试论耗散结构理论在物理教学中的应用，本文主要内容关键词为：试论论文,物理论文,理论论文,结构论文,教学中论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
1.耗散结构理论及其与物理学习的关系
1969年比利时学者普利高津首先提出和创立了“耗散结构”的概念和理论。耗散结构理论认为：一个远离非平衡状态的开放系统，只要通过不断的物质和能量交换，在外界条件变化达到一定的阈值时，系统就可以产生突变，从原有的混沌无序状态转变为更为高级的有序状态。根据耗散结构理论，人的学习过程实际上可以看成是输入负熵的过程。人脑可以看做是一个耗散结构，对从事学习过程中的学生来说，其大脑中知识熵的变化可分为两部分：由于不可避免的遗忘而产生的熵增加dis和由于学习时吸收信息而得到的负熵des，其关系为：ds=dis+des。根据物理学习的有序原理，学生学习物理的过程，实际上是将表面上杂乱无序的物理知识，根据其内涵、本质及内在相互联系，逐步变成有序的知识结构的过程。因此，如果将耗散结构理论应用到中学物理教学过程之中，将会更有效地提高教育教学的效率，给物理教学带来新的生机。
2.如何运用耗散结构理论指导物理教学
2.1 全方位开放学生的思维系统
耗散结构理论认为，提高系统的有序度的关键是系统的开放，只有开放系统才可能走向有序。任何一个系统只有处在开放状态时，通过与外界不断地进行物质、能量和信息的交流，系统才具有勃勃生机，才能不断向前发展。因此，在物理教学中，必须想方设法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，从而更加广泛而有效地摄入更多的信息。
要有效地开放学生的思维系统，必须拓展教学的时间和空间，拓宽教学的视野。把课堂教学和课外学习结合起来，把理论学习和观察实验联系起来；把物理教学从课堂延伸到课外、从校内扩展到校外。平时，让学生关注我们的日常生活、衣食住行，分析有哪些学过的物理知识和原理；通过各种媒介，了解物理学领域的最新进展；利用一些难得的机会，做一些有益的观察和思考。例如，让学生以“身边的物理”或“生活中的物理”为题，用学过的物理知识写一些科普小论文；让学生搜集报刊杂志或网上的与物理有关的科技新闻，在教室的学习园地或橱窗定期登载；利用预告的特定的天象或气象，进行有计划的观察和实验；利用外出郊游或参观等机会，做一些有益的调查和思考。记得有一次出现日食，我组织学生进行观察，学生以少有的热情踊跃参加，并且收获很大。有的学生在观察到日偏食时，发现树荫下树叶的缝隙间的亮斑是月牙形的（平时看到的是圆形的），这是无法从课本上得到的；有学生对此写出详细的观察日记；有学生在毕业后的来信深有感触地写道：“那次观察使我终身难忘，也从此使我坚定了学习物理的决心和信心。”
2.2 多渠道增加信息的输入量
首先要注意输入信息渠道的多样化，通过阅读、讨论、实验和练习等多种教学方法，运用录音、挂图、录像和电脑等多种教学媒体，尽可能让有关信息通过视、听、嗅和触等感觉器官多渠道地输入学生的大脑。例如在讲授“平抛运动”这一内容时，可以先做有关平抛运动的实验演示，让学生通过观察（看运动轨迹，听落地声音），得到一些有关“平抛运动”的感性认识：接着让学生分析课本上关于“平抛运动”的频闪照片，研究其运动特点——知其然；然后再让学生进行思考和讨论，研究“平抛运动”为什么有这些运动特点——知其所以然；在此基础上，还可以让学生观看有关的电脑多媒体课件，有声有色地模拟一些诸如“飞速丢炸弹”、“猎枪打动物”等有趣的问题；最后再配合教学内容做一些练习。这样讲授，多渠道地输入信息，使学生的多感官协同发挥作用，从而大大增加了信息输入量。
其次要注意教学方法的灵活性和多样化。机械单一的教学方法，学生会感到枯燥乏味，当然教学效果也就可想而知了。因此，必须讲究教学的艺术性，针对不同的内容、不同的学生、不同的时间，采取灵活多变的、切合实际的教学方法，从不同角度、用不同方式力求给学生提供生动形象、丰富有趣的信息，从而最大限度地激发学生的注意力，增强了输入信息的效率。例如，对一些物理规律的教学，可以采用“问题探究教学法”，以“提出问题——假设推测——活动验证——得出结论”为教学的一般模式，像进行“动能定理”、“闭合电路欧姆定律”、“楞次定律”等的教学时都可以用这种方法。而对一些以练习为主的习题课的教学，则可采用“创设情景教学法”，以“设疑生趣——初步分析——反馈矫正——强化训练——总结规律”为一般模式；对一些容易出错、易于混淆的问题，也可以用“导致悖论教学法”，以“引出问题——学生思考——出现矛盾——解决矛盾”为一般模式。对于一些属于知识性介绍的教学内容，也能用以“读——议——练——讲”为模式的“茶馆教学法”等。
2.3 设法构建思维的非稳态
普利高津认为：“非平衡是有序之源”。当系统处于远离平衡的非稳态时，更加有利于负熵流（信息量）的输入，从而达到更为有序的状态。在物理教学中，如果学生的思维处于高度的非平衡状态，怀着极大的兴趣参与学习活动的话，那么，学生和教师之间、学生与教材之间等都很容易发生共鸣，学生的认知结构就会随着认知矛盾的解决进入更高的有序状态。因而在物理教学中应根据学科特点、教学内容和学生的具体情况，想方设法构建思维的非平衡态。
首先，在新课的引入时，应努力做到新颖别致、扣人心弦，使之富有趣味性和启发性。例如，在讲授“动量定理”时，教师带着一只高高悬挂的鸡蛋进入课堂，学生的心也被高高悬挂了起来——教师想干什么呢？当演示鸡蛋从很高的地方落到海绵上却没打破时，学生心中的石头总算落了地；但随之又产生了更大的疑问——鸡蛋为什么不会打破呢？这时再来学习“动量定理”，效果就好多了。
其次，在课堂的讲授中，要力求生动形象，跌宕起伏，用多种方式以激发学生的学习情感。例如，在介绍有关摩擦的种类时，采用相声中“抖包袱”的手法，可设计这样一组提问：“我们用铅笔写字时笔与纸间发生的是什么摩擦？”（答：“滑动摩擦”）；“用钢笔写字时呢？”（答：“滑动摩擦”）；“用毛笔写字时呢？”（答：“也是滑动摩擦”）；再接着问：“用圆珠笔写字时呢？”学生也会不假思索地回答：“当然也是滑动摩擦。”但他们稍作思考后便发现有所不同了。通过这样的问答，学生很轻易地掌握了滑动摩擦和滚动摩擦的区别了。另外，在习题教学中笔者也常常故意设置一些悖论，让学生“上当”。例如，在学习了匀变速直线运动规律后，让学生做这样一道题目：一辆汽车在平直的公路上以20m/s的速度行驶，现遇到特殊情况需紧急刹车，汽车做匀减速直线运动，加速度大小为5.0m/s[2]。求汽车刹车后5.0s内的位移。绝大多数学生会很快地将已知条件代入位移公式
求得5.0s内汽车的位移为37.5m。教师可先公布这一答案，学生会欢呼雀跃。这时教师突然指出这一答案是错误的，学生们立即便被懵住了，整个教室一下子“凝固”了。此时学生注意力处于高度集中的状态，教师只要稍加提醒：“汽车刹车究竟用多长时间停下来呢？”学生马上就会反应过来。原来汽车在5.0s前已经停止运动了。这样不仅克服了物理教学中千篇一律、死板空洞的说教，而且极大地调动了学生学习物理的热情。
另外，在结课时也要注意不落俗套、简洁明快、承上启下，努力做到既能总结本节内容，又能为学习后面内容埋下伏笔，让学生产生继续学习的欲望。例如，在学完“光的波动性”这一单元知识时，可以模仿章回小说中每一回的结尾方法：“理论和实践都已证明光是一种波。可是正当人们为‘光的波动说’的胜利而庆贺时，半路上又杀出一个‘程咬金’，与‘光的波动说’发起了挑战。欲知详情如何，请大家课后预习‘光电效应’这一节。”
2.4 科学合理地减少遗忘量
根据耗散结构理论，要提高大脑的有序程度，还必须尽量减少因遗忘产生的熵增加，因此科学合理地减少遗忘也是提高学习有序性的重要手段。
为了有效地减少遗忘，一方面要注意信息输入的正确性和牢固性，即要求学生在学习时力求做到正确理解、深刻领会、融会贯通，决不能满足于一知半解、囫囵吞枣。特别是对于那些容易混淆的内容更是要理清其思路，辨别其异同，掌握其关键。在平时的物理教学中，必须注意方法的指导和能力的培养，例如，在学习圆周运动向心加速度的公式“
P=IU”进行对照学习，这样就容易掌握多了。在习题课上如果多介绍一些解题的思路和分析的方法，重视多解与多变的训练，也将有利于培养学生分析问题、解决问题的能力。
另一方面还必须科学合理地组织复习。古人云“学而时习之”，复习主要是要讲究“时”和“习”——首先要把握复习的时机，根据遗忘规律，针对不同的内容确定复习的时间，一般是在还没有完全遗忘时复习较好；但也不宜过早，因为一个物理概念或规律的理解和掌握是有一个过程的，要有一段时间的消化才行。其次要注意复习的方法，力求形式多样、多侧面、多角度地分析和总结，努力做到在复习巩固的同时又有新的认识、新的提高。对一些比较复杂的知识，有时还要进行多次复习才行。