自组织有序演化原理对教学工作的几点启示，本文主要内容关键词为：几点论文,教学工作论文,启示论文,原理论文,组织论文，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。
一、引言
六十年代末期，比利时物理学家普里高津在非线性非平衡态热力学研究的基础上，创立了耗散结构理论。随后，德国物理学家哈肯又建立了协同学。这两种理论，都是研究系统内诸多子系统自发合作运动导致系统宏观有序现象的，前者侧重于热力学分析，后者则偏重于统计原理应用。它们是当今物理学的自组织有序演化原理。这一原理具有很强的普适性，它不但适用于物理、化学、生物学过程和各种工程技术领域（例如油藏描述），而且还被广泛用来研究人类社会中各种自组织现象，是现代系统科学理论的重要组成部分。
学校的教学活动，是一种它组织过程，因为教学计划的制订和实施，都是在人工干预下完成的。然而，学生个人的学习，则是其大脑思维系统的自组织过程。学生获得的知识，是其思维系统自组织的结果。一个人的知识显然不可能在他人干预下便可直接得到的。从这个意义上说，学生是教学过程中的“主体”。诚然，在系统演化过程中，它组织与自组织之间不存在绝对的界限，二者有着合作关系。
本文主要应用自组织有序演化原理，尝试性地分析学生学习过程中其思维系统的自组织有序演化规律。试图从现代系统理论，探讨处于教学活动“主体”地位的学生的认知机理，这对于改进教学方法，提高教学质量，是有积极意义的。
为便于读者阅读和叙述的方便，下面先简要介绍耗散结构理论和协同学的自组织有序演化原理。
二、自组织有序演化原理
1.自组织有序演化概念
设系统由大量分子组成。各个分子的运动状态，是由分子独立的热运动和分子间关联运动共同决定的。当关联运动能量小于独立运动能量时，独立运动居主导地位，系统就处于混乱的无序的状态；当关联运动能量大于独立运动时，独立运动会受到很大约束，它要服从由关联形成的协同运动，于是系统就显示出有序的特征。这就是说，分子间相互作用（关联）会使大量分子自发地以一种很有组织的方式协同行动，克服自身的混乱状态，使系统产生宏观的有序结构。这就是从无序到有序的自组织有序演化现象。自然界还存在从一种有序结构转变为另一种有序结构的自组织有序演化过程。物理学中激光的形成，生物有机体的发育成长和物种进化，乃至市场经济的发展，都是自组织有序演化现象。值得指出的是，这些系统（激光、生物有机体和市场）都是非平衡的有序系统，都是与外界有物质、能量和信息交换的开放系统。以激光为例。激光物质中子系统是受激原子。众多的受激原子是同步发光的（协同行动）。它们所发射的光，不仅频率相同，而且相位、偏振状态和传播方向也完全一致，是一种高度有序的自组织现象。普通光源中各受激原子则是彼此独立地发光，其相位、偏振状态和传播方向都是无规则的，是一种无序现象。激光的形成，有赖于外界泵浦输入足够的能量。只有当原子数随能级分布反转并满足阈值条件时才有激光出现。可见激光系统是一种开放的不平衡的有序结构。下面再介绍自组织有序演化过程所遵守的规律，即自组织有序演化机理。
2.自组织有序演化机理
(1)自组织有序演化的条件和推动力：一个开放系统，当它所受外界作用足够强时，会运离原有的平衡态，进入非线性非平衡区而到达某种临界状态。这里临界状态是指子系统的独立运动与关联运动处于均势的状态。此时，系统原有状态虽已严重失稳，但系统仍保持在原状态。必须有某种推动力作用，才能使系统过渡到新态。提供这种初始推动力的，是系统内的起伏涨落或外界的扰动。这正如电子技术中双稳态电路的翻转需要外来触发脉冲一样。总之，系统的开放性和不平衡性是有序演化的必要条件，涨落或外界扰动是实现有序演化的推动力。
（2）序参量的出现及其非线性正反馈放大：在临界点上，系统的发展方向可有多种选择，即可能出现的新态不止一个，而有多个。因此，临界点也称作分叉点。在分叉点，每个分支代表系统一种新结构的“胚芽”，各种“胚芽”的特性是不相同的。由于某种“胚芽”能适应系统的动力学性质（或边界条件），因而具有存在的合理性，它会在多种“胚芽”的相互竞争中显示出优势，而其它“胚芽”则很快消亡。于是，表示这种占优势“胚芽”结构的参量会在系统整体特性上以所谓“序参量”（表示系统有序性的量）的形式显示出来，并获得其它子系统的响应而波及全系统。形象地说，子系统会以自发合作的方式追随着“序参量”，使“序参量”以非线性正反馈方式增长（称作“自催化”现象），最后“序参量”达到稳定值，系统也就过渡到新的状态。这种新状态是从幼小的“胚芽”（指起初只有少数子系统最先过渡到这种状态的情形）成长起来的，其成长过程是子系统间自发地相互合作、协同行动的自组织过程。例如在激光形成过程中，传播方向与光学谐振腔轴线方向一致的初始光子，就是占优势的一种“胚芽”（它满足谐振腔的边界条件），其数目迅速地增大，最后成为输出的激光。而沿其它方向传播的光子，则自生自灭。对于激光系统，序参量是电场强度（其方向与谐振腔轴线垂直）
（3）耗散结构：自组织起来的新结构，比原来的结构更加有序，但也需要消耗更多的能量才能维持，因而称之为耗散结构。耗散结构是开放系统的一种不平衡的具有一定功能的有序结构。
三、学生思维系统的自组织有序演化机制
1.人的认知结构，是一种耗散结构
人可看作是一种广义的开放系统。人不但与外界有物质和能量的交换，而且有信息交流，如果没有信息交流就变为“植物人”而不是通常意义下的人。人的思维是人脑独立的有意识活动。人的认知结构可以看作是一种耗散结构，因为人对客观事物的认识，是从知之不多到知之较多，再到知之甚多的不断深化的过程，这种过程可以看作是人脑思维系统的自组织有序演化过程。知之不多，就是人脑知识结构的无序性（不确定性）程度较高，对客观事物的反映缺乏规律性：知之较多，表示有序性（确定性）程度较高，对客观事物的反映较有规律性；知之甚多，则是达到高度有序化程度。人脑中形成的“看法”、“思想”和“观念”等等，就是表示人的认知结构有序化程度的“序参量”。通过人脑细胞（子系统）的自组织过程，人脑知识结构有序化程度得以提高，思维得以发展，永远不会停止在一个水平上。这些情况表明，人的认知结构是一种需要消耗能量才能维持的、具有一定功能的不平衡的有序结构，即耗散结构。
2.学生思维系统自组织有序演化框图
依据前面介绍的现代系统理论有关自组织有序演化的一般原理和人的认知结构的特点，学生学习过程中，其思维系统的有序演化过程，可用如下框图形象化地加以描述。
学生思维系统自组织有序演化过程方框图
四、对教学工作的几点启示
教师的主导教学和学生自主学习相结合，是教学活动的一项基本原则。根据前面对学生自主学习中思维系统自组织有序化过程的分析，教师在其主导教学中应注意些什么呢？下面对此作一探讨。
从学生思维系统演化图，可以看出影响思维过程和质量的一些参数（可称之为思维系统品质参数）是：①思维系统的开放程度；②思维系统离开平衡态的难易程度；③思维系统到达临界点所需外界信息刺激的阈值大小；④思维系统处于分叉点时，分支数目（即可供选择的发展方向的数目）的多少（数目多，发散性强）；⑤思维系统处于分叉点时，对外来扰动的敏感程度；⑥思维系统处于分叉点时，自身产生涨落（跳动）的能力；⑦序参量出现后，系统内非线性正反馈（自催化）能力的大小。这些品质参数，既与学生先天因素有关，也与学生所接受的教育和所处的环境等后天因素有关。教师应采取措施，促进学生思维品质的提高，具体的方法如下：
1.促使学生思维系统开放
经典热力学定律（熵增加原理）指出，与外界隔离的孤立系统，只能从有序走向无序，决不能从无序走向有序。与外界无物质交换但有能量交换的封闭系统，可以从无序向平衡有序转变。只有开放系统，才能从无序向不平衡有序结构（耗散结构）转变。一个人的聪明才智，只能在与外界不断交换信息、物质和能量的过程中，才能获得。
学生思维系统的开放，主要表现在具有强烈的求知欲望，学习时情绪饱满，兴趣浓厚；乐于和别人探讨问题，交换看法，喜欢阅读各种参考书，积极参加学术讨论会，主动捕获信息。教师应启发学生学习自觉性，要善于教书育人，增进师生感情。并通过演示、参观等活动，激发学生学习兴趣。教师要注意培养学生看参考书和参加学术交流活动的习惯，要鼓励学生勇于发表看法，包括与自己不同的看法，敢于向权威挑战，同时又要善于吸取他人长处。
2.促使学生思维系统远离平衡状态
热力学理论指出，系统处于平衡状态时，虽有可能出现平衡有序结构，但不能出现耗散结构。近平衡态（线性非平衡态）也不可能出现耗散结构。只有当系统远离平衡态，进入非线性非平衡区时，才可能出现耗散结构。从系统演化角度看，系统从旧态到新态的转变，都是旧态失稳的结果。在平衡态和近平衡态，系统的稳定性有确定的保障；在远离平衡态时，稳定性失去保障，才有可能发生状态转变。系统演化的内在根源，是各子系统间存在非线性相干作用。只有当系统内存在适当类型的非线性时，才可能形成耗散结构。
有学生思维活动中，伴随有满足、自得、合理之感者，表示其思维处于平衡态；若伴随有疑惑、惊奇、不可思议之感者，则表示其思维处于不平衡状态。外来信息的刺激，可使学生思维离开平衡态。当学生获得的信息与其“前概念”冲突或者在其前概念中还处于空白状态的时候，就会激发学生产生惊奇和不可思议的心理。
著名物理学家、诺贝尔奖金获得者费曼教授的作法是值得记取的：授课受用直观、易懂、生动、有趣的实例切入课题，讲述过程中最大限度地激励学生的想象力。使学生获得积极奋进的内驱力。有人说，他的授课犹如一个优秀的导游。
要注意避免平铺直叙，泛泛而谈，枯燥无味；也不要把任何一种理论绝对化、抽象化。否则都容易使学生思维处于平衡状态。
3.采用渗透式教学法，培养学生跳跃式、交叉式思维能力
渗透式教学，就是要联络各方面知识，前后穿插，交叉对比，而不过分强调传统的按步就班、循序渐进的原则。例如，在经典物理中，可以渗透近代物理前沿知识，在数学中可以渗透物理知识，物理中可渗透工程技术内容，等等。总之，不要过分强调学科、专业界限。这样做的好处，是可以培养学生动态思维习惯，考虑问题时思路开阔，可以实现所学的迁移，使知识活化，从而在学生思维系统有序演化过程中，较容易达到临界点，出现较多分支，容易产生意识跳动（涨落）并使之放大（自催化）。这种跳跃式、交叉式的思维方式是十分可贵的，是一种良好的思维品质。在历史上，物理学家德布洛衣受光的二象性现象启发，提出实物粒子波动性假设，就是渗透式思维的一个例子。在石油工业领域，最近有人提出将海洋石油开发技术移植到沙漠油田的设想，也是一种渗透式的思维。
4.采用框架式教学：讲清思路，适时点拨，指导自学，组织讨论
框架式教学，就是讲授要简明扼要，重点突出，不宜细嚼慢咽。教师应着重介绍知识结构框架，内在联系，关键内容和重要结论等，中间演算步骤和细致分析等细节，可在课后指导学生自学解决。要组织学生课堂讨论，把它作为教学活动重要一环。课堂讨论与传统的习题课有某些相似之处，都是以学生实践为主的教学环节；但又有重要区别，课堂讨论不局限于算题，更多地强调学生提出问题，发表看法，开展讨论，强调学生的参与意识。
教师一上课，就应明确提出这次课要解决什么问题，采用什么方法，沿怎样的思路去解决问题，引导学生勾画出一幅思路框图。在学生思维达到临界点时，他们头脑中会出现多种不很确定的想法。教师要抓住机遇，适时点拨，使学生思维向正确方向发展。当学生思维处在分叉点时，对外来扰动（教师点拨可看作一种外来扰动或触发）是十分敏感的，教师的启发诱导，对学生获得正确的概念，起到十分重要的作用。
采用框架式教学方法，可以使学生获得探索知识的主动权，实现自主学习，在学习知识的同时，改善思维品质。采用这种方法，还可以提高信息量。在当前课程内容多、学时数少、矛盾十分突出的情况下，这种方法更值得研究推广。笔者之一在本刊发表的一篇文章中，对国外采用渗透式和框架式教学方法的情况，已有较多介绍（参见参考文献［8］），这里不再赘述。