大學物理教學中的復雜性思維培養(yǎng)研究

摘 要 文章探討了復雜性科學理論在物理教學中的應用及其對學生思維發(fā)展的影響。通過引入非線性動力學、自組織臨界性理論、復雜網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)以及量子力學的概率詮釋與不確定性原理等框架，文章闡述了這些理論如何為物理教學提供新的視角和工具，幫助學生更深入地理解物理現(xiàn)象的復雜性和非線性特征。文章還強調(diào)了這種教學模式在培養(yǎng)學生復雜性思維、科學素養(yǎng)和創(chuàng)新能力方面的重要性，指出將復雜性科學理論融入物理教學是未來教學改革的重要方向，有助于培養(yǎng)具備跨學科解決問題能力的人才。

關(guān)鍵詞 復雜性理論；大學物理；非線性動力學；自組織臨界性

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2024.18.022

Research on Cultivating Complex Thinking in College Physics Teaching

YU Yang

（School of Advanced Manufacturing Engineering， Hefei Universi32552b3caf0604b1efbc2525cf52daf1ty， Hefei， Anhui 230601）

Abstract This article explores the application of complexity science theory in physics education and its impact on student thinking development. By introducing frameworks such as nonlinear dynamics， self-organizing criticality theory， complex network topology， and probability interpretation and uncertainty principles of quantum mechanics， the article elaborates on how these theories provide new perspectives and tools for physics education， helping students gain a deeper understanding of the complexity and nonlinear characteristics of physical phenomena. The article also emphasizes the importance of this teaching model in cultivating students' complex thinking， scientific literacy， and innovation ability. It points out that integrating complex scientific theories into physics education is an important direction for future teaching reform， which helps to cultivate talents with interdisciplinary problem-solving abilities.

Keywords complexity theory; college physics; nonlinear dynamics; self-organizing criticality

隨著科學研究的深入和社會發(fā)展的需求，復雜性思維在物理科學中的應用價值日益凸顯。無論是量子力學中的波粒二象性，還是宇宙學中的大爆炸理論，都需要運用復雜性思維來理解和解釋。因此，如何在大學物理教學中有效培養(yǎng)學生的復雜性思維，成為當前物理教學改革面臨的重要課題。本研究旨在探討大學物理教學中復雜性思維培養(yǎng)的途徑和方法，以期為物理教學改革提供有益的參考和借鑒。通過深入分析當前大學物理教學的現(xiàn)狀和問題，結(jié)合復雜性思維的理論基礎(chǔ)和應用價值，本研究提出一系列切實可行的復雜性思維培養(yǎng)策略。這些策略不僅有助于提升學生的物理學科素養(yǎng)和創(chuàng)新能力，還能為他們未來在科學研究、工程技術(shù)、社會實踐等領(lǐng)域中應對復雜挑戰(zhàn)打下堅實的基礎(chǔ)。

1 復雜性思維的理論基礎(chǔ)

復雜性思維作為一種處理非線性、自組織、動態(tài)演化等復雜系統(tǒng)的思維方式，其理論基礎(chǔ)涉及多個學科領(lǐng)域和認知層面[1]。以下是對復雜性思維理論基礎(chǔ)的幾點具體闡述。

1.1 非線性動力學視角

在探索物理現(xiàn)象的深層次本質(zhì)時，非線性動力學視角為我們揭示了一種不同于傳統(tǒng)線性思維的復雜性思維模式。這種視角強調(diào)，物理系統(tǒng)往往并非其各個組成部分的簡單線性疊加，而是由眾多相互關(guān)聯(lián)、相互影響的要素所構(gòu)成的非線性網(wǎng)絡(luò)。在這樣的網(wǎng)絡(luò)中，微小的變化可能會通過正反饋或負反饋機制被放大或抑制，從而導致系統(tǒng)整體行為的難以預測和復雜性。非線性動力學不僅關(guān)注系統(tǒng)內(nèi)部的相互作用和反饋機制，還致力于探索這些作用如何導致新穎、獨特的整體行為的涌現(xiàn)。這種視角使我們能夠更加深入地理解物理現(xiàn)象中的非線性過程，如混沌現(xiàn)象、自相似結(jié)構(gòu)等，并形成對復雜系統(tǒng)的敏感性和洞察力。通過將非線性動力學理念融入物理教學，我們可以引導學生超越線性思維的局限，更加全面、深入地理解物理世界的復雜性和多樣性。

1.2 自組織臨界性理論

自組織臨界性理論為理解復雜系統(tǒng)的自發(fā)演化和臨界行為提供了獨特的視角。該理論指出，在沒有外部控制的情況下，許多復雜系統(tǒng)能夠通過內(nèi)部各要素之間的相互作用和自組織過程，演化到一種臨界狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，系統(tǒng)的行為變得高度敏感和不穩(wěn)定，微小的擾動都可能觸發(fā)系統(tǒng)的劇烈變化，甚至導致系統(tǒng)跨越到全新的狀態(tài)。自組織臨界性不僅揭示了復雜系統(tǒng)內(nèi)部的動力學機制和自組織能力，還為我們理解自然界中許多看似無序但實際具有內(nèi)在規(guī)律的現(xiàn)象提供了新的思路。在物理教學中引入自組織臨界性的概念，可以幫助學生深入理解湍流、地震等自然現(xiàn)象背后的復雜性思維，并激發(fā)他們對自然界奧秘的探索興趣。

1.3 復雜網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)

復雜網(wǎng)絡(luò)作為描述真實世界中復雜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的重要工具，其拓撲結(jié)構(gòu)在決定系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動力學行為方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。從復雜性思維的角度來看，將物理系統(tǒng)視為由眾多相互關(guān)聯(lián)的節(jié)點和邊構(gòu)成的復雜網(wǎng)絡(luò)，能夠揭示出系統(tǒng)內(nèi)部隱藏的結(jié)構(gòu)特征和動力學規(guī)律。在這種視角下，我們不再僅僅關(guān)注系統(tǒng)中單個組件的性質(zhì)和行為，而是更加注重組件之間的相互作用和連接模式對整個系統(tǒng)性能的影響。通過分析網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)、節(jié)點間的連接強度和信息傳播機制等關(guān)鍵要素，我們可以更加深入地理解物理系統(tǒng)的復雜性和演化過程，從而為解決實際問題提供更加全面、準確的思路和方案[2]。

1.4 量子力學的概率詮釋與不確定性原理

量子力學以其獨特的概率詮釋和不確定性原理為復雜性思維提供了新的視角和工具。在量子力學的框架下，微觀粒子的狀態(tài)不再具有確定的位置和軌跡，而是由波函數(shù)描述的概率分布所決定。這種概率性和不確定性要求我們在處理微觀系統(tǒng)時必須放棄經(jīng)典物理中的確定論思維方式，轉(zhuǎn)而采用一種更加靈活、開放和包容的復雜性思維來應對微觀世界中的復雜性和不確定性。通過引入量子力學的概率詮釋和不確定性原理，我們可以引導學生更加深入地理解微觀世界的本質(zhì)特征，并培養(yǎng)他們在面對復雜問題時采用多維度、多角度的思考方式。這種思維方式的轉(zhuǎn)變不僅有助于提升學生的科學素養(yǎng)和創(chuàng)新能力，還為他們未來面對更加復雜多變的挑戰(zhàn)奠定了堅實的基礎(chǔ)。

2 物理教學中復雜性思維培養(yǎng)策略

在物理教學中，要真正培養(yǎng)學生的復雜性思維，需要超越傳統(tǒng)的教學框架，引入前沿的教學理念和實踐方法。以下策略旨在從深層次上促進學生復雜性思維的形成和發(fā)展。

2.1 引入復雜性科學理論框架

引入復雜性科學理論框架作為物理教學的指導，具有深遠的意義。具體而言，將自組織理論、復雜網(wǎng)絡(luò)理論以及非線性動力學等復雜性科學理論的核心概念和原理融入物理教學中，可以幫助學生從全新的視角審視和理解物理現(xiàn)象。這些理論所揭示的非線性、動態(tài)演化和自組織特性，是傳統(tǒng)物理教學所忽視的重要方面。通過深入剖析這些特性，學生可以更加全面地認識物理世界的復雜性，從而培養(yǎng)出更加敏銳和深入的科學洞察力。此外，這種引入還為學生提供了分析復雜問題的新工具和方法，使他們能夠更加靈活地應對現(xiàn)實生活中的各種挑戰(zhàn)[3]。因此，將復雜性科學理論框架引入物理教學，不僅是對傳統(tǒng)教學方法的有益補充，也是提升學生科學素養(yǎng)和創(chuàng)新能力的重要途徑。通過這一創(chuàng)新性教學策略，可以培養(yǎng)出更多具有復雜性思維和跨學科解決問題能力的優(yōu)秀人才。

2.2 構(gòu)建問題導向的學習環(huán)境

構(gòu)建問題導向的學習環(huán)境在物理教學中至關(guān)重要。具體而言，教師應精心設(shè)計一系列具有開放性和復雜性的問題情境，這些問題應源于真實世界的物理現(xiàn)象，蘊含著深層次的科學原理和挑戰(zhàn)性的探究問題。在這樣的學習環(huán)境中，學生被賦予更多的自主權(quán)和責任，他們需要獨立提出問題、設(shè)計實驗方案、系統(tǒng)收集數(shù)據(jù)并進行深入分析。這一過程不僅鍛煉了學生的問題解決能力，還培養(yǎng)了他們的科學探究精神和批判性思維。更重要的是，這種學習環(huán)境鼓勵學生面對復雜性和不確定性，通過反復試錯和不斷迭代來深化對知識的理解。這種基于問題的學習模式，有助于學生形成更加靈活和深入的科學認知結(jié)構(gòu)，同時也為他們未來面對更加復雜和多變的問題提供了寶貴的思維訓練和實踐經(jīng)驗。因此，構(gòu)建問題導向的學習環(huán)境是物理教學中培養(yǎng)學生復雜性思維和創(chuàng)新能力的有效途徑。

2.3 整合計算思維與物理模擬

整合計算思維與物理模擬在現(xiàn)代物理教學中具有革新性的意義。通過引入編程和模擬軟件，將計算思維作為核心要素融入課堂實踐，使學生能夠利用計算機模擬技術(shù)來探究復雜物理系統(tǒng)的動態(tài)行為。這種整合不僅為學生提供了一個直觀、交互的學習環(huán)境，讓他們可以觀察和操縱物理現(xiàn)象，從而更深刻地理解物理規(guī)律，還能培養(yǎng)他們運用計算工具分析和解決復雜問題的能力。更重要的是，計算模擬作為一種強大的探究工具，允許學生探索那些在傳統(tǒng)實驗中難以觸及的復雜現(xiàn)象和微觀機制。通過調(diào)整參數(shù)、設(shè)計模擬實驗和觀察系統(tǒng)的演化，學生可以洞察到物理現(xiàn)象背后的深層原理，并發(fā)展出對復雜系統(tǒng)行為的敏銳感知。因此，整合計算思維與物理模擬不僅增強了物理教學的互動性和趣味性，還在深層次上促進了學生復雜性思維和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。這一教學策略的實施，將為物理教學帶來新的活力和可能性，有助于培養(yǎng)出更多具備計算素養(yǎng)和科學探究能力的優(yōu)秀人才。

2.4 強調(diào)批判性思維與多元視角

批判性思維與多元視角在物理教學中的重要性不容忽視。為了實現(xiàn)這一目標，教師需要鼓勵學生對物理理論和實驗結(jié)果保持一種審慎而開放的態(tài)度，通過提出疑問、尋找反例、進行假設(shè)檢驗等方式，深入反思和質(zhì)疑現(xiàn)有的知識體系。同時，教師還應積極引入多元視角，將物理學與其他學科如數(shù)學、化學、生物學以及人文社會科學等緊密結(jié)合起來，讓學生從多個維度和層面審視物理問題[4]。這種跨學科的教學方法不僅能夠拓寬學生的知識視野，還能夠加深他們對物理現(xiàn)象和原理的理解。通過培養(yǎng)批判性思維和引入多元視角，學生可以更加靈活地運用所學知識解決實際問題，同時也能夠激發(fā)他們的創(chuàng)新思維和創(chuàng)造力。因此，在物理教學中強調(diào)批判性思維與多元視角，對于培養(yǎng)學生的復雜性思維、提升他們的科學素養(yǎng)和綜合能力具有重要意義。

2.5 創(chuàng)設(shè)協(xié)作與反思的學習環(huán)境

創(chuàng)設(shè)協(xié)作與反思的學習環(huán)境對于物理教學中的復雜性思維培養(yǎng)至關(guān)重要。為了實現(xiàn)這一目標，教師需要精心設(shè)計各種小組討論、項目合作等互動活動，鼓勵學生之間的深入?yún)f(xié)作與交流。在這些活動中，學生不僅能夠共同探究物理問題，還能在互動中激發(fā)新的想法和觀點，從而深化對物理知識的理解。同時，教師還應積極創(chuàng)設(shè)反思的學習環(huán)境，引導學生在探究過程中不斷回顧和總結(jié)自己的思維過程和策略。這種反思過程有助于培養(yǎng)學生的元認知能力，使他們能夠更加清晰地認識自己的學習方式和思維習慣，從而調(diào)整學習策略，提升自主學習能力。通過協(xié)作與反思的有機結(jié)合，學生能夠在互動中不斷挖掘物理知識的深層含義，提升復雜性思維能力，為未來的科學研究和實際問題解決奠定堅實的基礎(chǔ)。這種教學環(huán)境的設(shè)計，不僅體現(xiàn)了物理教學的創(chuàng)新性和前瞻性，還是對學生全面發(fā)展的有力支持[5]。

3 結(jié)語

通過引入復雜性科學理論框架，如非線性動力學、自組織臨界性理論、復雜網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)以及量子力學的概率詮釋與不確定性原理，物理教學得以邁向一個全新的高度。這些理論不僅為物理教學提供了更深層次的理解和分析工具，還培養(yǎng)了學生的復雜性思維，使他們能夠更敏銳地洞察物理現(xiàn)象背后的非線性、動態(tài)演化和自組織特性。這種教學模式的轉(zhuǎn)變，不僅提升了學生的科學素養(yǎng)和創(chuàng)新能力，也為他們未來面對復雜多變的挑戰(zhàn)做好了充分準備。因此，將復雜性科學理論融入物理教學，是未來物理教學改革的重要方向，也是培養(yǎng)具有復雜性思維和跨學科解決問題能力人才的必由之路。

隨著科學研究的不斷深入，復雜性科學理論在物理教學中的應用將展現(xiàn)出更加廣闊的前景。未來，期待這些理論能更加系統(tǒng)地融入物理教材和課程體系，成為培養(yǎng)學生復雜性思維和解決復雜問題能力的核心工具。同時，教育技術(shù)的快速發(fā)展也將為復雜性科學理論與物理教學的深度融合提供新的可能，例如通過虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實等技術(shù)手段，讓學生更加直觀地理解物理現(xiàn)象中的非線性動力學和自組織臨界性。此外，隨著跨學科研究的推進，物理教學將更加注重與其他學科的交叉融合，共同探索復雜系統(tǒng)的本質(zhì)和演化規(guī)律。在這個過程中，復雜性科學理論將繼續(xù)發(fā)揮重要作用，為物理教學乃至整個科學教育的發(fā)展貢獻新的力量。

參考文獻

[1] 楊雄珍.復雜性理論下的課堂教學及其有效性探析[J].教學與管理，2012（18）：131-132.

[2] 朱鋐雄，王世濤，王向暉，等.試論大學物理課程的“教學原點”和“價值坐標”——對《非物理專業(yè)理工學科大學物理課程教學基本要求》的解讀[J].物理與工程，2008（2）：17-20.

[3] 李慧娟.大學物理非線性教學系統(tǒng)的研究[J].中國農(nóng)業(yè)教育，2007（2）：30-31，35.

[4] 陳恒.復雜性理論指導下的大學物理教學改革[J].科技視界，2014（28）：25.

[5] 王林杰，王健瑩，吳迪.大學物理實驗教學方法和教學資源建設(shè)的研究[J].知識文庫，2019（3）：178.