高；熵值越小，意味着系统越“整齐”和“集中 ”，也就越有序；提问：把一碗绿豆和一碗米搀和在一起煮成绿豆粥， 请分析 搀和前后系统的熵谁大谁小？你能再举出生活中类似的例子吗？师生共同评析。二、熵增加原理多媒体动画演示：教师讲述：假设一隔板将盒子分为 A、B 两部分， A 内装有高温

4、气体，B 内装有低温气体。以运动影迹长短表示分子运动速率的快慢， 请认真观察隔板抽走前后 A、B 中分子运动情况的差异，描述有关现象，并从微观角度分析原因。学生观察后描述：从微观角度看， A 中的大多数分子运动速率快，而 B 中的大多数分子运动速率慢。将隔板轻轻地抽走，让 A、B 中的分子自动混合，当速率较高的分子碰上速率较低的分子时，很大可能会将自己的一部分动能转移给速率较 低的分子；大量分子的相互碰撞碰撞使 A、B 中的分子都达到一个中 间的平均速率，从宏 观结果看，两气体的温度都趋于相等，即都为某一个温度。从微观角度看，隔板抽走前 A、B 两部分的分子平均速率不一样，抽走后A、B 两部分

5、的分子平均速率没有区别。教师小结：后者微观的无序程度增加了，因此，在这不可逆过程中，系统的熵增加了。高温 隔板 低温 中间温度（a）A、B 间有隔板 （b）抽去隔板图 3 分子的微观运动与宏观表现学生实验：将红墨水滴进清水中， 观察红墨水在清水中自然 扩散过程。提问：能让已扩散的红墨水自动从清水中分离出来吗？红墨水扩散后熵增加还是减小了？为什么？（扩散前红墨水集中有序， 扩散后混乱而分散）打开花露水瓶的盖子，让闻到花露水气味的学生 举手示意。师生共同分析：显然，在这一过 程中，由空气分子和花露水分子组成的系统也变得更加无序了。从统计的观点看，只要经过的时间足够长，做无规则运动的每一个花露水分子

6、都可能达到房间的任何一个地方，当然也包括回到瓶子里去。但是，不论经过多长时间，出现所有花露水分子都自动从空气中返回花露水瓶的可能性微乎其微；出现花露水分子均匀分布整个房间的可能性最大。前者的有序程度高，后者的有序程度低。可见，这个自发过程最可能向着系统熵增加的方向进行，而且花露水分子的数量越多，均匀分布到整个房间的可能性就越大，当花露水分子的数量极其巨大时，可能性就成了必然性。打开门窗，隔一段时间，房间里的香味越来越淡，追问：花露水分子到哪里去了，是否全部自发地回到瓶子里？教师小结并板书：二、熵增加原理：在孤立系统中，一切不可逆过程必然朝着 熵的不断增加的方向进行，这就是熵增加原理（princ

7、iple of entropy increase）。熵增加原理是热力学第二定律的又一种表述，它比开尔文、克劳修斯表述更为概括地指出了不可逆过程的进行方向；同时，更深刻地指出了 热力学第二定律是大量分子无 规则运动所具有的统计规律，因此只适用于大量分子构成的系统，不适用于单个分子或少量分子构成的系统。讨论与交流：机械能转化为内能的过程熵增加还是减少？内能转化为机械能的过程呢？请用熵增加原理说明内能与其他形式能的转化过程为什么是不可逆的，并据此讨论提高热机效率的意义。请将你的看法与同学讨论交流。教师：“每当你点燃一支香烟的时候，世界上的有效能量就减少了一点儿”，这里形象地说明了能量耗散的不可逆性。

8、尽管能量守恒表明大自然的能量不会凭空产生或消失，而 熵增加原理则说明大自然的能量的转化是有方向性的，因此我 们 必须用科学发展观指导我们的行为，合理地开发和利用能源。谚语解读：教师演示：不小心推落一面镜子， 镜子摔破了。 请一位学生用一句成 语描述这一现象并应用本课相关知识解释。答：破镜难圆。原来高度有序的 镜子摔破后变成混乱无序的碎片，镜子的机械能转化成内能，在这个不可逆的过程中，熵增加了。教师：古今中外有不少谚语警句，既能帮助我 们进一步了解 熵及熵增加原理的认识，又有深刻的教育意义。你能否列举 一些并揭示 蕴涵的物理规律？ 对我们的行为有何启示？学生分组讨论并回答。教师点评。如“你不可能

9、不劳而获”意为：任何收获总是要消耗一定能量的，没有付出就不会有收 获。而被消耗的能量，就不能再用来做功了。高楼夷为平地后，不可能自己再拔地而起；水从水坝上流到坝底，不可能自己再返回 坝 上。要想重新做功，就要消耗新的能量，所以 “熵”总是持续增加的。再如“覆水难收”意为：事物处于凝聚状态，就有了 势能；一旦分散开来，就再也不能自动回到凝聚状态。餐具在使用中，由于磨损，金属分子不断离开餐具，最终“零零星星地散失在土地里”。虽然它们依然存在，但已不能作 为成块的金属被有效地使用了。“蜡炬成灰泪始干”结语：随着科技的发展和社会的进步，人 们对熵的认识已经远远 超出了分子运动领域，被广泛用于任何做无序

10、运动的粒子系统，也用于研究大量出现的无序事件。 熵已成为判断不同种类不可逆过程进行方向的共同标准。 熵增加的原理突出了世界的演化性、方向性和不可逆性，深化了人类对自然和社会的 认识，使 “演化”和“ 发展”越来越成为新自然观的主题。小结：通过本节课的的学习，你有哪些收 获？（初步了解了 熵的概念和熵增加原理）除了知识方面，还有其他方面的收 获吗？（引导学生对学习过 程进行评价） 关于能量的转化与守恒，你有什么新的 认识，你 还想知道什么？课外作业：进行社会调查，继续 搜集自然界或生产生活中的相关事例，运用熵增加原理说明人类为什么要合理开发和利用能源，才有利于可持续发 展。教案评析高中物理新课程

11、目标注重提高全体学生的科学素养，课程内容加强了与社会进步、科技发展的联系，而且还反映科技进步带来的如环保、可持续发展等社会热点问题。在“情感态度与价值观”具体目标中，重点强调了培养学生环境保护和可持续发展的意识以及振兴中华民族的责任感与使命感。 熵与熵增加原理等内容就是在这样的背景下被增加到新课程中。本节课选自新课标普通高中物理选修 12，具有很强的社会人文教育功能。可针对系列 1 学生的特点及发展方向，恰当利用多媒体技术、自然界或生活事例、谚语及人类共同关注的能源问题，积极开发并整合课程资源。教学设计及实施应着眼于社会对公民应具有的科学素养的基本需求以及这种科学教育的价值取向，落实新课程对社

12、会人文的高度关注。、 教学目标体现新课程对社会人文的关注根据高中物理新课程标准，本课对知识目标的要求层次并不高，可对此进行弱处理，不必在理论方面盲目挖深，而是充分挖掘教材的社会功能，以知识为载体，结合能源、可持续发展等社会热点，通过学生的自主学习，培养学生的人文精神。利用身边物理和谚语，提高学生学习物理的兴趣，培养其理论联系实际和科学发展观的意识，培养学生的环境保护和可持续发展意识。从课题引入、学习过程、小结到作业布置等教学环节，始终没有偏离教学目标，把三个维度教学目标有机整合，使之真正成为教学的出发点和归宿。如小结时指导学生不仅要回顾本节课所学知识，还要对自己的学习过程进行评价，引导学生利用

13、所学知识指导我们的行为。二、教学过程体现新课程的核心理念以学生的发展为本课堂教学的设计以学生的学习为中心，通过创设富有情趣的教学情景组织学生参与学习活动，使学生在和谐而充满活力的课堂中学习，享受探究的乐趣，品尝成功的喜悦。1、巧妙创设问题情景，激发学生学习兴趣。以学生现有的认知基础，无法解释能量守恒与能量转化方向性的矛盾，引入的问题让学生感到困惑，激发了学生探究的欲望。国庆阅兵队伍和闹市人群的视频录像从视觉、听觉上刺激学生的感官，帮助学生对有序、无序形成感性认识。当学生的学习状态呈下降趋势时，教师不经意地摔破一面镜子，给学生以信号刺激，唤回学习兴趣，拉开下一阶段学习的帷幕。对选报系列 1 的学

14、生，颇具人文色彩的谚语警句，显然是他们所乐见的教学资源。2、活化教材，学法多元。教材内容揭示的是微观粒子的运动规律，教学中注意从学生熟悉的生活情景提出熵的问题，把宏观物体的变化过程和微观分析相结合，帮助学生建立熵的概念和熵增加原理。运用原理说明自然现象和社会行为，使学生感受到物理与日常生活、自然规律乃至社会发展的密切联系。教学方法体现了实效性与个性化相结合，科学性与人文性相结合。在教材处理上，多媒体技术的运用合理有效，用视频替代平面图片，对学生的信息刺激更为强烈。分子的微观运动与宏观表现动画演示，以动态替代静态，更直观地揭示了粒子的运动规律。谚语警句的选用，也是本课的亮点之一。学法指导上，能注

15、重强化体验，学生在学习过程手、眼、耳、鼻、脑等器官并用，有观察、分析、实验、交流讨论、评价等方法。社会调查作业打破原有以课堂为中心的界线， “ 边缘课堂”得到扩大，并向社会和大自然延伸，为培养学生的创新精神和实践能力提供了广阔的时空。探究教学的最高境界就是探究现实社会中的问题。这种探究可称作是调查式探究，一般此类探究要求学生走出教室，深入现实社会进行调查，然后再回到实验室，通过物理实验进行验证。或者通过查阅资料、课本知识经分析论证得出结论。这种探究一般仅仅靠课堂教学完成不了，需要课堂和课外相结合。3、关注以问题为中心的学习。本课一个特点是利用问题来组织各个教学环节。课的开头以问题引入，问题的答案似乎显而易见，又似乎另有玄机，容易引发争论。学生虽有倾向性结论，却无法自圆其说。这种激疑手段有利于激发学生探究的热情。课的最后层层追问，紧扣三维目标。 “关于能量的转化与守恒，你有什么新的认识，你还想知道什么？ ”通过本课的学习，学生对能量的转化与守恒，一定会有新的认识，但是也会产生新的困惑，为下一节课埋下伏笔。让学生带着问题来上课，又带着新的问题离开教室，让学生始终保持一种积极向上，充满激情的求知状态。一点思考：为了更好完成教学目标，可以考虑本节课与下一节课（熵与能量退降）教材进行融合处理，进一步活化教材，有利于能源问题探究活动的深入开展。