有序原理在物理教學中的應用

管佩磊，李 巖

（1.深圳育才中學，廣東 深圳518067；2.大連教育學院 初中教師教育中心，遼寧 大連116021）

新一輪課程改革把培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神、實踐能力和健全人格作為基本課程目標。而創(chuàng)新精神的培養(yǎng)要以尊重學生個體差異、把握學生認知規(guī)律為基礎。有序原理是系統(tǒng)科學的三個原理之一，將有序原理應用于物理教學系統(tǒng)，有助于教師把握學生認知規(guī)律，提高課堂教學效率。

一、有序原理的內(nèi)涵

所謂“有序”，是指信息量或組織化程度走向增加，系統(tǒng)混亂度走向減少。系統(tǒng)由較低級的結(jié)構(gòu)變?yōu)檩^高級的結(jié)構(gòu)是有序，否則為無序。有序原理是指任何系統(tǒng)只有開放、有漲落、遠離平衡態(tài)才可能走向有序。沒有開放、沒有漲落、處于平衡態(tài)的系統(tǒng)要走向有序是不可能的。

二、有序原理下的物理教學

我們可以將課堂教學活動看作師生思維、行為協(xié)調(diào)合作的教學系統(tǒng)。根據(jù)有序原理，教學系統(tǒng)要具有開放性，并不斷地遠離平衡態(tài)，這樣才能實現(xiàn)有效教學，促進學生思維發(fā)展。例如，在課堂教學過程中，教師要考慮到學生思維認知特點，傳授知識時要由淺入深、循序漸進，使學生的思維從混沌、懵懂逐漸轉(zhuǎn)化為清晰、明確，從而實現(xiàn)有效教學。當學生所掌握的知識不能滿足對某問題或現(xiàn)象的解釋時，原有的知識儲備平衡態(tài)就會被打破，學生對于新知識的認知模塊與外界相互作用，發(fā)生同化、順應，從而使認知結(jié)構(gòu)逐步走向新的平衡。在以后的學習中再次遇到新知識時，已有的認知平衡又被打破，繼而再次走向同化、順應，直至新平衡出現(xiàn)。

三、將有序原理應用于物理教學應把握的幾個問題

1.有效把握學生認知發(fā)展規(guī)律

圖式、同化、順應、平衡體現(xiàn)了學生認知發(fā)展的基本規(guī)律。圖式是指人的認知結(jié)構(gòu)；同化是把外部環(huán)境中的有關信息吸收進來并結(jié)合到自身的圖式中；順應是指無法同化時所引起的圖式重組與改造；平衡是指同化和順應兩種活動之間的平衡。[1]教師在物理教學過程中，只有了解學生的認知特點及發(fā)展規(guī)律，才能將學生現(xiàn)有的知識經(jīng)驗作為生長點，引導他們從原有的知識經(jīng)驗中“生長”出新的知識。在這個過程中，利用有序原理能夠有效地把握學生的認知發(fā)展規(guī)律。

以“光學”教學為例，學生對光現(xiàn)象的認識過程是：自然光沿直線傳播——光在均勻透明介質(zhì)中沿直線傳播——光的折射——自然光是由多種單色光組成的混合光——光的干涉衍射——波粒二象性。

在學習“自然光沿直線傳播”之前，學生的大腦對“光”的認知除了生活中的感性認識外，幾乎沒有其他認知模塊，是一種近似空白的平衡態(tài)。當他們在日常生活中看到影子、日食、小孔成像等現(xiàn)象時開始思考光是如何傳播的，再通過探究激光在固、液、氣三態(tài)中傳播路徑的特點，頭腦中形成“光是沿直線傳播”的初步認識。此時認知模塊在潛意識里會發(fā)生同化、順應，形成“光是沿直線傳播”的認知模塊，從而達到一種認知上的新平衡。但這種平衡態(tài)是暫時的，當學生發(fā)現(xiàn)光在穿過玻璃、棱鏡時發(fā)生了偏折，與原有的認知模塊里的“光是沿直線傳播”的認知形成了矛盾，于是原來的認知模塊不斷進行拓展、更新，達到一種新的更高一級的平衡態(tài)，即“光在均勻透明的介質(zhì)中是沿直線傳播的”。在高中學習中，原有的認知模塊平衡態(tài)又不能解釋新的問題，認知平衡態(tài)又被打破，于是出現(xiàn)周期性的螺旋上升式循環(huán)：認知平衡態(tài)——遠離平衡態(tài)——同化——順應——新平衡態(tài)——遠離平衡態(tài)……這樣周期性適度遠離平衡態(tài)又達到新平衡態(tài)的過程，逐層遞進式地實現(xiàn)了知識模塊的擴容，同時也提高了學生的學習能力。

如果學生在剛剛學完“光是沿直線傳播”這一知識，教師就簡單地按照“遠離平衡態(tài)為有序”的觀點，直接將認知結(jié)構(gòu)提升到“波粒二象性”這種認知水平，學生就會很難理解，出現(xiàn)認知屏障。因為這種過度遠離平衡態(tài)的物理知識已經(jīng)遠遠超越了學生的認知范疇，在一段很長的時間內(nèi)，學生在認知上產(chǎn)生的矛盾得不到同化、順應，因而無法達到新的認知平衡態(tài)。物理教材的編寫就是將每一個物理現(xiàn)象拆分為一個又一個“臺階”，以適應不同年齡、層次的學生。

2.合理進行 “惑”的設計

物理課堂中的“惑”是由于學生學習過程中出現(xiàn)信息不對稱引起的，它與學生認知結(jié)構(gòu)中關于物理知識儲存量有關。當學生用已有的知識儲備不能順利解釋實際物理問題時，學生的認知系統(tǒng)逐漸遠離平衡態(tài)，此時“惑”就會產(chǎn)生。學生的已有信息越匱乏，就越想解決問題，此時各種感官處于高度活躍狀態(tài)，能夠較快地接受新信息。作為物理教師，在了解了學生的認知規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了學生無法突破的知識難點時，要能夠?qū)㈦y題拆分為多個簡單化的小問題。那么怎樣才能降低問題的難度而又讓學生不失興趣呢？這就需要在課堂設計中進行“惑”的設計。[2]

現(xiàn)以解決做功問題為例進行“惑”的設計：學生在初中階段學了“恒力對物體做功W ＝Fs”這一知識，但對力與位移不共線的情況感到茫然。教師可以設計一些“惑”，為學生設置適當?shù)呐_階，使學生進行逐一分析。如提問：W ＝Fs適用條件是力是恒力且與位移處在同一方向上，如果這個恒力與物體的位移不在同一條直線上如何來求功呢？學生的知識模塊里沒有處理這種問題的經(jīng)驗，認知發(fā)生沖突，求知欲增強。此時教師不要急于告訴學生答案，首先設問，“作用在物體上的這個力的效果是什么？”然后再追問，“我們可以借助什么數(shù)學工具來解決？”最后使學生自我建構(gòu)出求功公式——W ＝Fscosθ。經(jīng)過一系列課堂練習，再進行拓展提問：“如果物體受到變力作用，那么這個功又該如何求呢？”再一次使學生的認知系統(tǒng)偏離平衡態(tài)，引發(fā)認知沖突，逐漸推進學生的認知模塊的擴容，達到新的認知平衡態(tài)。由此可見，針對學生實際情況，在恰當之處設計“惑”，可以有效突破學生的認知屏障，提高課堂教學效率。

3.適時將“負熵”引入教學系統(tǒng)

由熱力學第二定律可知，熵是系統(tǒng)混亂度的標志，無序性的度量。熵越大，越無序；熵越小，越有序。在教學系統(tǒng)中，如果教師與學生總處于封閉狀態(tài)，不與其他教師和班級進行信息交換，該教學系統(tǒng)無序程度（即“熵”）將逐漸增大?？梢灶A計，該教學系統(tǒng)將逐步走向混亂，導致教學低效。這時需要從外界引入“負熵”（外界信息），且信息量要大于內(nèi)部教學系統(tǒng)的“熵”的增加量，這樣才會使系統(tǒng)重新達到平衡態(tài)，從而向有序方向發(fā)展。

如何引進“負熵”呢？一是教師要加強“同伴互助”，積極參與集體備課、校本研修等教研活動，在相互交流的過程中進行思維碰撞、取長補短；二是教師要廣泛閱讀，從書籍、報刊、網(wǎng)絡中獲取多元化的教育信息，積累多樣化的物理教學方法，以多種教學方式引導學生主動參與課內(nèi)教學活動；三是教師要集思廣益，設計豐富多彩的課外科技活動，拓展學生的視野，增強學生間的溝通與合作。這樣，大量負“熵”被引入教學系統(tǒng)中，教學系統(tǒng)信息量增加，始終處于有序的狀態(tài)，課堂教學效率就會顯著提高。

[1]楊國慶.認知結(jié)構(gòu)理論在中學數(shù)學教學中的應用[J].新教育，2010（21）：68.

[2]張詩亞.惑論——教學過程中認知發(fā)展突變論[M].重慶：西南師范大學出版社，2005：81－84.