基于耗散结构理论的物理实验教学分析

杨 坤,孙丽媛

(1.沈阳化工大学数理系,辽宁沈阳 110142;2.沈阳航空航天大学理学院,辽宁沈阳 110136)

基于耗散结构理论的物理实验教学分析

杨 坤1,孙丽媛2

(1.沈阳化工大学数理系,辽宁沈阳 110142;2.沈阳航空航天大学理学院,辽宁沈阳 110136)

依托耗散结构理论,分析探索如何用该理论指导物理实验教学,并结合具体物理实验教学内容,说明有效地利用涨落能使实验教学更加有序,远离平衡态增加教学活力,从而使物理实验教学质量得到显著提高.

耗散结构;突变;自组织;平衡态;涨落

1 耗散结构理论的基本观点

比利时学者普利高津在耗散结构理论中指出:一个远离平衡态的非线性开放系统(不管是力学的、化学的、物理的、生物的,还是社会的、经济的系统)通过不断地与外界交换物质与能量,在系统内部某个参量的变化达到一定的阈值(临界值)时,通过涨落,系统可能发生突变即非平衡相变,由原来的混沌无序状态转变为一种在时间上、空间上或功能上的有序状态.量变可能引起质变,系统可能从原来的混沌、无序状态转变为有序状态.有序的组织可以通过一个“自组织”过程从无序和混沌中“自发地”产生出来,显然,“自组织”是通过突变过程而完成,这个突变发生在系统从混沌状态转变为有序的耗散结构状态的“分叉点”上,在发生突变之前,系统通过正反馈与外界物质交换能量,使有序状态参量不断增强,过临界值(分叉点)时,系统便进入高一级的新的结构状态,这种在远离平衡态情况下所形成的新的有序结构,普利高津把它称为“耗散结构”[1]29-30.

2 耗散结构理论指导物理实验教学的理论分析与实践

耗散结构理论是研究远离平衡状态的开放系统从无序到有序演化规律的一种理论.现代教育科学研究认为,人脑系统是耗散结构,耗散结构就好像一锅水被加热(均匀受热)到一定程度时,锅底会产生一层极规则且稳定的由小气泡组成的六角形蜂窝状结构,是一种不同于我们通常所见的结构.这种结构的特点在于,必须不停地施予能量与物质流,否则就将消失,这就是耗散结构.而耗散结构理论认为,一个远离平衡态的耗散结构,要从低级状态进入高级状态、从无序走向有序,必须对外开放,必须频繁地与环境进行物质、能量和信息的交流[1]23-29.正在成长中的学生的大脑就是远离平衡态的耗散结构,所以,把耗散结构理论应用于学生物理实验过程,笔者认为教师必须在教学中做到:①使学生的大脑思维系统充分开放,科学合理地减少遗忘;②使学生的大脑思维远离平衡状态,从小涨落变为大涨落;③充分发挥学生的主体作用,努力促进学生的“自组织”过程,让学生的主导作用充分发挥出来.做到这些才能使学生根据物理实验理论的内涵、本质及内在的相互联系,把已有的表面上杂乱无序的理论,逐步变成有序的知识结构,使学生对所做物理实验的认知从混沌逐步转变为有序,才会使物理实验教学出现崭新面貌,才能谈到提高物理实验教学质量.

2.1 使学生的思维系统充分开放

在物理实验教学中,必须想方设法地促进学生思维系统的全方位开放,使学生的大脑处于积极主动的思维状态,只有充分开放才能使学生大脑的认知结构越来越有序.这是因为有序的结构需要输入物质、能量或信息,并与外界不断地进行交换才能维持.物理学中热力学第二定律指出:孤立系统(封闭系统)的发展趋向是使系统的熵增加,就是说趋于无序,最终达到热平衡均匀的“混沌”状态[2]234-238.而在物理实验教学过程中,学生大脑的认知结构是从无序变得越来越有序,主要是因为在教学过程中要不断地从外界输入“负熵流”,从而抵消了大脑中正的熵值增加,使大脑中“总的熵变”不断减少.如果学生大脑系统不对外开放,或者开放不大,不能使负熵流抵消大脑本身的熵增加,最终大脑仍是无序的[1]240-243.因为学生的大脑在学习时也是一个开放系统,一方面大脑不断地吸收大量的新知识信息,另一方面大脑对旧知识信息会产生遗忘(螺旋测微计、游标卡尺的使用方法就有可能遗忘),吸收新信息使大脑的熵减少,遗忘又使大脑的熵增加.如果能在不断学习新内容的同时又能运用、巩固旧知识,就会使遗忘减少到最小.这就需要我们注重培养学生的非智力因素,包括他们学习物理的兴趣、信心等,使学生想上、愿意上物理实验课.另外,教师还要创造条件正确引导、促进学生思维系统充分开放,要让学生主动地动眼观察、动耳聆听、动笔记录、动脑思考、动口表述,使信息流(负熵流)从各个渠道输入大脑,使大脑处于积极思维的状态,从而使学生产生足够的学习积极性.

2.2 使学生的思维远离平衡状态

普利高津认为非平衡是有序之源.学生物理实验水平的不断提高,是因为在大脑的认知结构中,原有物理实验理论的平衡状态被外来的刺激所打破,发生了“同化”或深刻的“顺应”作用,使原有的实验理论得到充实或改革,达到新的水平或新的平衡.普利高津还认为在非平衡状态下,系统对于内部和外部的涨落都非常敏感,系统内的各“元素”都表现出密切的“相干性”.在物理实验教学中,如果学生的思维都处于高度的不平衡状态,那么学生、教师之间就会产生强烈的共鸣,使教师得心应手、事半功倍.反之,教师不善于打破学生思维上的平衡状态,无论教师准备得如何充分、教学实验设备如何先进,学生仍然感到似是而非,课堂中的信息传递也会终止,就会出现“死”平衡,根本谈不上所学的物理实验理论能向有序方向转化.所以,课堂上教师必须多渠道增加物理实验信息的输入量,不断地更新实验教学手段和教学方法,使整个物理实验教学始终处于远离平衡态.根据学生的反馈,一般可以采用悬念实验法、强刺激实验法、问题疏导实验法等有针对性的实验指导方法,使学生获得的物理实验方法发生涨落,刺激学生的大脑皮层,打破实验教学过程中呆板、沉闷、无趣的不良状态.例如学生在测密度[3]31-33前,对各种物质密度的认识处于混沌状态.我们不妨问学生:怎样知道一杯水的质量?学生会立即回答:用天平称.问:一桶水呢?学生会立即回答:用天平一杯一杯称,然后加起来.接着问:如果想知道一个水库里水的质量呢?学生往往答不上来.这时,就可以告诉学生说:只要会测定物体密度,这个问题就能迎刃而解,于是学生就会带着急切需要解决的问题或者以好奇的心情去做密度实验.这时,进一步要求学生对铜棒、玻璃环、一杯水的质量和体积进行测量,算一算质量与体积的比值,然后再找几个不同的铜棒、玻璃环、几杯水再测量、再计算,要求学生探索上述实验数据的规律性.学生就会悟出:同一物质所算比值相同,不同物质所算比值不同,于是学生的知识结构达到初步有序.为达到“分叉点”,可以接着问学生:这个比值可以用来区别物质吗?学生会答:可以,它是物质的一种特性,这个比值大小反映了物质质量集中程度.于是学生不仅学会测密度,还建立了物质密度的有序知识结构,同时,也能算出一个水库里水的质量了.再如指导“欧姆定律应用”实验[3]55-58时,要研究电路中的电流与电压、电阻的关系.因为影响因素有两个,所以如果要求学生设计出研究这两个因素对电流影响的实验方案,确实有一定难度.这就需要采用容易使学生平衡的思维迅速出现很大的不平衡的问题疏导教学法,让学生从质疑开始,由浅入深地提出问题来开启学生思维,可以具体地提出:影响电流的因素有几个?为诱发学生思考,可以继续追问:在这种情况下要研究其中某一个因素对电流的影响需要用什么研究方法?以此来开发学生智能,接着可以提出:在研究电压对电流的影响时,如何控制电阻?需要哪些器材?该设计怎样的电路?层层深入地提出问题,让学生在实验过程中,始终处于不断产生矛盾又不断解决矛盾的动态过程.在此基础上可以继续提出:在研究电阻对电流的影响时,如何控制电压?需要哪些器材?该设计怎样的电路?在这些问题[4]的引导下,学生的思维节奏变得严密而有序,在培养学生解决问题能力的同时,也提高了学生的思维能力和探究精神.

2.3 努力引进学生的“自组织”过程

学生的思维是一个复杂的开放系统,存在着“自组织”(也称“自催化”)机制,可以把从外界吸收来的物理实验信息经过处理加工,使各个信息单元有机地结合起来,形成知识链,纳入大脑的知识结构中.譬如讲授“楞次定律”演示实验[2]393-397时,学生掌握楞次定律的关键是对“阻碍”含义的理解,学生受习惯思维的干扰,常把“阻碍”理解为“相反”.这样,教学中就可以边演示实验边提出:闭合回路中原磁场方向是怎样?再提出:闭合回路中原磁场的磁通量是怎样变化?最后提出:闭合回路中原磁场的磁通量增加时,感生电流产生的磁场方向怎样?减少时又怎样呢?这些教师精心设计出的问题,能使学生思维产生不平衡,在这些问题引导下,通过正反馈使学生思维的不平衡变强,达到一定的值(即“分叉点”)时,学生的思维就会产生突变,能顺利找到攻克难点的新路径,接通新的联系,产生顿悟和突破.通过讨论、演示,学生出现“豁然开朗”、“我明白了”的感觉,真正认识到“两磁场方向间具有‘增反减同’的规律”.

[1] 黄润生.混沌及其应用[M].武汉:武汉大学出版社,2000.

[2] 程守洙,江之永.普通物理学[M].北京:高等教育出版社,2006.

[3] 赵述哲,杨坤,于金华.大学物理实验[M].沈阳:辽宁大学出版社,1997.

[4] 施明莉.物理教学中有关问题设计[J].考试周刊,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

杨 坤(1962—),女,辽宁沈阳人,沈阳化工大学数理系副教授,主要研究方向:大学物理理论及实验.