楊科軍

在新課標高中物理教材中，無論是側理類選修3-3，還是側文類的選修1-2，都有熱力學第二定律的內容出現(xiàn)，而且教材明確提出了熵的概念. 熱力學第二定律即使在大學普通物理中也是一塊艱澀的內容，對于理解能力和數(shù)學基礎尚有一定差距的高中學生來說，的確是一個難點. 編者的意圖何在？作為教師該如何找準教學的定位？

誠如天體和大氣物理學家埃姆頓所云：“在自然過程的龐大工廠里，熵原理起著經(jīng)理的作用，因為它規(guī)定著整個企業(yè)的運營方式和方法，而能僅僅充當簿記，平衡貸方和借方. ”熵這個概念的重要性不亞于能，它不僅應用于對社會發(fā)展起到關鍵作用的熱科學領域，還廣泛地應用于物質結構、低溫物理、化學動力學、生命科學和宇宙學，而且已經(jīng)延伸到諸如經(jīng)濟、社會、信息技術等領域. 從新課程應充分體現(xiàn)時代性的理念來看，在高中物理中安排這塊內容的確順理成章. 再從當前人類面臨的社會問題看，幾乎可以這樣說，除了文化沖突和民族紛爭以外，人口、能源和環(huán)境是一切社會問題發(fā)生之源. 為了子孫后代的生存發(fā)展必須節(jié)約能源的觀點，保護環(huán)境就是保護人類自身的意識，是本塊內容應該體現(xiàn)的人文內涵. 由于上述諸多因素，在本塊內容的教學設計中，應體現(xiàn)定性優(yōu)于定量，人文性大于科學性的原則. 如何落實新課程所要求的三維教學目標，充分體現(xiàn)本塊內容的人文性呢？筆者認為可以從以下幾個方面入手.

一、運用人文手段，理解、詮釋熱力學第二定律

實驗手段、數(shù)學手段、邏輯手段等是屬于科學的手段，運用比喻、典故、故事、成語俚語等可以說是人文手段. 在本塊內容教學中，教師要盡量避開或者降低定量和邏輯推理要求，而以學生易于接受且能引起共鳴的一些人文方法，以加深對熱力學第二定律的理解.

克勞修斯指出：熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳向高溫物體，說明熱傳遞是有方向的. 如果我們在學生耳熟能詳?shù)某烧Z“水往低處流，人往高處走”后面添加一句“熱往低溫傳”，體現(xiàn)自然過程發(fā)生是有方向的，學生就覺得很好理解.

當然，熱量從高溫物體向低溫物體散發(fā)，也存在一個流暢性的問題. 比如一個人熱得出汗了，要向周圍空間散發(fā)熱量，我們就希望周圍的空氣流動，以加快散發(fā)的速度. 我們地球持續(xù)地接收著太陽的輻射熱量，為了使地球的環(huán)境溫度穩(wěn)定在一個恰當?shù)闹?，就必須向周圍空間以紅外線的形式散發(fā)熱量. 以前這種接收和散發(fā)長時間維持在適當?shù)谋壤?，使得地球上的生靈得以生存和發(fā)展，但近幾十年來由于二氧化碳的過量排放，它像一件保暖內衣包裹著地球，使紅外線的外散輻射被抑制，結果導致溫室效應，地球變暖，出現(xiàn)了嚴重的環(huán)境問題. 如果不有效地控制二氧化碳的排放，物種滅絕的現(xiàn)象將愈演愈烈，生態(tài)環(huán)境越來越惡化. 以保暖內衣比喻溫室效應，顯得形象生動.

1986年8月在日本東京舉行的國際物理教學研究會上（ICPE），一位代表對“微觀過程是可逆的，宏觀過程是不可逆的”的物理現(xiàn)象作了一個比喻，好比兩條狗，一條黑狗上生滿了跳蚤 ，另一條黃狗是干凈的，兩條狗站在一起，跳蚤可以從黑狗身上跳到黃狗身上，當然也可以再從黃狗身上跳回黑狗身上，跳蚤跳來跳去的過程相當于微觀過程是可逆的，但最后無論是黃狗還是黑狗都不可能是干凈的，即從宏觀上看，跳蚤從黃狗身上完全跳回黑狗身上，使黃狗重新成為干凈這一宏觀的逆過程是不可能發(fā)生的，這一比喻形象生動，受到與會代表贊賞，“狗蚤回跳”，也成為了熱力學第二定律教學案例的一個典故.

二、體現(xiàn)人文價值，培養(yǎng)學生節(jié)能環(huán)保方面的正確價值觀和社會責任感

如果說科學的第一要義是求真，那么人文的第一要義是求善. 通過熱力學第二定律的學習，使學生理性地認識到能量是一切物質運動的源泉，是一切生命活動的基礎. 能量在數(shù)量上雖然守恒，但其轉移和轉化是具有方向性的，人們的一切生產(chǎn)、生命活動中，都在把機械能、電能、核能、生物能……概而言之一句話，把千古積累的和正在接收到的太陽能，最終轉化為內能，把有序度大的能量變成無序度大的能量，即能量耗散. 隨著能量的耗散，能量從高品質轉化為低品質，雖然能量不會減少但能源卻越來越少. 化石能源不但資源有限，而且對環(huán)境造成很大的破壞.

學生只有通過對于能量耗散和環(huán)境破壞原因的深刻理解，才能逐漸自覺樹立節(jié)能環(huán)保的責任意識，并轉化成自覺行動和良好習慣. 你今天開車燒掉了10升汽油，地球的資源就減少了10升. 全世界的人合起來，就是一個龐大的數(shù)字. 反過來同樣是一個巨大的數(shù)字，若每一個人日常生活中節(jié)約一點，那么對全球能源應用的意義同樣重大. 從另一個角度看，還應該開發(fā)新能源，如太陽能，你使用太陽能熱水器洗一個澡，單純地從成本核算看，可能并不比電熱器省，或者說也完全可以負擔得起，但從節(jié)能環(huán)保的角度看，卻完全是兩碼事. 因此從人文教育的角度審視，通過本塊內容的學習，應該使學生們從小就被要求養(yǎng)成的一些良好習慣，諸如隨手關燈的習慣，盡量少開空調的習慣，節(jié)約一張紙的習慣等等，提升到理性的高度.

三、挖掘人文意蘊，在學習熱力學第二定律過程中領略物理美

在奧地利物理學家玻耳茲曼的墓碑上，鐫刻著這樣的碑文：

S=KlnW

這正是定量表示熵S和微觀態(tài)數(shù)W之間關系的玻耳茲曼公式，其中K就是著名的玻耳茲曼常數(shù). 這個公式閃爍著物理大師的創(chuàng)造和發(fā)現(xiàn)的智慧之美，而這塊雕刻著公式的墓碑更閃爍著后人尊重科學尊重大師的人文之美.

我們學習過的物理定律和定理，一般都有法定的嚴密的邏輯表達形式，可是學生會發(fā)現(xiàn)，教材中熱力學第二定律有好幾種表達. 德國物理學家克勞修斯在1850年指出：熱量不可以自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體；英國物理學家開爾文于1851年在分析了熱機及其他涉及做功的熱學過程后指出：不可能從單一熱源吸熱，使之完全變成功，而不產(chǎn)生其他影響；從微觀的角度也可以這樣表達：一切自然過程總是沿著分子運動無序性增大的方向進行；還有一種比較專業(yè)的表達：在任何自然過程中，一個孤立系統(tǒng)的總熵不會減少，所以把熱力學第二定律又叫做熵增加原理；在氣體對真空膨脹的過程中又表述為“氣體向真空的膨脹是不可逆的”：甚至在化學里被表述為“自發(fā)的化學過程總是朝著釋放熱量或無序程度增加的方向進行”等等.

物理學的理論體系呈現(xiàn)高度的和諧美、統(tǒng)一美和簡潔美. 上述幾種表述和諧統(tǒng)一互通，最終以熵增原理簡潔而完美地表達，正是物理美的體現(xiàn). 正如宋代詩人蘇軾描繪廬山詩中所云：“橫看成嶺側成峰，遠近高低各不同. ”熱力學第二定律如同一座雄偉秀美的山川，多角度的表述，正是其豐富而深刻的內涵和物理學家們?yōu)檎J識客觀世界而付出的創(chuàng)造性勞動的體現(xiàn).

四、拓展人文視角，注重與相關學科的交叉綜合

在生物學中，生物進化過程意味著從低級向高級，從無序到有序. 而熱力學第二定律指出自然過程從有序到無序. 二者是否矛盾？

其實，根據(jù)耗散結構理論，有機體作為一個開放的耗散結構，它的產(chǎn)生既要靠外界不斷提供物質和能量，還必須要向這個開放系統(tǒng)提供“負熵流”，也就是輸入系統(tǒng)的熵必須小于輸出的熵，系統(tǒng)有凈熵輸出. 對于動物來說，生命攸關的低熵物質有兩類：低熵高能的食物（如碳水化合物）和低熵低能的凈液態(tài)水，排出的高熵物質如二氧化碳、水汽、尿、汗和其他排泄物. 如圖1，正是有機體作為開放系統(tǒng)自身熵的不斷減少，導致生物體從無序向有序的進化. 熱力學第二定律和生物進化論，同屬19世紀科學上最偉大的發(fā)現(xiàn)，得到很好的統(tǒng)一.

在高中化學中，其教學進度先于物理就出現(xiàn)了“焓變”和“熵變”的概念. 用焓變的正負、大小來描述化學反應中物質的能量狀態(tài)改變情況. 如果能量狀態(tài)降低，則焓變就能夠自發(fā)地進行化學反應，其焓變值越大，就標志釋放的熱量越多，反應進行得越徹底；用熵變的正負、大小來描述化學反應前后物質的無序程度，如果無序程度增大則熵變,就能夠自發(fā)地進行化學反應，熵變越大，越有利于反應自發(fā)進行. 在2009年浙江省高考自選模塊的調測卷中，有一個其中選項為“一杯30℃的水放在空氣中，溫度慢慢降到10℃，這杯水的熵增加”的選擇題，許多物理老師想當然地認為自發(fā)的熱傳遞過程熵必定增加，這完全符合熱力學定律，錯誤地選取了這個選項，而學生卻多能從化學的角度出發(fā)，認為這杯水的溫度降低，分子熱運動的有序度變好，所以它的熵是減少的. 這里從物理的角度講，是沒有注意到“孤立系統(tǒng)”的前提，應該是這杯水的熵減少，環(huán)境空氣的熵增加，這杯水和環(huán)境空氣組成的孤立系統(tǒng)的熵增加.

在高中地理教學中非常強調能源問題和環(huán)境問題，在政治經(jīng)濟學中，也多次討論能源和環(huán)境. 如其各自為政，孤軍作戰(zhàn)，不如相互聯(lián)系，相互穿插，綜合性地解決問題，這樣可以大大提高教學的有效性，有利于學生人文素質和綜合能力的提高.