基于協(xié)同學(xué)理論的“自組織性”物理教學(xué)案例分析

曾玉妍　程敏熙

(華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院　廣東 廣州　510006)

在當(dāng)前課堂教學(xué)中，普遍存在著“教師講，學(xué)生聽”的傳授式教學(xué)，占主體地位的是教師，學(xué)生成了盛裝知識的容器，只需聽、接受就可以，這種教師一講到底的教學(xué)方式，忽視了學(xué)生主體能動性，使學(xué)生處于被牽著鼻子走的被動學(xué)習(xí)狀態(tài).這體現(xiàn)了自組織狀態(tài)的重要性，邢紅軍教授認(rèn)為：協(xié)同學(xué)被看作是最先進(jìn)的自組織理論.

1　協(xié)同學(xué)理論的相關(guān)知識

1.1　內(nèi)涵

協(xié)同學(xué)理論是由聯(lián)邦德國斯圖加特大學(xué)教授、著名物理學(xué)家哈肯提出來的研究協(xié)同系統(tǒng)從無序到有序演化規(guī)律的新興綜合性學(xué)科.協(xié)同系統(tǒng)是指由許多子系統(tǒng)組成的、能以自組織方式形成宏觀的空間、時間或功能有序結(jié)構(gòu)的開放系統(tǒng).協(xié)同論主要研究遠(yuǎn)離平衡態(tài)的開放系統(tǒng)在與外界有物質(zhì)或能量交換的情況下，如何通過自己內(nèi)部協(xié)同作用，自發(fā)地出現(xiàn)時間、空間和功能上的有序結(jié)構(gòu).

1.2　基本概念

協(xié)同學(xué)有3個基本概念：序參量、漲落、自組織.

序參量來源于子系統(tǒng)間的協(xié)同合作，同時又起著支配子系統(tǒng)行為的作用，它控制著系統(tǒng)的演化、決定著演化的最終結(jié)構(gòu)和有序程度.其中，子系統(tǒng)之間的協(xié)同合作產(chǎn)生宏觀的有序結(jié)構(gòu)，是“協(xié)同”的第一層含義.有時系統(tǒng)中有幾個序參量同時存在，每個序參量都企圖獨立主宰系統(tǒng)，彼此處于均勢狀態(tài)，這時，序參量之間便自動合作起來協(xié)同一致地控制系統(tǒng).這種序參量之間協(xié)同合作決定系統(tǒng)的有序結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象，是“協(xié)同”的第二層含義.

漲落是系統(tǒng)偏離平均值的起伏現(xiàn)象.漲落是形成有序結(jié)構(gòu)的動力，是有序之源.

自組織是在一定的環(huán)境條件下由系統(tǒng)內(nèi)部自身組織起來的，并通過各種形式的信息反饋來控制和強(qiáng)化著這種組織的結(jié)果.

1.3　基本論點

協(xié)同學(xué)思想有兩個基本論點——“協(xié)同效應(yīng)”和“自組織”. “協(xié)同效應(yīng)”是核心論點.對于一個系統(tǒng)，它的子系統(tǒng)存在著自發(fā)的無規(guī)則的獨立運(yùn)動，同時又存在著子系統(tǒng)之間關(guān)聯(lián)而形成的協(xié)同作用.在遠(yuǎn)離臨界點時，子系統(tǒng)間的關(guān)聯(lián)弱，系統(tǒng)呈現(xiàn)無序狀態(tài).隨著控制參量的不斷變化，當(dāng)系統(tǒng)接近臨界點時，子系統(tǒng)間的關(guān)聯(lián)增強(qiáng)，獨立運(yùn)動相對變?nèi)?，?dāng)控制參量達(dá)到“閾值”時，關(guān)聯(lián)起主導(dǎo)地位的作用，此時在系統(tǒng)中出現(xiàn)由關(guān)聯(lián)所決定的子系統(tǒng)間的協(xié)同作用，子系統(tǒng)間協(xié)調(diào)、合作，使系統(tǒng)從無序走向有序.在系統(tǒng)發(fā)生質(zhì)的飛躍前后，序參量起著支配子系統(tǒng)協(xié)同行為的作用. 因此，要想使一個系統(tǒng)發(fā)生協(xié)同效應(yīng)，分析序參量，讓它們合作起來協(xié)同一致地控制系統(tǒng)是關(guān)鍵.“自組織”是實現(xiàn)協(xié)同效應(yīng)的途徑.

2　協(xié)同學(xué)對物理教學(xué)的啟示

基于協(xié)同學(xué)理論，邢紅軍教授提出了一種新的教學(xué)過程理論：教學(xué)過程是一個學(xué)生、教師、教材和環(huán)境相互協(xié)同的過程，是學(xué)生在教師引導(dǎo)下完成對教學(xué)內(nèi)容掌握的同時其認(rèn)知系統(tǒng)從被組織向自組織轉(zhuǎn)變的過程.可見，在教學(xué)過程中，協(xié)同系統(tǒng)對應(yīng)的是教學(xué)系統(tǒng)，包括學(xué)生、教師、教材與環(huán)境4個子系統(tǒng).

協(xié)同學(xué)的3個基本概念應(yīng)用到教學(xué)過程中有其具體的含義.序參量是指驅(qū)動力，驅(qū)動著教學(xué)系統(tǒng)的演化，邢紅軍教授認(rèn)為，把方法作為教學(xué)過程的序參量，充分反映了教學(xué)過程的特征，反映了知識、方法和能力的關(guān)系.漲落表明了當(dāng)學(xué)生產(chǎn)生認(rèn)知漲落時，其學(xué)習(xí)系統(tǒng)將遠(yuǎn)離平衡態(tài)，出現(xiàn)無序狀態(tài).自組織是指在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生的知識、技能和方法等參量之間進(jìn)行相互協(xié)同和競爭，當(dāng)學(xué)生的大腦進(jìn)入從無序到有序的臨界值時，關(guān)鍵參量支配學(xué)生的認(rèn)知系統(tǒng)，最終實現(xiàn)學(xué)生的認(rèn)知從無序變?yōu)橛行?

實現(xiàn)教學(xué)過程從被組織到自組織的轉(zhuǎn)變，需要滿足以下條件：教學(xué)過程必須開放，必須遠(yuǎn)離平衡態(tài)；促進(jìn)教學(xué)過程非線性相互作用的發(fā)展；通過隨機(jī)漲落促進(jìn)教學(xué)過程從被組織向自組織轉(zhuǎn)變.

如圖1所示，教學(xué)過程中，在協(xié)同學(xué)3個基本因素的相互作用下，學(xué)生產(chǎn)生認(rèn)知漲落，學(xué)習(xí)系統(tǒng)出現(xiàn)無序狀態(tài)，接著在序參量的驅(qū)動下，學(xué)生自組織地向有序過渡，最終完成從舊平衡到新平衡的認(rèn)知更新.

圖1　協(xié)同學(xué)對教學(xué)的啟示

物理學(xué)是一門系統(tǒng)性非常強(qiáng)的學(xué)科，是觀察、實驗和思維的產(chǎn)物.無論是對物理概念，還是對物理規(guī)律的學(xué)習(xí)，都需要建立在學(xué)生理解的基礎(chǔ)上.而物理課堂教學(xué)中常常出現(xiàn)的講授式教學(xué)，難以滿足學(xué)生對重要概念和規(guī)律的領(lǐng)悟和理解.由于學(xué)生的知識構(gòu)建是個被組織的過程，即使教師反復(fù)講授加以強(qiáng)調(diào)，仍然會出現(xiàn)學(xué)生對概念規(guī)律公式理解不深，導(dǎo)致應(yīng)用時常常出錯的現(xiàn)象.為此，基于協(xié)同學(xué)理論，提出了具體的物理教學(xué)過程：首先要通過各種方式，激發(fā)起學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣和求知欲，然后通過問題引發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)系統(tǒng)的認(rèn)知漲落，促發(fā)學(xué)生思維的協(xié)同性，以達(dá)到學(xué)生學(xué)習(xí)的自組織性，完成認(rèn)知結(jié)構(gòu)的更新演化.

筆者以粵教版高中《物理·必修1》第四章第6節(jié)“超重和失重”為例，具體談?wù)剠f(xié)同學(xué)理論在教學(xué)中的應(yīng)用，幫助學(xué)生自組織地完成超失重產(chǎn)生條件和本質(zhì)原因的認(rèn)知建構(gòu).

3　案例背景

在高中物理“超重和失重”一節(jié)教學(xué)內(nèi)容中，課標(biāo)要求是通過實驗認(rèn)識超重和失重現(xiàn)象.教材在給出超重和失重的概念后，馬上運(yùn)用牛頓第二定律對產(chǎn)生超重和失重的原因進(jìn)行了解釋，進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生解析生活中的超重和失重現(xiàn)象.然而，生活經(jīng)驗往往使學(xué)生有向上運(yùn)動就產(chǎn)生超重，向下運(yùn)動就產(chǎn)生失重的錯誤認(rèn)識，他們主要的認(rèn)知困難在于對“產(chǎn)生超重和失重條件”的理解.因此，根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，授課者制定了如圖2所示的教學(xué)思路，并據(jù)此設(shè)計教學(xué)環(huán)節(jié)，從而突破難點.

圖2　“超重和失重”教學(xué)流程

4　案例描述

結(jié)合協(xié)同學(xué)理論，“超重和失重”教學(xué)的具體實施過程如下.

4.1　創(chuàng)設(shè)情境 激發(fā)求知欲

教師與學(xué)生一起做紙帶拉鉤碼實驗(圖3)，引導(dǎo)學(xué)生怎樣拉鉤碼才能讓紙帶斷裂.

圖3　紙帶拉鉤碼實驗

案例分析：情境的設(shè)置有兩個初衷，高中生有濃厚的因果認(rèn)知興趣和實驗操作興趣，對科學(xué)探究也有持續(xù)的熱情和實事求是的態(tài)度；另一方面，相比失重現(xiàn)象，超重現(xiàn)象多出現(xiàn)在課堂之外，以往一般采用視頻展示超重現(xiàn)象，但是，學(xué)生未必對這些這些現(xiàn)象有深刻的感受，對建立概念形成障礙.利用簡單的材料，進(jìn)行紙帶拉鉤碼小實驗，讓學(xué)生親身經(jīng)歷產(chǎn)生超重現(xiàn)象的過程.創(chuàng)設(shè)情境的方法作為序參量，先激發(fā)學(xué)生進(jìn)入新課學(xué)習(xí)的好奇心與求知欲，讓學(xué)生帶著問題進(jìn)入課堂.

4.2　通過問題引發(fā)認(rèn)知漲落

教師引導(dǎo)學(xué)生觀看電梯上升過程中的錄像：電梯里的物體放在靜止的臺秤上，分別觀察電梯在靜止、啟動和停止3個過程中臺秤的讀數(shù)；在電梯中用彈簧秤掛一個重物，同樣地觀察電梯在靜止、啟動和停止3個過程中彈簧測力計的讀數(shù).最后根據(jù)現(xiàn)象建立超重和失重的概念.教師提問：產(chǎn)生超重和失重過程中，物體的實際重力發(fā)生變化了嗎？產(chǎn)生超重和失重，與物體的運(yùn)動方向有關(guān)嗎？接著引導(dǎo)學(xué)生就觀察到的現(xiàn)象提出有關(guān)超失重的問題，教師在眾多問題中，抓住主要問題“產(chǎn)生超重和失重的原因是什么”，引出了下邊的實驗探究.

案例分析：在日常生活中，學(xué)生已經(jīng)對超重和失重有了一定的感性認(rèn)識，但生活經(jīng)驗又往往使他們形成一些與“超重和失重”的定義不一致的“前概念”，造成認(rèn)知困難.

首先是物理語言的誤導(dǎo)，日常生活中對“重”的理解與超失重中的“重”的理解發(fā)生混淆，使學(xué)生認(rèn)為超重(或失重)就是物體重量的增加(或減少)；其次學(xué)生往往認(rèn)為向上運(yùn)動時就超重，向下運(yùn)動時就失重，沒有真正理解超失重的本質(zhì).為此，教師建立完概念后，并沒有立馬跳到下一步產(chǎn)生條件和原因的解析上，而是以問題引導(dǎo)的方法作為序參量，提出兩個針對性的問題，幫助學(xué)生突破前概念，向科學(xué)概念轉(zhuǎn)變，使學(xué)生產(chǎn)生認(rèn)識沖突，學(xué)習(xí)系統(tǒng)開始出現(xiàn)無序.

當(dāng)然，作為一位優(yōu)秀的教師，除了要學(xué)會問問題外，更重要的是要學(xué)會引導(dǎo)學(xué)生問問題，教師讓學(xué)生根據(jù)現(xiàn)象提出問題，學(xué)生會產(chǎn)生疑問：“為什么會產(chǎn)生超、失重呢？條件是什么？”，思維就會出現(xiàn)漲落，學(xué)習(xí)系統(tǒng)逐步向有序靠近.

4.3　實驗探究 促進(jìn)思維的協(xié)同性

教師通過模擬電梯實驗(圖4)，結(jié)合DIS對電梯上行或下行過程中傳感器所受的拉力進(jìn)行實時采集，完成實驗探究表格(圖5)，歸納出產(chǎn)生超重和失重的條件.

圖4　模擬電梯教具

圖5　實驗探究表格

案例分析：在觀看電梯中超失重現(xiàn)象的視頻后，雖然能得出“超重和失重是發(fā)生在電梯運(yùn)動狀態(tài)發(fā)生變化的時候”的結(jié)論，但是加速度的方向作為產(chǎn)生超重和失重的條件還是較難發(fā)現(xiàn)的.因此，利用自制教具模擬電梯，結(jié)合DIS系統(tǒng)，對電梯上行或下行過程中力的變化情況進(jìn)行實時采集，在運(yùn)用填寫實驗探究表格的方式加以分析，使實驗結(jié)論一目了然.通過實驗發(fā)現(xiàn)超重和失重與速度的方向無關(guān)，而跟加速度方向有關(guān).實驗探究的方法作為序參量，推動著學(xué)習(xí)系統(tǒng)達(dá)到“臨界值”，學(xué)生的思維出現(xiàn)協(xié)同作用，使系統(tǒng)走向了有序，即學(xué)生明白了什么情況下會產(chǎn)生超重和失重，形成知識表征.同時讓學(xué)生經(jīng)歷探究超重和失重與物體運(yùn)動狀態(tài)的關(guān)系，體會科學(xué)探究發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律的方法.

4.4　理論探究 促成認(rèn)知的自組織性

教師讓學(xué)生自己用牛頓第二定律來分析電梯上升的問題，指導(dǎo)學(xué)生把探究結(jié)果寫在稿紙上，投影學(xué)生的探究結(jié)果，并請學(xué)生上臺進(jìn)行講解，針對學(xué)生的講解，規(guī)范學(xué)生應(yīng)用牛頓運(yùn)動定律分析、解決問題的思路，最后得到理論探究的結(jié)果：“產(chǎn)生超重和失重的原因是在豎直方向上存在加速度”.

案例分析：進(jìn)行理論分析，實現(xiàn)感性認(rèn)識向理論認(rèn)識的上升.學(xué)生通過實驗探究知道了產(chǎn)生超失重的條件，但對于“為什么在這些條件下產(chǎn)生超重和失重”還沒有明確認(rèn)識，故理論探討的方法作為序參量，使學(xué)生的思維由產(chǎn)生協(xié)同性演化到學(xué)生自組織地促成認(rèn)知，上升到新系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)，即知道產(chǎn)生超失重的本質(zhì)原因，達(dá)到新知.在整個理論探討的過程中，學(xué)生自己構(gòu)建探討方案，是個自組織的過程.

4.5　完成認(rèn)知結(jié)構(gòu)的更新演化

教師讓學(xué)生小結(jié)本節(jié)課所學(xué)的知識，并請同學(xué)們利用所學(xué)知識，分析課前小實驗中，紙帶會斷的原因.

案例分析：為學(xué)生理清學(xué)習(xí)思路，強(qiáng)調(diào)本節(jié)課的知識.為鞏固學(xué)生上一階段達(dá)到的新系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)，讓他們對課前實驗現(xiàn)象進(jìn)行分析，達(dá)到提高的目的，幫助學(xué)生完成了認(rèn)知結(jié)構(gòu)的更新演化.

5　案例總結(jié)

根據(jù)“超重和失重”的課標(biāo)要求及學(xué)生的認(rèn)知困難，授課者設(shè)計了5個教學(xué)部分，對應(yīng)協(xié)同學(xué)理論指導(dǎo)下的5個環(huán)節(jié)：首先，創(chuàng)設(shè)情境，激發(fā)求知欲.除了案例中談及的課堂演示實驗情境外，教師還可以給學(xué)生提供真實的經(jīng)驗情境、物理學(xué)史情境、問題情境等.然后通過問題引發(fā)認(rèn)知漲落.問題必須是緊扣教學(xué)內(nèi)容發(fā)展的、有良好問題結(jié)構(gòu)的、有新穎性的、能引起學(xué)生認(rèn)知沖突的問題，最重要的是教師要學(xué)會引導(dǎo)學(xué)生提問.接著再通過實驗探究和理論探究，使學(xué)生思維產(chǎn)生協(xié)同性，從而自組織地促成認(rèn)知.最

后通過知識的運(yùn)用鞏固提高新知，完成認(rèn)知結(jié)構(gòu)的更新演化.

縱觀基于協(xié)同學(xué)理論的整個教學(xué)流程，方法作為序參量貫穿著整個教學(xué)系統(tǒng)，驅(qū)動著學(xué)生學(xué)習(xí)系統(tǒng)的演化，幫助學(xué)生自組織地達(dá)到新知.

6　總結(jié)與反思

將協(xié)同學(xué)理論與教學(xué)過程相結(jié)合，體現(xiàn)了以下優(yōu)點：序參量的設(shè)置，能在一定程度上調(diào)動起學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和探究問題的好奇心；通過引發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)系統(tǒng)的認(rèn)知漲落，誘發(fā)學(xué)生的思維協(xié)同性，能對學(xué)生學(xué)習(xí)的自組織性產(chǎn)生積極的催化作用.但將協(xié)同學(xué)理論應(yīng)用到教學(xué)過程的相關(guān)理論研究有限，該理論指導(dǎo)下的實踐也比較缺乏，導(dǎo)致基于協(xié)同學(xué)的教學(xué)案例的分析還不夠深入和透徹.

本文將協(xié)同學(xué)理論應(yīng)用于“超重和失重”的教學(xué)案例中，提出了5個教學(xué)環(huán)節(jié)，豐富了協(xié)同學(xué)理論在教學(xué)中的內(nèi)涵，給今后研究自組織教學(xué)的教育工作者以一定的啟發(fā)思考與借鑒意義.