复杂科学思想对物理教学改革的启迪，本文主要内容关键词为：教学改革论文,启迪论文,物理论文,思想论文,科学论文，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。
复杂科学是20世纪后期兴起的用来研究复杂系统和复杂性的一门方兴未艾的交叉学科，是当今世界科学发展的热点和前沿。复杂科学主要强调如何按照事物本来的复杂面目去认识和把握研究对象，提出了自牛顿以来一直主导着的还原性思维、线性的因果链研究解释不了的新观点、新思想、新方法。目前复杂科学的研究和应用正在向各个学科渗透，它必将对指导我们正在进行的新课程的开发、实施具有重要现实意义。把复杂科学的思想与中学物理教学改革结合起来，对于进一步搞好物理教学改革无疑会带来更多的启迪。
一、复杂科学的基本观点
复杂科学的出现，为我们重新构建现代科学的研究体系，改变人们的思维方式，以全新的视角去研究当今的教育复杂性问题、探索教育研究、指导新课程改革，指出了一条对各类学科（包括物理教学在内）具有普遍意义的路径和方法。复杂科学的内容丰富，主要有以下一些基本观点。
1.非线性理论
线性是指量与量之间的正比关系，这是用一根直线表征的关系。近代自然科学正是从研究线性系统这种简单对象开始的，而且在对待实际复杂问题的研究中也总是力求在忽略非线性因素的前提下做线性化处理。由此得出结论说，线性系统才是科学探索的基本对象，线性问题才有了理论体系。复杂科学告诉我们，宇宙间大量的问题是非线性的，任何一个表面上看来设计完美的方案在实际操作中都将不可避免地产生许多意想不到的结果。生态学和混沌学家罗伯特·梅认为，目前全世界标准的科学教育，向人们灌输的是关于世界图景的偏见和歪曲的印象。不管线性的教学获得了多大的成功，都只能给学生一个关于实际大自然普遍存在的非线性事实的失真形象。所以他向一切有文化的人呼吁，不仅在研究工作中，而且在日常生活中，包括政治、经济生活中，“如果更多的人了解到这最简单的非线性系统也未必有简单的动力性质，会大有裨益”。如果我们能早日向中学生讲一些非线性知识，那将会使一切变得更好。
2.整体性和非还原论
系统的非还原性表现在客观事物某种运动或性态跨越层次后整合而成的不可还原的新性态和相互关系上。教育的组织系统的运行、生命的进程、人类文明的兴衰、经济领域的“报酬通增率”、社会的变迁……都是牛顿以来一直主导着的还原性思维研究解释不了的。复杂科学告诉我们：整体大于部分相加之和，即当一些组元组成一个系统时，它就会出现一些它的个体（组元）所没有的性质，对此，还原论是认为系统等于组成部分之和，但人们发现由于系统在永恒变化的过程中经历了跃变，非线性之后整体已经具备了不同于各层次、各因素的新性状，对部分的研究再也不能揭示整体的属性，所以人们再也不能采用还原论方法，而必须采用一种整体论的方法才能了解复杂系统。
3.非机械决定论
牛顿经典力学的巨大成功，使人们可以深刻把握并精确预言某些现象，即便是预言时与实际出现一点误差，也不过是很小的一点误差。牛顿主导的决定论思想，是建立在简单系统某些性质的可确定性之上的。然而对于复杂系统而言，其演化过程的预测一般是不可能的，尤其是长期演化的结果是不确定的。著名的“蝴蝶效应”说明了这一点。复杂科学告诉我们，凡是非线性、非稳态的复杂系统，其演化发展的过程及结果对初始条件有高度敏感性和依赖性，常常具有不确定性，是人们很难预测的。但是，我们不能因为难以预测而放弃努力。在这方面，发现蝴蝶效应的洛伦兹为我们树立了既有智慧提出问题，又有勇气探索前进的榜样。“假如他在蝴蝶效应上止步不前，使可预言性让位于纯粹性的随机性，那洛伦兹只不过是制造了一则坏消息。然而洛伦兹在自己的天气模型中看到了比随机性更多的内在东西，他看到了一种细致几何结构，看见有序化装成随机。”这意味着，我们绝不能忽视那些看起来微不足道的现象，在变化的随机性中找到虽有限却是有用的有序性。从无序中看出有序，从复杂中发现简单，这是探索复杂性的基本原因。正如普利高津所深刻指出的那样：“科学的进步是由于把现实的复杂性归结为隐藏着的合法的简单性。”我们应从纷繁复杂的现象中，发现其深层的、有限的有序性、简单性、相似性、周期性、确定性、稳定性，一个遵循辩证法的世界。
二、复杂科学思想对物理教学改革的启迪
物理是一门基础自然科学，它所研究的是物质的基本结构、最普遍的相互作用、最一般的运动规律以及所使用的实验手段和思维方法。物理中的概念和规律大多是通过观察、实验、抽象、假设、归纳等研究方法，并经实践的检验而建立起来的，反映了客观事物现象的相互联系及其规律。复杂科学思想要求用整体的、全面的观念去把握问题本质，对于物理教学改革有重要的方法论指导价值。
1.完善教学目标
在中学物理教学中，制定全面、清晰、合理、操作性强的教学目标体系，是实施素质教育的首要环节。过去物理教学中过分强调认知性目标，强调知识的价值是本位的、首位的，智力、能力、情感、态度等其他方面的价值相对而言是附属的，将物理知识与技能的掌握作为教学所关注的中心，忽视了对学习过程的把握。依据复杂科学思想，教学目标应从多个维度上来整体把握，应考虑教学对象是活生生的人。《普通高中物理课程标准（实验）》则指出：“高中物理课程应体现物理学自身及其文化、经济和社会互动发展的时代性要求，肩负起提高学生科学素养，促进学生全面发展的重任。”应从知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观三个维度上来设计教学目标，这与复杂科学思想相符。因此在乎时教学中，教师要转变角色，更多强调学生学习的自主性、探究性、合作性，引导学生在处理实际问题时能充分考虑各因素问的相互作用和相互影响，正确地分清主要矛盾和次要矛盾，合理进行取舍，构建出符合实际的物理概念和物理规律。
2.丰富教学内容
在中学物理教学内容的选择上，我国基本上是以经典的内容为主，而且知识的编排历来是思路清晰，逻辑体系严密，一些方程、公式、结论很少有可挑剔的地方，但在这些内容的叙述上，在实验器材的安排、例题和习题的安排等方面给教师和学生空间与余地比较小，反映出一种非此即彼的机械决定论思想。这种思想与新课程下物理教学改革中所提倡的以人的发展为本的教育理念是不相符合的。此次物理课程标准中，在课程内容上体现了时代性、基础性和选择性，加强了与学生生活、现代社会及科技发展的联系，并且将内容标准分为必修与选修模块。在新教材内容的编排上安排了一些灵活多样的自主学习内容和课题研究等，体现了一些复杂科学的思想，但笔者认为这种思想渗透还应加大力度，应采取一些有效的方法（如课内讲解时渗透或开设校本课程等）向中学生介绍反映现代物理学发展的科学方法（如非线性、混沌、分形等），将复杂科学思想分层次、有步骤地引入到学生的学习和生活中。
3.整体把握教学设计
教学设计是对由学生、教师、教学内容、教学方法和教学媒体构成的教学系统的优化设计。传统的教学设计是在教师、学生和教学资料这样一个简单系统中进行的，即以“教”为中心而展开的，它具有线性性、确定性、封闭性和负反馈性等特征，但这与以“学”为中心的、以人为本的现代教学设计具有鲜明的不协调性。因为实际的教学活动是一个动态的发展过程，教学过程充满混沌性，课堂中的任一偶发事件或对教学目标的微小偏离、对学生现状等了解不足，都会使教学过程产生较大的变化。然而有不少教师对同一教材，虽教过多次，可教学设计却始终不变。依据复杂科学思想，教师在教学设计时必须注重对物理概念、规律发生、发展及其适用范围的理解，认真研究教学内容和学生知识基础、思维能力、心理状况等，充分考虑多种因素，精心设计符合实际的各种开放性的设计方案，保证师生多向互动与交流，并能及时灵活地调整教学设计方案，摆脱牛顿倡导的机械决定论，使之成为一个似无序实有规律的混沌教学系统，把教学设计推向一个非线性的思维模型中，进而形成以线性和非线性互相支持又各具特色的教学设计的整体观念。
4.改善教与学的方式
传统教学追求教学急功近利的“质量”绩效，过分重视对少数尖子学生的培养而轻视对大部分学生的教学，把教学看成是注重以教师为中心的、知识传授为主的单一化、刻板化、程式化的线性模式。尼尔斯·玻尔说过：“物理学所涉及的就是我们对于自然界所能说的东西。”世界在本质上是非线性的，然而中学物理对世界的描述，在可能的范围内采取“线性”近似的方法（如简谐运动、胡克定律、欧姆定律）也未尝不可，而且这种线性近似在很大范围内是成功的。但是我们作为物理教师必须认识到线性关系是非线性关系的简化或在某一范围内的特殊情况。如由研究弹性形变过渡到一般的形变、光在均匀介质中的传播过渡到在非均匀介质中的传播、简谐运动到一般机械振动等，就必须运用非线性思想。因此在教学过程中必须适时渗透复杂科学思想。首先在讲课中开些“窗口”，不能把中学物理的概念讲得太“肯定”，讲得太死，其内容也不要讲得太“完美”，以防学生误认为物理学就是教材上写的、课堂上讲的东西。实际上，随着学生思维水平的不断提高，从初中到高中物理的教材中的一些概念（如摩擦力、速度等）也在不断深化、完整；随着科学技术的发展，不少概念又在发生一些变化，这一点作为教师必须明白。其次，要改变细嚼慢咽的传统讲课方式，即要改变教师把所教内容讲深讲透、把课堂内容组织得井井有条、对教学内容的每个细节都做详尽的解说、对学生可能发生的误解一一予以告诫和反复强调、对内容的取舍也谨小慎微的封闭式的教育方式。要重视学习中的“相互作用”，允许学生有暂时想不通的问题存在，加强教学形式的开放性等。再次，教学中要加强前后知识的相互联系，努力构建完整知识网络体系，对所学知识进行重组和完善。最后，要改变灌输式的传统教学方式。教学是师生双方的活动，教学活动不可能还原为“教”与“学”的单边线性思维行为，必须是师生间相互交流、对话和沟通，必须与教学资源发生相互作用。
依据复杂科学的思想，对于物理教学来说，因为它的教学对象是活生生的人，在某些方面比物理本身还要复杂得多。因此，教师在整个教学过程中应是一个组织者、引导者、帮助者和促进者，课堂上应建构多样化教学方式，克服自身封闭性，积极创设真实的事例或真实问题情境，尊重个性、充分发挥学生主观能动性，多角度、多方位引导学生进行自主学习、探究学习、合作学习，特别是研究性学习，使学生对物理概念和规律的非线性形成过程有个亲身的体验或实践，真正懂得概念的复杂性和实际事例间的差异性，提高分析和解决实际问题的能力。
5.发展学生非线性思想
由于一个人认识的发展总是从简单事物开始，所以在科学发展的早期，往往从线性关系来认识自然、研究自然事物之间的线性相互作用。例如，在经典物现学中，首先考察的是未超过弹性限度的胡克定律，没有摩擦的理想运动、理想摆，没有粘滞性的理想流体、光的传播等。可以说，经典物理学实质上是线性物理学。线性科学思想对物理学的发展起着十分重要的作用，从而认为线性思想才是认识和解决问题的普遍方法，然后线性科学思想的长期发展，形成了一种扭曲的认识或科学思想，阻碍了人们思维的发展，扼杀了创新思维，19世纪末至20世纪初未见新物理事实的发展，便是一个例证。我们可以做简单的论证，一个周期性的学习过程和思维过程只能是重复原来的思路和方式进行下去，只能达到熟练，不会出现峰回路转。而非线性问题、非线性方程往往是桀骜不驯、个性很强的，往往带有明显的问题性和突变性，很难找到普遍的解决方法，只能对具体问题进行具体分析，针对个别问题的特点采取特殊的处理方法。要使学生有创新的思想，必须打破周期性的线性思维框架，使思维有分岔而产生混沌。复杂科学告诉我们，关键在于从分岔到混沌的过程，平常我们所说的灵感实际是一种阵发性混沌，它是长期思索，是一种非线性思维的结果，它是我们在思索过程中多次否定、多次寻找、多次反复的必然结果。像牛顿从苹果落地到发现万有引力定律，贝尔从电报到发明电话机，法拉第发现电磁感应，爱因斯坦的相对论，量子力学的建立等，都是科学家进行非线性思维的成果。如果我们的教学能多教给学生一些非线性思想，学生的思维就会有更多的跃迁，更多的创新思想，就会使学生的思维更加全面、深刻。
6.深化教学评价的改革
教学评价是以教学目标为依据，对教学过程及结果进行测评的过程，具有诊断、激励、反馈调控和再学习等功能。传统的教学评价，重结果轻过程、重知识轻能力，往往通过考试的成绩来评价一个教师的好坏或学生的好坏，评价手段单一。依据复杂科学思想，教学是为人而设、由人而为的事物，评价的复杂性不仅体现在教学者和被教学者这个主体——人的复杂性，还体现与人息息相关的外部环境的复杂多变上，这种系统与部分之间的非线性相互作用使得教学评价应是整体的、动态的、开放的、发展的、多元的。既要对知识与技能进行测评，又要对过程与方法、情感态度与价值观进行衡量；既要对过程进行评价，又要对结果进行评价；既要对“量的研究”进行评价，又要对“质的研究”进行评价；既要对自己进行评价，又要对他人进行评价；既要有静态的评价，又要有动态的评价、发展性评价。只有这样，才能真正实现教学评价的功能。
复杂科学作为近代兴起的一门交叉学科，所蕴含的思想和方法论意义非常深远，对我们更新教学观念，转变角色，推进中学物理教学改革，培养复合型人才，提供了有力依据。每个物理教师都应理解复杂科学的思想和方法论意义，使自己成为适应新课程的新一代教师。
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