有序原理在物理教学中的应用

管佩磊，李 岩

（1.深圳育才中学，广东 深圳518067；2.大连教育学院 初中教师教育中心，辽宁 大连116021）

新一轮课程改革把培养学生的创新精神、实践能力和健全人格作为基本课程目标。而创新精神的培养要以尊重学生个体差异、把握学生认知规律为基础。有序原理是系统科学的三个原理之一，将有序原理应用于物理教学系统，有助于教师把握学生认知规律，提高课堂教学效率。

一、有序原理的内涵

所谓“有序”，是指信息量或组织化程度走向增加，系统混乱度走向减少。系统由较低级的结构变为较高级的结构是有序，否则为无序。有序原理是指任何系统只有开放、有涨落、远离平衡态才可能走向有序。没有开放、没有涨落、处于平衡态的系统要走向有序是不可能的。

二、有序原理下的物理教学

我们可以将课堂教学活动看作师生思维、行为协调合作的教学系统。根据有序原理，教学系统要具有开放性，并不断地远离平衡态，这样才能实现有效教学，促进学生思维发展。例如，在课堂教学过程中，教师要考虑到学生思维认知特点，传授知识时要由浅入深、循序渐进，使学生的思维从混沌、懵懂逐渐转化为清晰、明确，从而实现有效教学。当学生所掌握的知识不能满足对某问题或现象的解释时，原有的知识储备平衡态就会被打破，学生对于新知识的认知模块与外界相互作用，发生同化、顺应，从而使认知结构逐步走向新的平衡。在以后的学习中再次遇到新知识时，已有的认知平衡又被打破，继而再次走向同化、顺应，直至新平衡出现。

三、将有序原理应用于物理教学应把握的几个问题

1.有效把握学生认知发展规律

图式、同化、顺应、平衡体现了学生认知发展的基本规律。图式是指人的认知结构；同化是把外部环境中的有关信息吸收进来并结合到自身的图式中；顺应是指无法同化时所引起的图式重组与改造；平衡是指同化和顺应两种活动之间的平衡。[1]教师在物理教学过程中，只有了解学生的认知特点及发展规律，才能将学生现有的知识经验作为生长点，引导他们从原有的知识经验中“生长”出新的知识。在这个过程中，利用有序原理能够有效地把握学生的认知发展规律。

以“光学”教学为例，学生对光现象的认识过程是：自然光沿直线传播——光在均匀透明介质中沿直线传播——光的折射——自然光是由多种单色光组成的混合光——光的干涉衍射——波粒二象性。

在学习“自然光沿直线传播”之前，学生的大脑对“光”的认知除了生活中的感性认识外，几乎没有其他认知模块，是一种近似空白的平衡态。当他们在日常生活中看到影子、日食、小孔成像等现象时开始思考光是如何传播的，再通过探究激光在固、液、气三态中传播路径的特点，头脑中形成“光是沿直线传播”的初步认识。此时认知模块在潜意识里会发生同化、顺应，形成“光是沿直线传播”的认知模块，从而达到一种认知上的新平衡。但这种平衡态是暂时的，当学生发现光在穿过玻璃、棱镜时发生了偏折，与原有的认知模块里的“光是沿直线传播”的认知形成了矛盾，于是原来的认知模块不断进行拓展、更新，达到一种新的更高一级的平衡态，即“光在均匀透明的介质中是沿直线传播的”。在高中学习中，原有的认知模块平衡态又不能解释新的问题，认知平衡态又被打破，于是出现周期性的螺旋上升式循环：认知平衡态——远离平衡态——同化——顺应——新平衡态——远离平衡态……这样周期性适度远离平衡态又达到新平衡态的过程，逐层递进式地实现了知识模块的扩容，同时也提高了学生的学习能力。

如果学生在刚刚学完“光是沿直线传播”这一知识，教师就简单地按照“远离平衡态为有序”的观点，直接将认知结构提升到“波粒二象性”这种认知水平，学生就会很难理解，出现认知屏障。因为这种过度远离平衡态的物理知识已经远远超越了学生的认知范畴，在一段很长的时间内，学生在认知上产生的矛盾得不到同化、顺应，因而无法达到新的认知平衡态。物理教材的编写就是将每一个物理现象拆分为一个又一个“台阶”，以适应不同年龄、层次的学生。

2.合理进行 “惑”的设计

物理课堂中的“惑”是由于学生学习过程中出现信息不对称引起的，它与学生认知结构中关于物理知识储存量有关。当学生用已有的知识储备不能顺利解释实际物理问题时，学生的认知系统逐渐远离平衡态，此时“惑”就会产生。学生的已有信息越匮乏，就越想解决问题，此时各种感官处于高度活跃状态，能够较快地接受新信息。作为物理教师，在了解了学生的认知规律，发现了学生无法突破的知识难点时，要能够将难题拆分为多个简单化的小问题。那么怎样才能降低问题的难度而又让学生不失兴趣呢？这就需要在课堂设计中进行“惑”的设计。[2]

现以解决做功问题为例进行“惑”的设计：学生在初中阶段学了“恒力对物体做功W ＝Fs”这一知识，但对力与位移不共线的情况感到茫然。教师可以设计一些“惑”，为学生设置适当的台阶，使学生进行逐一分析。如提问：W ＝Fs适用条件是力是恒力且与位移处在同一方向上，如果这个恒力与物体的位移不在同一条直线上如何来求功呢？学生的知识模块里没有处理这种问题的经验，认知发生冲突，求知欲增强。此时教师不要急于告诉学生答案，首先设问，“作用在物体上的这个力的效果是什么？”然后再追问，“我们可以借助什么数学工具来解决？”最后使学生自我建构出求功公式——W ＝Fscosθ。经过一系列课堂练习，再进行拓展提问：“如果物体受到变力作用，那么这个功又该如何求呢？”再一次使学生的认知系统偏离平衡态，引发认知冲突，逐渐推进学生的认知模块的扩容，达到新的认知平衡态。由此可见，针对学生实际情况，在恰当之处设计“惑”，可以有效突破学生的认知屏障，提高课堂教学效率。

3.适时将“负熵”引入教学系统

由热力学第二定律可知，熵是系统混乱度的标志，无序性的度量。熵越大，越无序；熵越小，越有序。在教学系统中，如果教师与学生总处于封闭状态，不与其他教师和班级进行信息交换，该教学系统无序程度（即“熵”）将逐渐增大。可以预计，该教学系统将逐步走向混乱，导致教学低效。这时需要从外界引入“负熵”（外界信息），且信息量要大于内部教学系统的“熵”的增加量，这样才会使系统重新达到平衡态，从而向有序方向发展。

如何引进“负熵”呢？一是教师要加强“同伴互助”，积极参与集体备课、校本研修等教研活动，在相互交流的过程中进行思维碰撞、取长补短；二是教师要广泛阅读，从书籍、报刊、网络中获取多元化的教育信息，积累多样化的物理教学方法，以多种教学方式引导学生主动参与课内教学活动；三是教师要集思广益，设计丰富多彩的课外科技活动，拓展学生的视野，增强学生间的沟通与合作。这样，大量负“熵”被引入教学系统中，教学系统信息量增加，始终处于有序的状态，课堂教学效率就会显著提高。

[1]杨国庆.认知结构理论在中学数学教学中的应用[J].新教育，2010（21）：68.

[2]张诗亚.惑论——教学过程中认知发展突变论[M].重庆：西南师范大学出版社，2005：81－84.