耗散结构与教学

耗散结构理论对研究性教学的启示

耗散结构的特征

耗散结构理论是比利时著名科学家普里高津,通过对非平衡系统的长期研究, 于1969 年创立的一种自组织理论。耗散结构理论指出: 一个远离平衡的开放系统, 可以是力学的、物理的、化学的、生物的, 乃至社会的、经济的系统, 通过不断地与外界交换物质和能量, 在外界条件的变化达到一定的阈值时, 可能从原有的混沌无序的混乱状态转变为一种在时间上、空间上或功能上的有序状态, 这种在远离平衡情况下所形成的新的有序结构( 自组织) , 被命名为“耗散结构”.

特征：

1.耗散结构发生在开放系统中, 要靠外界不断供应能量或物质才能维持。

产生耗散结构的开放系统必须有负熵流（所谓开放系统, 就是与外界环境既有能量交换、又有物质交换（对于生物系统和社会系统还包括信息交换）的系统。）

2.耗散结构只在远离热力学平衡情况下的非线性区域发生

形成有序结构的各要素之间存在着非线性的相互作用,这种相互作用使各要素间产生相干效应与协调动作,从而可以使系统从杂乱无章变为井然有序.。

自然界是物质的,物质以系统方式相互联系,在自然界中开放系统、远离平衡态的系统是普遍存在的,在系统中各要素间存在着非线性的相互作用. 在具备上述三个条件的基础上,普利高津建立了耗散结构理论,解决了自然界如何从模糊、混沌、无序到精确、稳定、有序的问题,并提出了模糊与精确的方法.这种方法为解决自然界和社会中大量存在的模糊问题提供了方法借鉴,具有重要的现实意义.

3.耗散结构产生于对称性自发破缺（耗散结构具有时空结构, 对称性低于

耗散结构发生前的时空均匀状态.）

4.耗散结构是稳定态的非热力学分支

耗散结构是稳定的, 它不受任何小浮动的破坏, 系统的稳定态有不同的分支.热平衡态是稳定态的热力学分支, 耗散结构是稳定态的非热力学分支. 耗散结构在系统的热力学分支失稳中产生, 达到非热力学分支的新定态.

5．有效性涨落

（系统中某个变量或行为对平均值所发生的偏离。）。对于任何一个多自由度的复杂体系,这种偏离是不可避免的。但它对具有不同稳定性的系统,其作用是不相同的。

自组织方法解决创造性教学中的问题初探

自组织现象几个实例：激光、生命系统、贝纳德对流、贝洛索夫一萨坡金斯基反应

针对创造性教学工作中的不足,以自组织理论为依据,可采取以下措施:

第一, 开放教学系统, 增大系统的负熵流。

产生有序结构的系统必须是一个开放系统,即系统内外环境之间要有物质、能量、信息交换与流通,并且系统必须从外部输入负熵流,

调整课程结构, 提高学生对课程选择的自由度。就教学科目来说, 必修与选修两者相互关联。必修课程体现了学校对学生基本素养的要求,选修课程则反映了学生兴趣与能力的差异, 对学生的创造性挖掘尤为必要。当前的课程设置中,选修课占有一定的比例,但比例很小。为满足不同学生兴趣的需要,课程编配弹性化势在必行。为了充分发挥学生的个性与创造性,可在学生的本科阶段的前两年少设选取修科目,但随着年级的升高,学生的需要、态度、能力、兴趣发生变化, 选修科目的范围和比例应逐步扩大。

第二,实现远离平衡态的教学组织过程。

系统从无序到有序,必须远离平衡的状态,在热平衡态、近平衡态都不会出现有序结构,只有远离平衡态的系统才有可能从杂乱无序的初态跃迁到新的有序状态.

班级授课制能扩大教育对象,提高教学效率,但它忽视了个体需要及其潜在能力,因而不利于因材施教。远离平衡态的教学组织过程就是要最大限度地促进学生之间的协同,教学过程可以是小组合作的、非指导性的、自学辅导式的,使教学的实践性增强,学生的动手机会增多,探索性创造性得到发挥,课堂设置可以从课内延伸到课外和校外,甚至可以是校内、外的各种教学活动形式, 如各种兴趣小组、定期举行报告和讲座、外出参观、访问、调查等, 从而增强学生的主人翁意识和创新能力。加强教学民主, 给学生更多表达个人见解的机会, 鼓励学生的批判意识。

第三,建立远离平衡态的教学评价机制。首先,评价对象远离只限于评价学生的情况,要把评价对象扩大到教学目的、课程设置、教材选择和教学环境等多个方面。其次, 评价内容远离仅侧重于评价学生的情况,评价内容要把学生的个性差异也包含在内。再者,评价过程远离只重视教学结果的情况,应对结果的形成性进行分析,找出原因,以便更好的促进以后的教学工作。

第四,深入对教学的改革,促使教学出现涨落。教学系统是由方方面面构成的复杂体系,具体的创造性教学工作不可能面面俱到。为此, 可选择某一方面的涨落为实施的突破口。可以从培养学生的元认知能力、从完善学生的创造性人格、从培养学生的发散性思维或者从改变课程结构和课程内容等入手。然后再以此为中心,来设计教学整体工作中的各个子环节的相互协调、合作与竞争, 达到创造性教学系统的整体提升。

从无序到有序——以耗散结构论分析创新的机制

创新与“诱因”密切相关, “诱因”就是指能够诱导灵感、产生顿悟的有关信息。如何诱导, 可采用原型启发、自由想象、发散联想、大胆怀疑、多向反思等方法。这就要求我们在平日的教学中要善于发现学生的创新潜能, 捕捉学生创新思维的闪光点。要有意识地激励学生积极思维、生疑质疑, 培养学生敏锐观察、丰富想象, 指导学生标新立异、打破常规⋯⋯当然我们谈到“灵感”“直觉”“顿悟”

等, 并不意味着只靠偶然因素的影响便可实现认识的突破。科学史上的发现并不是单纯靠一时的灵感。表面看来是随机的、突发的现象, 实际根源于非平衡系统内部的非线性作用机制。科学家们之所以对某个问题的解决产生灵感, 是与它们顽强的科学精神、广博的科学知识、良好的知识结构、杰出的科研能力等分不开的。正是由于对某个问题进行了长久的思考、酝酿, 才有可能在某个偶然因素的激发下实现认识的飞跃, 达到创新的目的。

“如果没有好奇心和纯粹的求知欲为动力, 就不可能产生那些对社会和人类具有巨大价值的发明创造”。