系统科学基本原理在习题教学中的应用初探，本文主要内容关键词为：习题论文,基本原理论文,科学论文,系统论文,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。
牛顿力学以三个运动定律作为基本原理，逻辑地演绎出牛顿力学体系。热力学以热学的三个基本定律为基本原理，逻辑地演绎出经典热力学体系。同理，如果我们把控制论、信息论、系统论。耗散结构论、协同论、超循环理论看做是一门科学，称做系统科学。从系统科学中所涉及的概念、规律中可以抽象出三个基本原理，即反馈原理、有序原理、整体原理。将系统科学基本原理应用于高中物理习题教学，这是笔者在本文中要探讨的中心问题。为论述简明，先将系统科学的基本原理表述如下：
1.反馈原理：任何系统只有通过信息反馈，才可能实现有效的控制，从而达到预期的目的。
2.有序原理：任何系统只有开放、有涨落、远离平衡态，才可能走向有序，才可能得到发展。
3.整体原理：任何系统只有通过科学的相互联系而形成整体结构，才能发挥整体功能大于各部分功能之和的功能。
对以上三个基本原理可简要概述为：没有反馈的系统，要实现控制是不可能的；没有开放的系统，要走向有序是不可能的；没有结构的孤立部分，要发挥系统的整体功能是不可能的。
把高中物理习题教学看做是一个系统，将系统科学的基本原理应用于高中物理习题教学研究，是符合科学规律的，将会提高习题教学效率和学生的解题能力。用系统科学的视角观察当前的高中物理习题教学，可以发现诸多问题。例如，教师只管自己讲，师生不能进行有效信息沟通，教师对学生的接受情况知道甚少，习题教学失去控制，直接违背系统科学的反馈原理。如果一节课的习题教学中所选的若干例题之间没有本质的内在联系，就不能发挥习题群整体的教育功能。有的习题课，教师所选的若干例题虽然存在着内在联系，但教师没有深入研究，未发现内在联系，就题讲题，不能发挥习题群整体的教育功能，习题课教学高耗低效。习题教学中存在的问题多种多样，在此不一一举例。为了解决习题课教学中存在的问题，提高习题教学的效率，下面应用系统科学的基本原理对高中物理习题教学进行初步的探讨。
一、反馈原理在习题教学中的应用
习题教学中，如果只是教师讲学生听，教师不观察学生的听讲情况和心理反应，所讲例题又不符合学生实际，太难或太易，这样就构成了一个没有反馈的教学系统，整个习题教学系统处于失控状态，习题教学系统走向无序，课堂教学处于混乱状态。如果教师对自己所教学生的知识和能力储备做到了如指掌，备课时所选例题符合学生实际，上课前教师应能够预测到学生可能出现的问题。课堂教学中，在可能出现问题处，设计有启发性的提问，有意识地让学生思考、讨论和回答。这样使得师生同题、同步、同时态，师生达到一种理想化的共鸣，教学在不断反馈中顺利进行，必然会产生很好的教学效果。
教师不可能上课前掌握习题课教学进程中可能出现的各种问题，有时可能会出现教师事先预料不到的问题。譬如，学生对某些知识点理解不到位或发生错误，对某些物理方法未掌握，对某些物理模型记忆、理解模糊不清等，都有可能导致思维中断，或思维路线偏离正确方向。这样，教师上习题课时，要有意识地让学生暴露问题，让他们出现错误的回答。对学生暴露出来的问题，教师要引导学生思考、讨论和再回答。然后经过学生或教师的深刻分析，才有可能从根本上解决问题，达到极佳的教学效果。
例1 质量为m的子弹以速度v[，0]水平射向被一根长为L的轻绳悬挂的质量为M的静止的木块中（未穿出），子弹与木块碰撞时间极短，子弹质量小于木块的质量。木块摆动不超过横梁，如图1所示。求木块摆动的最大高度。
分析 如果教师对该题进行解题思路分析，列出解题方程组，最后求出结果。然后在练习几道类似习题，这样对学生触动小，印象浅，教学效果不佳，因为它是没有有效反馈的教学。如果在教师讲解之前先设问：通过定性分析画出子弹、木块运动过程和状态图。首先要求学生自己独立完成；其次教师将出现问题的过程状态图形展示给全体同学；再次由学生分组讨论，学生代表发言阐述各组观点；最后由教师点拨，学生自己进行归纳得出一般性结论。这样才能达到极佳的教学效果。
解答该题时，学生所画过程状态图的典型错误如图2所示。
针对上述错误的过程状态图，经过学生讨论，教师引导、点拨，最后由学生画出了正确的过程状态图如图3所示。
通过有针对性的及时反馈，使学生对该问题有一个很深的印象，使学生头脑中存在的问题从根本上得到解决，从而使学生达到以后不会再犯类似错误的目的。在学生发现问题、分析问题和解决问题的过程中培养了学生的批判性思维能力、表述能力和合作能力。
二、有序原理在习题教学中的应用
系统只有开放和通过对系统输入“物质”和“能量”并且与系统内的“物质”和“能量”交互作用，才能使系统从无序走向有序，有效信息量增加，组织化程度走向增加，系统由较低级结构变为较高级的结构。由此可以看出，有序原理实质上是开放、发展的进化原理。
有序原理启发教师在习题教学中，要使全体学生和教师均成为开放系统，各个系统之间有意识进行“物质”和“能量”的交互作用，从而使习题教学产生强大的教学效果。教学中可以采取的具体措施有：教师提出问题或学生提出问题，师生共同思考、讨论；习题的“讲解”采取多样化的形式，例如问答式、演说式、学生讲解式、老师讲解式或学生出题教师无准备讲解式，等等。这样就能充分发挥教师和学生的聪明才智，从而加速对问题的认识从无序走向有序、从肤浅到深层次理解和灵活应用。批改作业传统的做法都是由教师完成，从有序原理看，批改作业应放到一个开放的系统中完成。例如，学生之间相互批改作业，不同班级相同学科的教师互相批改学生的作业，这样将习题作业批改放在一个开放的系统里运作，充分利用了“物质”和“能量”，从而使得学生、教师的解题能力得到迅速提高和发展。
有序原理告诉我们，整个高中物理习题教学过程中要遵循：循序渐进、逐步深化、周期跃迁、勇于创新、和谐地进行习题教学，这样才能使全体学生在和谐发展过程中，不断发生质和量的变化，使学生的解题能力不断发展。有序原理还告诉我们，在进行习题课教学设计时，要遵从认知的有序性；物理知识结构的有序性；物理方法渗透的有序性；能力培养的有序性。以上四点简称物理习题教学都要遵从习题教学的“四序性”，这样质变与量变的比值会变大，从而大幅度提高物理习题教学的效率。
三、整体原理在习题教学中的应用
整体原理告诉我们，没有整体联系，没有整体结构，要使系统发挥整体功能是不可能的。
一个系统作为整体有其内部结构，系统边界之外是界外环境，界外环境通常称环境。系统对环境的作用称之为系统的功能。任何系统的整体功能，等于各个部分功能之和加上各部分相互联系形成结构功能的总和。用公式表示为
能小于各个部分功能之和，表明整体结构产生了负效应。这种情况在社会现象中较常见。在物理习题教学中也存在该种现象，即习题课中所选编的若干道例题，相互排斥，互相干扰，各个孤立题目所产生的教育功能互相抵消，于是产生整体的负效应功能。就像有的同学所说，不听还明白，听了反而糊涂。
没有孤立的部分就不会有整体，各部分之间没有自然的科学有效联系，就不会形成和谐的科学的发挥整体功能的科学结构。所以联系、结构和功能是整体原理要解决的中心问题。下面通过具体的事例说明如何运用整体原理指导习题教学。
1.一题多解形成方法结构
通过对一道典型例题采用多种不同的解法，将不同解法进行科学分析，揭示出它们的内在联系，从而形成解决某一类问题的方法结构，进而发挥方法群的整体功能。
例2 如图4所示，一重量为G的重物被轻绳AO、OB、OC拉着处于静止状态，绳OB与竖直方向夹角为θ。求绳AO、BO中的张力。
通过分析可以选取点O为研究对象，点O处于平衡状态，应用∑F=0求出张力，应用此思路求张力时可以采用正交分解法，也可以应用平行四边形定则或通过几何的方法求出张力。换个角度，应用力的分解知识同样可以求出张力。通过分析总结出解决此类问题有两条思路、三种方法。这样就形成了解决同类问题的方法群，通过相关训练，在学生头脑中形成解决此类问题的方法结构。
2.多题一解发挥整体环境的创造功能
在教师的引导启发下，通过学生自己观察思考多道例题的不同解法，归纳发现不同形式的例题里蕴涵着同一种简捷解法，从而培养学生的观察、归纳能力和发现新方法的创造能力。
例3 如图5所示，质量均为m的两物块，通过轻绳AO、BO被一大小为F竖直向上的力拉着处于静止状态，∠AOB=θ。求地面对左边物块的支持力。
分析 以左边物块为研究对象列出求支持力的平衡方程，在平衡方程中存在未知量F[，AO]的竖直分量；在以O点为研究对象列平衡方程。这样列出了两个方程，即可以求出地面对左边物块的支持力。
例4 如图6所示，两木块的质量分别为m[，1]和m[，2]，两轻质弹簧的劲度系数分别为k[，1]和k[，2]，上面木块压在上面的弹簧上（但不拴接），整个系统处于平衡状态。现缓慢向上提上面的木块，直到它刚离开上面的弹簧，在这个过程中下面木块移动的距离是多大。
分析 分别以m[，1]m[，2]和k[，1]k[，2]为研究对象，应用虎克定律和平衡状态的性质列方程组，解方程组求得下面木块移动的距离。
例5 如图7所示，两轻质细绳把两个质量均为m的小球a、b悬挂起来，今对小球a持续施加一个向左偏下30°的拉力（F=mg），同时对小球b持续施加一个向左偏上30°的同样大小的恒力F，最后小球a、b均达到新的静止状态，试定性画出小球a、b最后的状态图。
分析 先猜想可能的状态图，对可能的状态图分别以a、b为研究对象，应用平衡方程以及正交分解列出方程组，对方程组求解，通过定性、半定量分析，可以定性画出最后的状态图，如图8所示。
上述三道例题主要应用了隔离法，通过对各个研究对象的分析，确立解题方程组，最后求得结果。这样可以重点培养学生确定研究对象以及转换研究对象的能力。为了培养学生的整体意识和应用整体法解决物理问题的能力以及观察、归纳能力，教师用隔离法分析和讲解了以上三道例题之后，向学生提问：通过你自己对上面三道例题的观察、归纳，你能发现新的解题思路吗？可以作为课外作业布置给学生。课外同学们通过自己的观察与思考或同学之间的共同讨论，就能发现上述三道题存在着共同的解法即“整体法”，从而培养了学生的独立思考问题的习惯和追求真理、发现真理的创造精神。显然，普通的三道例题对学生产生了整体的教育功能。
3.一题多问形成整体的知识结构
通过对一道典型例题进行多角度和多层次设问，可以使某部分知识甚至某一学科的知识形成知识链。特别是物理总复习阶段，如果采用该方法对某一方面的知识进行有效地训练，必然建立起各个知识点之间的内在联系，形成科学的符合认知规律的整体知识结构，进而发挥学科整体知识的解题功能。
例6 如图9所示，一质量为M、长为L的长方形木板B放在光滑的水平地面上，在其左端放一质量为m（m＜M）的小木块A。现以地面为参考系，给物体A、B以大小相等、方向相反的初速度v[，0]，使物块A开始向右运动，木板B开始向左运动，最后物块A刚好没有滑离木板B。物体A、B之间的动摩擦因数为μ，重力加速度为g。求：
（1）相对滑动过程中物体A、B的加速度。
（2）物体A、B相对运动的时间。
（3）物体A、B的最终速度。
（4）从地面上观察小木块A向右运动的最远距离。
（5）系统机械能的损失量。
通过对该题五个设问的分析讲解可以看出，一道题包容了力学的所有重点知识，通过设问的有序性、整体性，对学生形成科学的整体的知识结构是有益的。如果通过类似的变式训练，这对学生形成科学的整体力学结构是不可怀疑的，这样在以后的解决力学问题中就能很好地发挥力学知识的整体功能，从而提高学生解决力学问题的能力。
4.以知识方法为纲对物理模型进行变换，形成用知识方法连接的整体物理模型结构
把用物理方法相同而物理模型不同的物理习题组合在一起应用比较、类比等方法进行讲解，就会在学生头脑中形成用方法和思路连接的物理模型群整体结构。这样的模型群能够发挥整体的结构功能。这样，学生在解答物理习题时就能很好地进行模型识别、再认、组合、创新，做到灵活的解决物理问题。
以上分别应用了系统科学的反馈原理、有序原理和整体原理对高中物理习题教学进行了初步探讨。事实上三个原理是有其内在联系的，抓住内在联系应用于习题教学是更值得探讨的问题。因此，应用系统科学原理指导高中物理习题教学是值得我们继续研究的有价值的课题。