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从习题到原始问题:科学教育方式的重要变革(2)

从相互作用心理学的视野来审视,我们更能体察出原始问题教学与习题教学的本质不同。20世纪70年代以来,心理学研究中逐渐形成一种较新的思路,其基本思想集中于行为发生过程中人与环境的多向性交互作用,并且认为,在这种交互作用中,人与情境是相互依存而非单方面所决定。其基本观点有四个方面:1.个体的行为是他们与所处情境之间多方向的连续的交互作用结果;2.个体在这一交互作用过程中是有意识的和主动的;3.在交互作用的人的方面,认知和动机因素是行为的基本决定因素;4.在交互作用的情境方面,情境对于个体所包含的心理学意义是重要的决定因素。[5]相互作用心理学的新思路,为从个体和情境两方面对学生学习科学的心理过程作出描述、解释和预测,提供了理论和方法方面的基础,特别是对情境研究提供了较系统的分析手段,分别从“情境内交互作用”和“情境间交互作用”考察情境的心理学意义。

因此,为了克服习题教学的局限性,科学教育应当走出单一习题教学的禁锢,在真实的情境中研究学生的学习心理与科学教育活动,重视科学教育活动中学生与科学现象的多向性交互作用,以保证科学教育活动具有较高的生态学效度,具有较高的应用价值。而原始问题教学则使教育生态学的思想转变为现实成为可能。

当然,还应当指出,强调原始问题教学并不是完全排斥习题教学,否定习题教学的价值,而是主张在保留习题教学优点的同时,克服其不足,并通过两者的相互结合来达到提高科学教育效能的目的。

三、原始问题的教育功能

现代认知心理学的研究认为,人的思维生理基础是人的大脑。人脑有多达150亿个神经元,靠其突触相互连接构成无数条通路。这些通路构成了人类后天学习结果无限多样性的生理基础。因此,人脑不仅是一个生物系统,同时又是一个耗散结构。

耗散结构理论指出,一个开放系统,在远离平衡态的条件下可以由混沌向有序方向转化;有序的组织可能通过一个‘自组织’过程从无序和混沌中‘自发’地产生出来;自组织的显著特点是它通过突变过程而完成的,这个突变发生在事物由低级到高级阶段之间的‘分叉点’上;在发生突变之前,系统通过正反馈与外界交换物质、能量和信息,使有序状态参量不断增强,超过临界值系统便进入高一级阶段,这个高级阶段叫“耗散结构”,因为比起平衡结构,它要求消耗更多的能量来维持。

我们的研究表明,在科学教育中进行原始问题教学,可以较好地创设使学生的大脑从混沌向有序方向转化的条件,因此,原始问题教学具有以下教育功能。

(一)使学生的大脑充分开放

根据耗散结构理论,一个系统只有开放才能有序。这是因为,有序的结构需要输入物质、能量或信息,并与外界进行交换才能维持,封闭的系统无法进行有效的交换,因而最终变为混沌。传统的习题,往往与科学现象相脱离,充斥着小球、轻杆、木块、斜面……使学生处于模型和模块的包围之中,却往往不问其生活源头,感受不到科学现象真实与鲜活的一面,久而久之便桎梏了创造性思维的发展。由图1可知,习题在一定程度上就是一个封闭系统,其边界为虚线框,它基本上排除了环境因素的影响,因而不能使学生的大脑充分开放。

原始问题则不然,由于具有生态性和开放性等特点,就决定了原始问题的解决必然是探索和发现的过程。面对一个信息庞杂、客观真实的原始问题,学生很难找到可以拿来直接仿效的原型,需要通过独立思考,不断尝试,对问题进行探索。只有摆脱习题的束缚,学生的思维才可能脱离平衡状态。

(二)使学生的思维远离平衡状态

根据“耗散结构”理论,非平衡是有序之源。我们的思维之所以不断深化,是因为在大脑的认知过程中,原来认知结构的平衡状态被外来的刺激所打破,发生了“同化”或更深刻的“顺应”过程,使原来的认知结构得到充实或变革,达到新的水平和新的平衡。习题和原始问题的区别就在于,前者很难打破学生思维的平衡状态,而后者则刺激学生积极思维。由图1可知,原始问题的解决除了推导、演算等过程外,还包括建立模型的分解、简化、抽象等思维过程以及对原始问题加以直觉的认识、分析和判断过程,从而使学生的思维远离平衡状态,并达到培养学生创造性思维的目的。

(三)促进学生思维非线性相互作用的发展

“耗散结构”理论指出,只有在系统内各要素之间存在着非线性相互作用的机制下,才能形成耗散结构。因为非线性相互作用,使各个要素之间产生相干效应和协调作用。

当学生解决原始问题时,外界提供的信息常常是不充分的,有很多空白点,仅凭逻辑思维很难窥探问题的本质,此时,直觉思维不受“逻辑顺序”束缚的特点便可发挥作用。直觉思维作为一种与逻辑思维截然不同的思维,是一种非线性思维,其特点在于思维的触角可以伸出非常远,往往在还没有看清楚问题解决途径的时候就抓住了它的精神,然后再想办法把中间的路径联系起来。虽然并不能保证每一次都能成功,但如果不去伸出直觉思维的触角,就永远也走不远。爱因斯坦曾高度评价直觉思维的重要价值,他指出:“物理学家的最高使命是要得到那些普遍的基本定律,要通向这些定律,并没有逻辑的道路,只有通过那种以对经验共鸣的理解为依据的直觉,才能得到这些定律。”[6]高屋建瓴地说明了直觉思维的创造价值。

对于原始问题促进思维非线性相互作用的功能,一位物理教师通过教育行动研究进行了实践,取得了较好的效果。依据行动研究是“由社会情境(教育情境)的参与者,为提高对所从事的社会或教育实践的理性认识,为加深对实践活动及其依赖的背景的理解所进行的反思研究”的理念,[7]教师在课堂上向同学们提出了这样一个原始物理问题:“在宇航飞行时人们处于失重状态。失重给宇航员的生活和工作带来很大不便,因此,有必要制造一个‘人造重力’装置。‘人造重力’能否实现?”[8]显然,这一问题只有在思维的各个要素产生相干效应和协同作用下才有可能解决。

(四)通过随机涨落促进学生思维从无序到有序的转变

“耗散结构”理论提出,处于近平衡区的系统,其内部的涨落将会进一步导致结构的破坏,使系统进入无序状态。但对于远离平衡区的系统,涨落却可能成为促使系统从不稳定状态跃迁到一个新的稳定有序状态的诱因,涨落就可能被放大,导致系统失稳,把系统推到临界点上,并进而由随机涨落进行选择,沿多种可能途径中的某一分支进入一个新的状态。

在科学教育中,当学生的思维系统到达临界点时,系统内很多参量如美感、新颖性、解释性、复杂性、包容性、理解性等,其中一些可能会很快衰减,而另一些则可能越来越被放大。这种情况常常是在突然之间发生的。这是因为,系统发生非平衡相变时状态参量是从零越过临界点到达一个非零值的,思维的这种状态就是灵感被激发的状态。如前所述,对于‘人造重力’问题,“李辉同学提出了根据角动量守恒定律,设法使航天站和配重所构成的系统不停地做匀速圆周运动,从而使‘人造重力’实现的方案;刘娟同学则建议把配重做成另一个航天站同时送上太空,两个航天站绕着它们的中点转动的方案;而罗敏同学进一步提出了把连接两个航天站的支架改成管形通道的方案。这时,李辉突然说:‘有了!我把航天站做成密封的圆环状,从地面发射到达预定轨道后,通过动力使环形舱获得一定角速度绕圆环的中心转动,撤去动力,由于角动量守恒,环形舱可以不停地转动下去,宇航员便可以在类似地面重力的情况下生活了。’” [8]于是,通过这个被随机放大的涨落(管形通道),李辉同学完成了思维从无序到有序的突变。这就是涨落导致有序。

总之,原始问题教学使科学教育从纯粹的知识传授模式中走出来,进入科学知识传授与应用相结合的新阶段,从而使科学教育更符合其培养目标。在科学教育思想上,它引起了一次革命,打破了传统科学教育中习题教学占据统治地位的格局,提出了解决科学教育外部效度的有效措施,它拓展了人们的科学教育视野,拓宽了科学教育的范畴,进一步增进了人们对于科学教育规律的理解与认识,从而有助于更好地实现科学教育目的。

参考文献:

[1]教育部考试中心.高考物理能力考察与题型设计[M].北京:高等教育出版社,1997.258.

[2]杜殿坤.原苏联教学论流派研究[M].西安:陕西人民教育出版社,1993.362.

[3]林纯镇,吴崇试.我国赴美物理研究生考试历届试题集解(1980—1984)[M].北京:高等教育出版社,1985.代序.

[4]王静.高中学生解决物理习题与原始物理问题的比较研究[D].北京:首都师范大学,2005.46.

[5]Joseph P Forgas,Guus L Van Heck.The Psychology of Situations[A].Gian—Vittoria Caprara,Guus L Van Heck(eds.).Modern Personality psychology[C].New York:Harvester Wheatsheaf,1992.422.

[6]爱因斯坦文集[M].许良英,李保恒,赵中立,译,北京:商务印书馆,1977.102.

[7]林崇德.教育与发展[M].北京:北京师范大学出版社,2002.158.

[8]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准(实验)[S].北京:人民教育出版社,2003.71—72.

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