基于协同学理论的“自组织性”物理教学案例分析

曾玉妍　程敏熙

(华南师范大学物理与电信工程学院　广东 广州　510006)

在当前课堂教学中，普遍存在着“教师讲，学生听”的传授式教学，占主体地位的是教师，学生成了盛装知识的容器，只需听、接受就可以，这种教师一讲到底的教学方式，忽视了学生主体能动性，使学生处于被牵着鼻子走的被动学习状态.这体现了自组织状态的重要性，邢红军教授认为：协同学被看作是最先进的自组织理论.

1　协同学理论的相关知识

1.1　内涵

协同学理论是由联邦德国斯图加特大学教授、著名物理学家哈肯提出来的研究协同系统从无序到有序演化规律的新兴综合性学科.协同系统是指由许多子系统组成的、能以自组织方式形成宏观的空间、时间或功能有序结构的开放系统.协同论主要研究远离平衡态的开放系统在与外界有物质或能量交换的情况下，如何通过自己内部协同作用，自发地出现时间、空间和功能上的有序结构.

1.2　基本概念

协同学有3个基本概念：序参量、涨落、自组织.

序参量来源于子系统间的协同合作，同时又起着支配子系统行为的作用，它控制着系统的演化、决定着演化的最终结构和有序程度.其中，子系统之间的协同合作产生宏观的有序结构，是“协同”的第一层含义.有时系统中有几个序参量同时存在，每个序参量都企图独立主宰系统，彼此处于均势状态，这时，序参量之间便自动合作起来协同一致地控制系统.这种序参量之间协同合作决定系统的有序结构的现象，是“协同”的第二层含义.

涨落是系统偏离平均值的起伏现象.涨落是形成有序结构的动力，是有序之源.

自组织是在一定的环境条件下由系统内部自身组织起来的，并通过各种形式的信息反馈来控制和强化着这种组织的结果.

1.3　基本论点

协同学思想有两个基本论点——“协同效应”和“自组织”. “协同效应”是核心论点.对于一个系统，它的子系统存在着自发的无规则的独立运动，同时又存在着子系统之间关联而形成的协同作用.在远离临界点时，子系统间的关联弱，系统呈现无序状态.随着控制参量的不断变化，当系统接近临界点时，子系统间的关联增强，独立运动相对变弱，当控制参量达到“阈值”时，关联起主导地位的作用，此时在系统中出现由关联所决定的子系统间的协同作用，子系统间协调、合作，使系统从无序走向有序.在系统发生质的飞跃前后，序参量起着支配子系统协同行为的作用. 因此，要想使一个系统发生协同效应，分析序参量，让它们合作起来协同一致地控制系统是关键.“自组织”是实现协同效应的途径.

2　协同学对物理教学的启示

基于协同学理论，邢红军教授提出了一种新的教学过程理论：教学过程是一个学生、教师、教材和环境相互协同的过程，是学生在教师引导下完成对教学内容掌握的同时其认知系统从被组织向自组织转变的过程.可见，在教学过程中，协同系统对应的是教学系统，包括学生、教师、教材与环境4个子系统.

协同学的3个基本概念应用到教学过程中有其具体的含义.序参量是指驱动力，驱动着教学系统的演化，邢红军教授认为，把方法作为教学过程的序参量，充分反映了教学过程的特征，反映了知识、方法和能力的关系.涨落表明了当学生产生认知涨落时，其学习系统将远离平衡态，出现无序状态.自组织是指在教师的引导下，学生的知识、技能和方法等参量之间进行相互协同和竞争，当学生的大脑进入从无序到有序的临界值时，关键参量支配学生的认知系统，最终实现学生的认知从无序变为有序.

实现教学过程从被组织到自组织的转变，需要满足以下条件：教学过程必须开放，必须远离平衡态；促进教学过程非线性相互作用的发展；通过随机涨落促进教学过程从被组织向自组织转变.

如图1所示，教学过程中，在协同学3个基本因素的相互作用下，学生产生认知涨落，学习系统出现无序状态，接着在序参量的驱动下，学生自组织地向有序过渡，最终完成从旧平衡到新平衡的认知更新.

图1　协同学对教学的启示

物理学是一门系统性非常强的学科，是观察、实验和思维的产物.无论是对物理概念，还是对物理规律的学习，都需要建立在学生理解的基础上.而物理课堂教学中常常出现的讲授式教学，难以满足学生对重要概念和规律的领悟和理解.由于学生的知识构建是个被组织的过程，即使教师反复讲授加以强调，仍然会出现学生对概念规律公式理解不深，导致应用时常常出错的现象.为此，基于协同学理论，提出了具体的物理教学过程：首先要通过各种方式，激发起学生学习物理的兴趣和求知欲，然后通过问题引发学生学习系统的认知涨落，促发学生思维的协同性，以达到学生学习的自组织性，完成认知结构的更新演化.

笔者以粤教版高中《物理·必修1》第四章第6节“超重和失重”为例，具体谈谈协同学理论在教学中的应用，帮助学生自组织地完成超失重产生条件和本质原因的认知建构.

3　案例背景

在高中物理“超重和失重”一节教学内容中，课标要求是通过实验认识超重和失重现象.教材在给出超重和失重的概念后，马上运用牛顿第二定律对产生超重和失重的原因进行了解释，进而引导学生解析生活中的超重和失重现象.然而，生活经验往往使学生有向上运动就产生超重，向下运动就产生失重的错误认识，他们主要的认知困难在于对“产生超重和失重条件”的理解.因此，根据学生的认知规律，授课者制定了如图2所示的教学思路，并据此设计教学环节，从而突破难点.

图2　“超重和失重”教学流程

4　案例描述

结合协同学理论，“超重和失重”教学的具体实施过程如下.

4.1　创设情境 激发求知欲

教师与学生一起做纸带拉钩码实验(图3)，引导学生怎样拉钩码才能让纸带断裂.

图3　纸带拉钩码实验

案例分析：情境的设置有两个初衷，高中生有浓厚的因果认知兴趣和实验操作兴趣，对科学探究也有持续的热情和实事求是的态度；另一方面，相比失重现象，超重现象多出现在课堂之外，以往一般采用视频展示超重现象，但是，学生未必对这些这些现象有深刻的感受，对建立概念形成障碍.利用简单的材料，进行纸带拉钩码小实验，让学生亲身经历产生超重现象的过程.创设情境的方法作为序参量，先激发学生进入新课学习的好奇心与求知欲，让学生带着问题进入课堂.

4.2　通过问题引发认知涨落

教师引导学生观看电梯上升过程中的录像：电梯里的物体放在静止的台秤上，分别观察电梯在静止、启动和停止3个过程中台秤的读数；在电梯中用弹簧秤挂一个重物，同样地观察电梯在静止、启动和停止3个过程中弹簧测力计的读数.最后根据现象建立超重和失重的概念.教师提问：产生超重和失重过程中，物体的实际重力发生变化了吗？产生超重和失重，与物体的运动方向有关吗？接着引导学生就观察到的现象提出有关超失重的问题，教师在众多问题中，抓住主要问题“产生超重和失重的原因是什么”，引出了下边的实验探究.

案例分析：在日常生活中，学生已经对超重和失重有了一定的感性认识，但生活经验又往往使他们形成一些与“超重和失重”的定义不一致的“前概念”，造成认知困难.

首先是物理语言的误导，日常生活中对“重”的理解与超失重中的“重”的理解发生混淆，使学生认为超重(或失重)就是物体重量的增加(或减少)；其次学生往往认为向上运动时就超重，向下运动时就失重，没有真正理解超失重的本质.为此，教师建立完概念后，并没有立马跳到下一步产生条件和原因的解析上，而是以问题引导的方法作为序参量，提出两个针对性的问题，帮助学生突破前概念，向科学概念转变，使学生产生认识冲突，学习系统开始出现无序.

当然，作为一位优秀的教师，除了要学会问问题外，更重要的是要学会引导学生问问题，教师让学生根据现象提出问题，学生会产生疑问：“为什么会产生超、失重呢？条件是什么？”，思维就会出现涨落，学习系统逐步向有序靠近.

4.3　实验探究 促进思维的协同性

教师通过模拟电梯实验(图4)，结合DIS对电梯上行或下行过程中传感器所受的拉力进行实时采集，完成实验探究表格(图5)，归纳出产生超重和失重的条件.

图4　模拟电梯教具

图5　实验探究表格

案例分析：在观看电梯中超失重现象的视频后，虽然能得出“超重和失重是发生在电梯运动状态发生变化的时候”的结论，但是加速度的方向作为产生超重和失重的条件还是较难发现的.因此，利用自制教具模拟电梯，结合DIS系统，对电梯上行或下行过程中力的变化情况进行实时采集，在运用填写实验探究表格的方式加以分析，使实验结论一目了然.通过实验发现超重和失重与速度的方向无关，而跟加速度方向有关.实验探究的方法作为序参量，推动着学习系统达到“临界值”，学生的思维出现协同作用，使系统走向了有序，即学生明白了什么情况下会产生超重和失重，形成知识表征.同时让学生经历探究超重和失重与物体运动状态的关系，体会科学探究发现物理规律的方法.

4.4　理论探究 促成认知的自组织性

教师让学生自己用牛顿第二定律来分析电梯上升的问题，指导学生把探究结果写在稿纸上，投影学生的探究结果，并请学生上台进行讲解，针对学生的讲解，规范学生应用牛顿运动定律分析、解决问题的思路，最后得到理论探究的结果：“产生超重和失重的原因是在竖直方向上存在加速度”.

案例分析：进行理论分析，实现感性认识向理论认识的上升.学生通过实验探究知道了产生超失重的条件，但对于“为什么在这些条件下产生超重和失重”还没有明确认识，故理论探讨的方法作为序参量，使学生的思维由产生协同性演化到学生自组织地促成认知，上升到新系统的稳定状态，即知道产生超失重的本质原因，达到新知.在整个理论探讨的过程中，学生自己构建探讨方案，是个自组织的过程.

4.5　完成认知结构的更新演化

教师让学生小结本节课所学的知识，并请同学们利用所学知识，分析课前小实验中，纸带会断的原因.

案例分析：为学生理清学习思路，强调本节课的知识.为巩固学生上一阶段达到的新系统的稳定状态，让他们对课前实验现象进行分析，达到提高的目的，帮助学生完成了认知结构的更新演化.

5　案例总结

根据“超重和失重”的课标要求及学生的认知困难，授课者设计了5个教学部分，对应协同学理论指导下的5个环节：首先，创设情境，激发求知欲.除了案例中谈及的课堂演示实验情境外，教师还可以给学生提供真实的经验情境、物理学史情境、问题情境等.然后通过问题引发认知涨落.问题必须是紧扣教学内容发展的、有良好问题结构的、有新颖性的、能引起学生认知冲突的问题，最重要的是教师要学会引导学生提问.接着再通过实验探究和理论探究，使学生思维产生协同性，从而自组织地促成认知.最

后通过知识的运用巩固提高新知，完成认知结构的更新演化.

纵观基于协同学理论的整个教学流程，方法作为序参量贯穿着整个教学系统，驱动着学生学习系统的演化，帮助学生自组织地达到新知.

6　总结与反思

将协同学理论与教学过程相结合，体现了以下优点：序参量的设置，能在一定程度上调动起学生学习积极性和探究问题的好奇心；通过引发学生学习系统的认知涨落，诱发学生的思维协同性，能对学生学习的自组织性产生积极的催化作用.但将协同学理论应用到教学过程的相关理论研究有限，该理论指导下的实践也比较缺乏，导致基于协同学的教学案例的分析还不够深入和透彻.

本文将协同学理论应用于“超重和失重”的教学案例中，提出了5个教学环节，丰富了协同学理论在教学中的内涵，给今后研究自组织教学的教育工作者以一定的启发思考与借鉴意义.