物理教學過程的自組織轉(zhuǎn)變
——以“電流與電壓的關系”教學為例

陸澤璇 林樂鑫

(1. 深圳市玉龍學校,廣東 深圳 518131; 2. 深圳市高級中學,廣東 深圳 518040)

1 引言

1977年,聯(lián)邦德國斯圖加特大學物理學教授哈肯提出了協(xié)同學理論．協(xié)同學采用序參量描述一個系統(tǒng)的有序度,刻畫系統(tǒng)從無序向有序的轉(zhuǎn)變．一個系統(tǒng)有許多參量,而主宰著系統(tǒng)的演變過程,決定系統(tǒng)向有序轉(zhuǎn)變的參量即該系統(tǒng)的“序參量”．協(xié)同學在自然科學和社會科學上得到廣泛的應用,特別在腦、行為和認知方面,協(xié)同學和其他線性科學一樣研究的是大腦的相(系統(tǒng)不同的內(nèi)部組合狀態(tài))和相變(相之間的轉(zhuǎn)變),而作為教學系統(tǒng)的主要子系統(tǒng)——學習系統(tǒng)(學生),其核心即人的大腦．所以基于協(xié)同學理論,邢紅軍教授等提出一種新的教學過程理論:教學過程是一個學生、教師、教材和環(huán)境相互協(xié)同的過程,是學生在教師引導下完成對教學內(nèi)容掌握的同時其認知系統(tǒng)從被組織向自組織轉(zhuǎn)變的過程．

所謂的被組織,是指“該組織只有在外界干預下才能進行演化”,教學過程的自組織是指“在教師的引導下,學生的知識、技能和方法等參量之間進行相互協(xié)同和競爭,當學生的大腦進入從無序到有序的臨界值時,導致只有少數(shù)參量支配學生的認知系統(tǒng),最終實現(xiàn)學生的認知從無序變?yōu)橛行?達到‘教是為了不教的目的’．”[1]然而我國的真實課堂,往往以教師為主導,學生長期處于被組織狀態(tài),教師缺乏把學生引領到自組織轉(zhuǎn)變臨界區(qū)域的教學意識與教學行為,致使學生缺乏思維達到一定閾值后“豁然開朗”的突變感受與體驗,進入自組織階段．因此,本文嘗試將自組織轉(zhuǎn)變理論應用到物理教學過程中,旨在提高學生課堂的參與度,轉(zhuǎn)變學生被動的學習方式,培養(yǎng)學生的學習能力．

2 自組織轉(zhuǎn)變理論應用

實現(xiàn)教學過程從被組織到自組織的轉(zhuǎn)變,需要滿足以下條件:

(1) 教學過程需要開放:教學的開放主要要有真實的交流,這種交流是學生自己產(chǎn)生問題,不是教師提出問題．下面以“探究電流與電壓的關系”實驗設計為例．

常規(guī)設計:教師引導學生一步步搭建電路圖.

師:探究電流與導體兩端電壓關系,需要采用什么方法?(生:控制變量法)

師:控制什么一定?(生:電阻)所以電路圖中要有一個定值電阻,如圖1．

師:實驗中需要測量的物理量有哪些?(生:電壓和電流)

師:分別用什么儀器測量?(生:電壓表和電流表),所以電路圖中還需要串聯(lián)一個電流表、并在電阻兩端并聯(lián)一個電壓表,如圖2.

師:用該電路圖只能測出一組電壓和電流值,如何改進?(生:串聯(lián)一個滑動變阻器),如圖3.

圖1 設計1 圖2 設計2 圖3 設計3

上述的實驗設計方案是在教師的引導下一步步搭建起來,采用了師生問答的形式,層次清晰,環(huán)環(huán)相扣,學生不需要“跳一跳”,答案一目了然．相對而言,該教學過程過于封閉,師生的交流相對無效,學生并沒有問題,師生之間并沒有交流和討論,所以筆者認為該環(huán)節(jié)可以如下設計,以增強教學過程的開放性．

開放設計:學生自主設計實驗電路圖.

師:要探究電流與導體兩端電壓關系,需要設計電路圖,請同學們根據(jù)實驗目的討論,設計電路．

生:分組設計．可能出現(xiàn)的電路圖如下．

師:巡視并挑選出合適的電路圖投影．根據(jù)以上設計電路圖,教師可以提出以下問題供學生討論思考．

提問1:圖4的設計有什么不足?

提問2:圖5為什么要用燈泡?有沒有必要?

提問3:圖6中滑動變阻器的作用是什么?

圖4 設計4

圖5 設計5

圖6 設計6

圖7 設計7

提問4:除了接入滑動變阻器還有什么辦法可以改變導體兩端電壓?

提問5:圖6和圖7兩種方案哪種更好?

上述設計將學生設計圖中產(chǎn)生的問題重新拋給學生,讓學生相互討論,能實現(xiàn)師生、生生之間的真實交流,實現(xiàn)教學過程的開放．

(2) 教學過程必須遠離平衡態(tài):根據(jù)自組織理論,非平衡是有序之源．布魯納認為:“為了促進學生的思維狀態(tài)處于非平衡狀態(tài),教師必須努力啟發(fā)他們自由靈活地思考問題”．下面以“探究電流與電壓的關系”實驗注意事項的教學為例．

常規(guī)設計:教師在學生實驗前采用多媒體或者問答形式闡明實驗中的注意事項．

師:同學們,在實驗過程中,要注意以下幾個事項．

(1) 連接電路是,開關應該處于斷開狀態(tài);

(2) 電表量程的選擇;

(3) 電表正負接線的連接:正進負出;

(4) 滑動變阻器串聯(lián)接入電路;

(5) 閉合開關前,滑動變阻器滑動觸片應置于最大電阻處．

根據(jù)教師的提示,學生的實驗操作過程處于相對穩(wěn)定的狀態(tài),實驗方向單一,有序,很難產(chǎn)生自組織結(jié)構,學生沒有經(jīng)歷“試錯”的過程,其批判精神也難以得到培養(yǎng)．

非平衡態(tài)設計:實驗中除非涉及到學生的人身安全,否則讓學生自己在探究過程經(jīng)歷“試錯”．例如:注意事項2的設計

師:同學們,下面請同學們利用桌面提供的器材(電流表、電壓表、3節(jié)干電池、滑動變阻器、定值電阻(R=5 Ω、R=10 Ω、R=20 Ω)、開關、導線、坐標紙、塑料薄片),根據(jù)設計電路圖連接電路,實驗并記錄數(shù)據(jù)．

生:學生實驗．

師:(教師巡堂,由于器材提供的電源是4.5 V,個別小組會選擇電壓表量程0-15 V)同學們,老師發(fā)現(xiàn),很多小組在量程的選擇方面,很有安全意識,都選擇了大量程0-15 V,但是電表指針偏轉(zhuǎn)角度較小,讀數(shù)精確度不夠,怎么辦呢?

生:學生討論．

上述設計教師的干預能夠打破學生原有的認知狀態(tài),使整個實驗過程遠離平衡態(tài),而學生在實驗討論中,會發(fā)生更深刻的“競爭”,進而發(fā)生新的“協(xié)同”,使原有的認知結(jié)構得到變革和充實．而在知識層面上,學生對為什么要連接滑動變阻器會有更深的認識,同時,也就解決了注意事項4和注意事項5．注意事項3留給學生“試錯”,其印象會更為深刻．該設計讓學生保持一定的懷疑態(tài)度進行探究,看似無序的教學過程實質(zhì)會達到新的平衡,促進教學過程的真正有序化．

(3) 促進教學過程非線性相互作用的發(fā)展:根據(jù)協(xié)同學理論,只有系統(tǒng)內(nèi)各要素存在非線性相互作用,才能形成自組織結(jié)構．而直覺思維作為一種非線性思維,為了促進教學過程的自組織轉(zhuǎn)變,必須重視發(fā)展學生的直覺思維．[1]下面以“探究電流與電壓的關系” 實驗數(shù)據(jù)分析為例．

常規(guī)設計:給各組學生提供阻值為10 Ω的電阻,引導學生根據(jù)實驗數(shù)據(jù),求解電壓與電流的比值,證明電流與電壓的線性關系．

師:同學們,電流與電壓可能存在什么關系呢?

生:正比．

師:若是正比,電壓與電流的比值有什么特點?

生:不變．

師:下面同學連接電路進行實驗,完成數(shù)據(jù)表1并驗證猜想．

表1

生:學生實驗并記錄分析數(shù)據(jù),驗證猜想,得出結(jié)論．

上述教學經(jīng)歷“猜想——實驗——分析——結(jié)論”的完整探究過程,條理清晰,邏輯嚴密,學生通過計算電流與電壓的比值即可驗證猜想．然而真實課堂中,可能只有部分小組能得到較為理想的數(shù)據(jù),加之時間有限,教師往往只選擇1-2小組進行展示,部分教師甚至擔心學生數(shù)據(jù)不夠“精確”,會在課前準備一組“完美”數(shù)據(jù),以此得出結(jié)論,長期進行類似的數(shù)據(jù)處理方式訓練,不但會讓學生的思維局限,無法很好地培養(yǎng)學生的直覺思維和洞察力,也不能及時對數(shù)據(jù)不理想的小組進行反饋和處理,降低學生的探究熱情．

非線性設計:提供不同阻值的電阻(5 Ω,10 Ω,15 Ω),巧妙整合全班學生的實驗數(shù)據(jù),通過圖像直觀說明電壓與電流的線性關系．

師:同學們,下面開始實驗,測出數(shù)據(jù)后,將透明膠片放在坐標紙上,描點在塑料膠片上,只描點,不連線(相同阻值的小組發(fā)放相同顏色的描點筆)．

生:學生實驗并描點．

圖8 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

師:(收集膠片并投影)好,下面我把我們班的塑料膠片疊放在一起,如圖8,同學們發(fā)現(xiàn)什么?

生:阻值相同的幾組同學的數(shù)據(jù)大致在同一直線上,不同阻值的在不同的直線上．

師:好,現(xiàn)在我用水性筆連線,說明什么問題?

生:電阻一定時,電流與電壓成正比．

該設計在結(jié)果尚不明確的情況下,對全班的數(shù)據(jù)進行了整體感知,而且不受時間限制,直接迅速地找到結(jié)論,這種數(shù)據(jù)處理方式正是對學生直覺思維的培養(yǎng),能有效促進教學過程從被組織向自組織轉(zhuǎn)變．

(4) 通過隨機漲落促進教學過程:漲落是指系統(tǒng)的某個變量對系統(tǒng)狀態(tài)統(tǒng)計平均值的偏離．漲落導致有序．[1]所以教師在教學中應創(chuàng)造民主的課堂氛圍,鼓勵學生交流,深化各種想法．下面以“探究電流與電壓的關系” 實驗結(jié)論的表述為例．

常規(guī)設計:根據(jù)實驗數(shù)據(jù),教師直接給出準確結(jié)論同時強調(diào)結(jié)論表述的注意事項．

師:同學們,由實驗我們可以得到:在電阻一定時,通過導體的電流與導體兩端的電壓存在什么關系?

生:成正比．

師:這里要注意兩點描述:一是“電阻一定”;二是“導體兩端的電壓”．

由教師強調(diào)易錯點,學生印象不深,仍舊處于一個被組織的狀態(tài),長期以往學生不善于提出新的想法．

隨機漲落設計:呈現(xiàn)學生表述的常規(guī)錯誤,鼓勵學生爭論并得出正確結(jié)論表達．

師:通過實驗數(shù)據(jù),我們可以得到I與U成正比(板書),這樣書寫規(guī)范嗎?請各小組思考討論并完善．

生:交流討論．

師:下面請同學們來修正?

生:應該是同一電阻,電流與電壓成正比．

師:有沒有不同意見?電流與電源電壓成正比嗎?

生:電流與導體兩端的電壓成正比．

師:請同學們完整表達該實驗結(jié)論．

生:在電阻一定時,通過導體的電流與導體兩端的電壓成正比．

該過程教師采用一個問題,將學生帶離平衡態(tài),繼而通過對話,辯論,在思維的交流中引導學生深化對電流與電壓的理解,最終形成有序的結(jié)構．

3 結(jié)束語

在自組織階段中,學生作為主體,起決定性作用,然而,教學過程的自組織轉(zhuǎn)變是教師、學生、環(huán)境等因素的多項協(xié)同結(jié)果,所以,教師的引導也是教學過程轉(zhuǎn)變的重要因素．在被組織階段,教師起主導作用,其作用是將學生引領到從被組織到自組織轉(zhuǎn)變的“臨界區(qū)域”直至序參量的出現(xiàn),沒有被組織階段,就不可能有自組織階段．本文“探究電流與電壓的關系”每個環(huán)節(jié)的自組織轉(zhuǎn)變設計中,都離不開教師的“教”,通過教師的“教”,輔助找出教學系統(tǒng)演化過程中的序參量——方法,學生通過分析、綜合、判斷等思維方式,討論、實驗等行為方式實現(xiàn)教學過程的自組織轉(zhuǎn)變．簡而言之,在教學中,要充分發(fā)揮師生雙方的積極作用,形成教育合力,但在這個過程中,教師的角色要從“講深”向“點睛”的引導轉(zhuǎn)變,從而促進學生主動參與學習,實現(xiàn)教學方式的根本轉(zhuǎn)變．