基于耗散結(jié)構(gòu)理論的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)分析

楊 坤,孫麗媛

(1.沈陽(yáng)化工大學(xué)數(shù)理系,遼寧沈陽(yáng) 110142;2.沈陽(yáng)航空航天大學(xué)理學(xué)院,遼寧沈陽(yáng) 110136)

基于耗散結(jié)構(gòu)理論的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)分析

楊 坤1,孫麗媛2

(1.沈陽(yáng)化工大學(xué)數(shù)理系,遼寧沈陽(yáng) 110142;2.沈陽(yáng)航空航天大學(xué)理學(xué)院,遼寧沈陽(yáng) 110136)

依托耗散結(jié)構(gòu)理論,分析探索如何用該理論指導(dǎo)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué),并結(jié)合具體物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容,說明有效地利用漲落能使實(shí)驗(yàn)教學(xué)更加有序,遠(yuǎn)離平衡態(tài)增加教學(xué)活力,從而使物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量得到顯著提高.

耗散結(jié)構(gòu);突變;自組織;平衡態(tài);漲落

1 耗散結(jié)構(gòu)理論的基本觀點(diǎn)

比利時(shí)學(xué)者普利高津在耗散結(jié)構(gòu)理論中指出:一個(gè)遠(yuǎn)離平衡態(tài)的非線性開放系統(tǒng)(不管是力學(xué)的、化學(xué)的、物理的、生物的,還是社會(huì)的、經(jīng)濟(jì)的系統(tǒng))通過不斷地與外界交換物質(zhì)與能量,在系統(tǒng)內(nèi)部某個(gè)參量的變化達(dá)到一定的閾值(臨界值)時(shí),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(wú)序狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N在時(shí)間上、空間上或功能上的有序狀態(tài).量變可能引起質(zhì)變,系統(tǒng)可能從原來的混沌、無(wú)序狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛行驙顟B(tài).有序的組織可以通過一個(gè)“自組織”過程從無(wú)序和混沌中“自發(fā)地”產(chǎn)生出來,顯然,“自組織”是通過突變過程而完成,這個(gè)突變發(fā)生在系統(tǒng)從混沌狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛行虻暮纳⒔Y(jié)構(gòu)狀態(tài)的“分叉點(diǎn)”上,在發(fā)生突變之前,系統(tǒng)通過正反饋與外界物質(zhì)交換能量,使有序狀態(tài)參量不斷增強(qiáng),過臨界值(分叉點(diǎn))時(shí),系統(tǒng)便進(jìn)入高一級(jí)的新的結(jié)構(gòu)狀態(tài),這種在遠(yuǎn)離平衡態(tài)情況下所形成的新的有序結(jié)構(gòu),普利高津把它稱為“耗散結(jié)構(gòu)”[1]29-30.

2 耗散結(jié)構(gòu)理論指導(dǎo)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的理論分析與實(shí)踐

耗散結(jié)構(gòu)理論是研究遠(yuǎn)離平衡狀態(tài)的開放系統(tǒng)從無(wú)序到有序演化規(guī)律的一種理論.現(xiàn)代教育科學(xué)研究認(rèn)為,人腦系統(tǒng)是耗散結(jié)構(gòu),耗散結(jié)構(gòu)就好像一鍋水被加熱(均勻受熱)到一定程度時(shí),鍋底會(huì)產(chǎn)生一層極規(guī)則且穩(wěn)定的由小氣泡組成的六角形蜂窩狀結(jié)構(gòu),是一種不同于我們通常所見的結(jié)構(gòu).這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)在于,必須不停地施予能量與物質(zhì)流,否則就將消失,這就是耗散結(jié)構(gòu).而耗散結(jié)構(gòu)理論認(rèn)為,一個(gè)遠(yuǎn)離平衡態(tài)的耗散結(jié)構(gòu),要從低級(jí)狀態(tài)進(jìn)入高級(jí)狀態(tài)、從無(wú)序走向有序,必須對(duì)外開放,必須頻繁地與環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)、能量和信息的交流[1]23-29.正在成長(zhǎng)中的學(xué)生的大腦就是遠(yuǎn)離平衡態(tài)的耗散結(jié)構(gòu),所以,把耗散結(jié)構(gòu)理論應(yīng)用于學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)過程,筆者認(rèn)為教師必須在教學(xué)中做到:①使學(xué)生的大腦思維系統(tǒng)充分開放,科學(xué)合理地減少遺忘;②使學(xué)生的大腦思維遠(yuǎn)離平衡狀態(tài),從小漲落變?yōu)榇鬂q落;③充分發(fā)揮學(xué)生的主體作用,努力促進(jìn)學(xué)生的“自組織”過程,讓學(xué)生的主導(dǎo)作用充分發(fā)揮出來.做到這些才能使學(xué)生根據(jù)物理實(shí)驗(yàn)理論的內(nèi)涵、本質(zhì)及內(nèi)在的相互聯(lián)系,把已有的表面上雜亂無(wú)序的理論,逐步變成有序的知識(shí)結(jié)構(gòu),使學(xué)生對(duì)所做物理實(shí)驗(yàn)的認(rèn)知從混沌逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橛行?才會(huì)使物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)出現(xiàn)嶄新面貌,才能談到提高物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量.

2.1 使學(xué)生的思維系統(tǒng)充分開放

在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,必須想方設(shè)法地促進(jìn)學(xué)生思維系統(tǒng)的全方位開放,使學(xué)生的大腦處于積極主動(dòng)的思維狀態(tài),只有充分開放才能使學(xué)生大腦的認(rèn)知結(jié)構(gòu)越來越有序.這是因?yàn)橛行虻慕Y(jié)構(gòu)需要輸入物質(zhì)、能量或信息,并與外界不斷地進(jìn)行交換才能維持.物理學(xué)中熱力學(xué)第二定律指出:孤立系統(tǒng)(封閉系統(tǒng))的發(fā)展趨向是使系統(tǒng)的熵增加,就是說趨于無(wú)序,最終達(dá)到熱平衡均勻的“混沌”狀態(tài)[2]234-238.而在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中,學(xué)生大腦的認(rèn)知結(jié)構(gòu)是從無(wú)序變得越來越有序,主要是因?yàn)樵诮虒W(xué)過程中要不斷地從外界輸入“負(fù)熵流”,從而抵消了大腦中正的熵值增加,使大腦中“總的熵變”不斷減少.如果學(xué)生大腦系統(tǒng)不對(duì)外開放,或者開放不大,不能使負(fù)熵流抵消大腦本身的熵增加,最終大腦仍是無(wú)序的[1]240-243.因?yàn)閷W(xué)生的大腦在學(xué)習(xí)時(shí)也是一個(gè)開放系統(tǒng),一方面大腦不斷地吸收大量的新知識(shí)信息,另一方面大腦對(duì)舊知識(shí)信息會(huì)產(chǎn)生遺忘(螺旋測(cè)微計(jì)、游標(biāo)卡尺的使用方法就有可能遺忘),吸收新信息使大腦的熵減少,遺忘又使大腦的熵增加.如果能在不斷學(xué)習(xí)新內(nèi)容的同時(shí)又能運(yùn)用、鞏固舊知識(shí),就會(huì)使遺忘減少到最小.這就需要我們注重培養(yǎng)學(xué)生的非智力因素,包括他們學(xué)習(xí)物理的興趣、信心等,使學(xué)生想上、愿意上物理實(shí)驗(yàn)課.另外,教師還要?jiǎng)?chuàng)造條件正確引導(dǎo)、促進(jìn)學(xué)生思維系統(tǒng)充分開放,要讓學(xué)生主動(dòng)地動(dòng)眼觀察、動(dòng)耳聆聽、動(dòng)筆記錄、動(dòng)腦思考、動(dòng)口表述,使信息流(負(fù)熵流)從各個(gè)渠道輸入大腦,使大腦處于積極思維的狀態(tài),從而使學(xué)生產(chǎn)生足夠的學(xué)習(xí)積極性.

2.2 使學(xué)生的思維遠(yuǎn)離平衡狀態(tài)

普利高津認(rèn)為非平衡是有序之源.學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)水平的不斷提高,是因?yàn)樵诖竽X的認(rèn)知結(jié)構(gòu)中,原有物理實(shí)驗(yàn)理論的平衡狀態(tài)被外來的刺激所打破,發(fā)生了“同化”或深刻的“順應(yīng)”作用,使原有的實(shí)驗(yàn)理論得到充實(shí)或改革,達(dá)到新的水平或新的平衡.普利高津還認(rèn)為在非平衡狀態(tài)下,系統(tǒng)對(duì)于內(nèi)部和外部的漲落都非常敏感,系統(tǒng)內(nèi)的各“元素”都表現(xiàn)出密切的“相干性”.在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,如果學(xué)生的思維都處于高度的不平衡狀態(tài),那么學(xué)生、教師之間就會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的共鳴,使教師得心應(yīng)手、事半功倍.反之,教師不善于打破學(xué)生思維上的平衡狀態(tài),無(wú)論教師準(zhǔn)備得如何充分、教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備如何先進(jìn),學(xué)生仍然感到似是而非,課堂中的信息傳遞也會(huì)終止,就會(huì)出現(xiàn)“死”平衡,根本談不上所學(xué)的物理實(shí)驗(yàn)理論能向有序方向轉(zhuǎn)化.所以,課堂上教師必須多渠道增加物理實(shí)驗(yàn)信息的輸入量,不斷地更新實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段和教學(xué)方法,使整個(gè)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)始終處于遠(yuǎn)離平衡態(tài).根據(jù)學(xué)生的反饋,一般可以采用懸念實(shí)驗(yàn)法、強(qiáng)刺激實(shí)驗(yàn)法、問題疏導(dǎo)實(shí)驗(yàn)法等有針對(duì)性的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)方法,使學(xué)生獲得的物理實(shí)驗(yàn)方法發(fā)生漲落,刺激學(xué)生的大腦皮層,打破實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中呆板、沉悶、無(wú)趣的不良狀態(tài).例如學(xué)生在測(cè)密度[3]31-33前,對(duì)各種物質(zhì)密度的認(rèn)識(shí)處于混沌狀態(tài).我們不妨問學(xué)生:怎樣知道一杯水的質(zhì)量?學(xué)生會(huì)立即回答:用天平稱.問:一桶水呢?學(xué)生會(huì)立即回答:用天平一杯一杯稱,然后加起來.接著問:如果想知道一個(gè)水庫(kù)里水的質(zhì)量呢?學(xué)生往往答不上來.這時(shí),就可以告訴學(xué)生說:只要會(huì)測(cè)定物體密度,這個(gè)問題就能迎刃而解,于是學(xué)生就會(huì)帶著急切需要解決的問題或者以好奇的心情去做密度實(shí)驗(yàn).這時(shí),進(jìn)一步要求學(xué)生對(duì)銅棒、玻璃環(huán)、一杯水的質(zhì)量和體積進(jìn)行測(cè)量,算一算質(zhì)量與體積的比值,然后再找?guī)讉€(gè)不同的銅棒、玻璃環(huán)、幾杯水再測(cè)量、再計(jì)算,要求學(xué)生探索上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的規(guī)律性.學(xué)生就會(huì)悟出:同一物質(zhì)所算比值相同,不同物質(zhì)所算比值不同,于是學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)達(dá)到初步有序.為達(dá)到“分叉點(diǎn)”,可以接著問學(xué)生:這個(gè)比值可以用來區(qū)別物質(zhì)嗎?學(xué)生會(huì)答:可以,它是物質(zhì)的一種特性,這個(gè)比值大小反映了物質(zhì)質(zhì)量集中程度.于是學(xué)生不僅學(xué)會(huì)測(cè)密度,還建立了物質(zhì)密度的有序知識(shí)結(jié)構(gòu),同時(shí),也能算出一個(gè)水庫(kù)里水的質(zhì)量了.再如指導(dǎo)“歐姆定律應(yīng)用”實(shí)驗(yàn)[3]55-58時(shí),要研究電路中的電流與電壓、電阻的關(guān)系.因?yàn)橛绊懸蛩赜袃蓚€(gè),所以如果要求學(xué)生設(shè)計(jì)出研究這兩個(gè)因素對(duì)電流影響的實(shí)驗(yàn)方案,確實(shí)有一定難度.這就需要采用容易使學(xué)生平衡的思維迅速出現(xiàn)很大的不平衡的問題疏導(dǎo)教學(xué)法,讓學(xué)生從質(zhì)疑開始,由淺入深地提出問題來開啟學(xué)生思維,可以具體地提出:影響電流的因素有幾個(gè)?為誘發(fā)學(xué)生思考,可以繼續(xù)追問:在這種情況下要研究其中某一個(gè)因素對(duì)電流的影響需要用什么研究方法?以此來開發(fā)學(xué)生智能,接著可以提出:在研究電壓對(duì)電流的影響時(shí),如何控制電阻?需要哪些器材?該設(shè)計(jì)怎樣的電路?層層深入地提出問題,讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中,始終處于不斷產(chǎn)生矛盾又不斷解決矛盾的動(dòng)態(tài)過程.在此基礎(chǔ)上可以繼續(xù)提出:在研究電阻對(duì)電流的影響時(shí),如何控制電壓?需要哪些器材?該設(shè)計(jì)怎樣的電路?在這些問題[4]的引導(dǎo)下,學(xué)生的思維節(jié)奏變得嚴(yán)密而有序,在培養(yǎng)學(xué)生解決問題能力的同時(shí),也提高了學(xué)生的思維能力和探究精神.

2.3 努力引進(jìn)學(xué)生的“自組織”過程

學(xué)生的思維是一個(gè)復(fù)雜的開放系統(tǒng),存在著“自組織”(也稱“自催化”)機(jī)制,可以把從外界吸收來的物理實(shí)驗(yàn)信息經(jīng)過處理加工,使各個(gè)信息單元有機(jī)地結(jié)合起來,形成知識(shí)鏈,納入大腦的知識(shí)結(jié)構(gòu)中.譬如講授“楞次定律”演示實(shí)驗(yàn)[2]393-397時(shí),學(xué)生掌握楞次定律的關(guān)鍵是對(duì)“阻礙”含義的理解,學(xué)生受習(xí)慣思維的干擾,常把“阻礙”理解為“相反”.這樣,教學(xué)中就可以邊演示實(shí)驗(yàn)邊提出:閉合回路中原磁場(chǎng)方向是怎樣?再提出:閉合回路中原磁場(chǎng)的磁通量是怎樣變化?最后提出:閉合回路中原磁場(chǎng)的磁通量增加時(shí),感生電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向怎樣?減少時(shí)又怎樣呢?這些教師精心設(shè)計(jì)出的問題,能使學(xué)生思維產(chǎn)生不平衡,在這些問題引導(dǎo)下,通過正反饋使學(xué)生思維的不平衡變強(qiáng),達(dá)到一定的值(即“分叉點(diǎn)”)時(shí),學(xué)生的思維就會(huì)產(chǎn)生突變,能順利找到攻克難點(diǎn)的新路徑,接通新的聯(lián)系,產(chǎn)生頓悟和突破.通過討論、演示,學(xué)生出現(xiàn)“豁然開朗”、“我明白了”的感覺,真正認(rèn)識(shí)到“兩磁場(chǎng)方向間具有‘增反減同’的規(guī)律”.

[1] 黃潤(rùn)生.混沌及其應(yīng)用[M].武漢:武漢大學(xué)出版社,2000.

[2] 程守洙,江之永.普通物理學(xué)[M].北京:高等教育出版社,2006.

[3] 趙述哲,楊坤,于金華.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)[M].沈陽(yáng):遼寧大學(xué)出版社,1997.

[4] 施明莉.物理教學(xué)中有關(guān)問題設(shè)計(jì)[J].考試周刊,2007(1):85.

Analysis on Physics Exper iment Teach ing on the Bases of D issipative Structure Theory

YANG Kun1,SUN Li-yuan2

(1.Department of M athematics and Physics,Shenyang University of Chem ical Technology,Liaoning110142,China;2.College of Science,Shenyang Aerospace University,Liaoning110136,China)

Based on dissipating structure theory,analyze and explore on how to use the theory to guide physics experiment teaching,and combine concrete teaching content of physics experiment courses,show that the effective use of fluctuation can make experiment teachingmore orderly,and that being far away from state of balance can add teaching vigor,thereby the quality of physics exper iment teaching can be improved notably.

dissipative structures;mutation;self-organization;state of balance;fluctuation

G642.423

A

1007-0834(2010)04-0055-02

10.3969/j.issn.1007-0834.2010.04.019

2010-06-16

楊 坤(1962—),女,遼寧沈陽(yáng)人,沈陽(yáng)化工大學(xué)數(shù)理系副教授,主要研究方向:大學(xué)物理理論及實(shí)驗(yàn).