理工类学科课堂教学改革的有效路径.docx

《理工类学科课堂教学改革的有效路径.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《理工类学科课堂教学改革的有效路径.docx（11页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、理工类学科课堂教学改革的有效路径 摘要势科学理论基础上，根据集约型教化“信息量最大作用量最小”的教化教学原则，依据理工类学问的内容特征，提炼出“线性”、“叠加”、“对称”、“变换”及“作用量原理”这些包含巨大信息量而具有方法论价值功能的概念或“学问单元”，结合详细专业教学，探讨了理工类学科教学改革的理论和实践。 关键词教化改革；集约型教化；势科学；工程教化；素养教化 中图分类号G642.0文献标识码A文章编号1015-4634(2022)03-0019-03 在势科学与现代教化学理论探讨之一到之七中，笔者在势科学理论基础上，探讨教化教学过程信息相互作用的动力学机制，揭示了教化理论逻辑缺失的误导

2、和风险，给出了素养概念的科学定义，阐述了人才素养的形成机制、创新发生的逻辑过程以及如何根据普适性的集约型教化即对称化教化理论营造最大的教化教学信息量和信息势，推动人才的集约型跨越性成长。本文将在此基础上，详细探讨理工类学科如何根据势科学理论进行有效的课堂教学改革，从而实现集约型教化目标。 1传统理工类教化模式面临的挑战 以往很多理工类学科教化教学改革的重点放在了课程设置的改革、课程内容的改革以及教学技术(特殊是多媒体教学)的改革之上，忽视了教学过程最重要的环节课堂教学的改革，以致使教化改革肯定程度上成了“专家改，领导改，而老师不改”，有人甚至形象地叫做“教书的不改，不教书的改”。 现代工程教化

3、的基本冲突是“学问爆炸而学时有限”：一方面为了跟得上时代的发展不得不学习更多的新学问，另一方面为了适应时代的创新要求不得不接着关注理论基础。目前解决这个冲突的一般方法是删除基本方程或公式的微元建模及理论推导，用公式或方程及定理或定律的盘点式排列和积累编撰教材，使书本几乎变成了手册，而照本宣读的传统教学方式更加剧了学生理解的困难为了搞清公式或方程的意义，书本内容不是越念越少，而是越念越多，由此使教与学陷入了恶性循环的逆境。解决这种教学逆境的有效路径，就是要依据势科学理论，根据集约型教化原则，在更加抽象的层次上寻求理工类学问的内在统一性，提炼出某些包含巨大信息量的统摄性概念，从而促进学问的集约型理

4、解，推动课堂教学的改革。 教学作为信息相互作用的动力学过程，不但应有传统教学的学问性和逻辑性，而且必需具有现代教化基于意义理解层次上的形象性、抽象性、统摄性、创新性和挑战性。传统的学问性、逻辑性教学适合以应用学问为主的传统工业社会，而在信息化社会中，信息量的指数增长和产品寿命周期的加速缩短使创新成为时代的主题。因而信息化时代的基本生产实践要求“不是将学问应用于工作中，而是要将学问应用于创新中”。也就是说，面临的工作不是以“应用学问”为主，而是以“应用学问的创新”为主。传统的学问性、专业性、逻辑性教学为传统工业社会培育了大批的贤人志士，是因为传统社会的生产实践是以操作性工作为主的，因而那样的教化

5、教学也符合历史背景。在传统社会的生产实践中，尽管理工类学科门类众多、内容各异，但在以“应用学问”为主的操作性实践中，完全可以实现用什么、学什么美其名曰“学以致用”。因而各专业及各课程各搭各的台子、各唱各的戏，使原来具有内在统一性的理工类学问被割裂的支离破裂，不能有效地营造教化信息势，因而失去了整体的创新活力。面对一个创新时代，传统的教学模式受到了严峻挑战。教化要适应新的时代要求，必需以势科学理论揭示的教化规律为基础，从单纯学问性、逻辑性的教化，转变为能营造教化信息强势的形象性、抽象性、统摄性、创新性和实践性教化。 2揭示理工学问的内在统一，营造理工科教化的信息强势 根据在势科学基础上提出的集约

6、型教化的基本理论，有效教化的根本路径就是生产最大的教化信息量、营造最大的教化信息势。也就是说，用一些最基本的概念将差别巨大的理工类学科各种学问联系起来，是理工类学科教化的根本路径。幸运的是，理工类学问恰恰具有这种内在的统一性。这种内在统一性从学问的逻辑寻源，就是“牛顿定律”(欧姆定律、欧拉方程以及拉格朗日方程和哈密顿原理等都是牛顿定律的不同形式，大工业就是建立在牛顿定律基础上的)；从方法的整体统摄，不外乎“线性、叠加、对称、变换及作用量原理”等。 综观高校理工科专业的众多门课程，其内容如此丰富，涉及面如此广泛，不同专业领域之间相距如此遥远，隔行如隔山。然而，当细致分析、比较时就会发觉，“线性”

7、、“叠加”、“对称”、“变换”以及“最小作用原理”等等是如此普遍地出现在各门课程中，它们几乎以一种“学问元素”的功能统领着各门课程。 事实上，学生和老师都会有这样的体会：一个难题会使人费尽心机不得其解，但利用“线性、叠加、对称、变换以及最小作用原理”等等往往使人茅塞顿开。例如，当面对的是一个“线性”系统，从而实行了“叠加”的方法；或者视察到了系统的某种“对称性”，就会使解题程序大大简化；或者可以用某种“变换”，进一步变更系统的非对称性和非线性；或者利用“动静法”和“静动法”，还可以分别将运动系统变为静止的处理，以及将静止的系统置于运动中处理；或者从能量的角度去处理问题以及利用“最小作用原理”，

8、则往往会使问题变得更加直截了当；而系统之间存在的类比性和相像性，往往是物质作用的“分形”机制产生的“标度对称”，所以比拟也可以有大大的帮助。“线性”、“叠加”、“对称”、“变换”及“最小作用原理”等概念的普适性，使它们能够将差别巨大的各学科内容统一起来，包含了极大的信息量，因而在肯定程度上既成为建构各门课程的“学问元素”，又成为统帅各门课程教学的方法论原则。假如教学能够有效地利用这些方法论原则，则可以将差别巨大的理工科众多学问统一起来，产生巨大的教化信息量，营造强大的教化信息势。 假如把理工学问比作结构困难的“桁架”的话，那么线性、叠加、对称、变换、最小作用原理及动静法、静动法等，就是构成这些

9、桁架的诸“二力杆”，而数学则是组建这些桁架的“联接件”，它们的每一种不同的组合就构成一种详细的学问。虽然力学(科学)的发展会使旧的“结构”(旧的学问)淘汰，但这些“二力杆”(学问单元或方法)却照样在新的“桁架”(新的学问)之中具有生命力。科学的发展证明，愈具有概括性、抽象性、统摄性、通用性的学问就愈具有生命力；愈具有生命力的学问就愈具有创建性，因为它们具有的信息量更大、信息势更强。摩擦取火的学问早就淘汰了，而起源于同一时期的整数四则运算却始终延用着。数学学问从独创以来就不曾淘汰过，而且在各种学科的发展中发挥着潜在的创建性，就在于数学学问高度的概括性、抽象性、统摄性和通用性以及数学学问的方法论功

10、能使其具有最大的信息量和最大的信息势。所以，在这个学问爆炸的年头，在这个学问快速老化和淘汰的年头，抓住“线性、叠加、对称、变换、作用量原理”等这些真正具有生命力和具有高度的概括性、抽象性、统摄性和通用性的“学问单元”和“方法基因”，贯彻于理工科的教学中，既是一个简化教学过程、解决“学问爆炸和学时有限”冲突的有效手段，又是一个既教给学生以学问，又教给学生以方法和创新的实际措施，而本质上就是一个有效地生产教化教学信息量，营造教化教学信息势的根本路径，同时也是一种真正的通识教化和素养教化的详细实践。 就讲课而言，根据势科学理论的集约型教化原理，应当尽可能避开重复书本上的逻辑。逻辑地推导结论，培育学生

11、的逻辑思维实力无疑是高校教化的一个重要方面，但结论的逻辑牢靠性以及逻辑分析方法的驾驭，应当让学生自己从读书中获得，而老师应当利用讲课的机会建立一套以形象思维和直觉性领悟、直觉性把握为基础的类似于科学发觉和探讨程序的直观性教学模式来生产更高层次上的信息量、营造更高层次上的信息势。这里的“直观”只有“形象思维”和“直觉”的意思，而没有“干脆视察”的意思。形象思维是相对逻辑思维而言，而直觉则是指依靠已有学问阅历的凝合对客观对象的本质及其规律性联系作出敏锐洞察而得到干脆理解的思维形式，直觉的特点在于非逻辑性、整体性、干脆性和快速性。有效的整体性直觉，事实上是一种跳过逻辑的高度抽象，因而具有最大的信息量

12、和最大的信息势。直觉可分为几何性直觉、物理性直觉和一般性直觉。代数学家经过冗长的计算所达到的一切，几何学家往往即刻可以了解；数学的模型往往非常困难，而物理的直观意义却深刻而明确；有时对于难以理解的结论(如微分的，集合的等)可以通过某种高度直觉抽象的志向化，使学生能抓住它的本质所在而把握住它。这当然要求老师具有丰富而宽广的学问面，不但要有对本专业学问的深思熟虑，而且要有对各有关学科的总体相识，能综合各种学问，融会贯穿。从某种战略意义上讲，须要建立不同层次的认知结构或储存不同层次的学问单元，像计算机模块、子程序一样随时可以调用。 基于势科学基本理论和集约型教化原则，笔者在讲解各门课程的有关内容时，

13、多年来坚持不重复书本的逻辑过程，而采纳具有丰富信息量，从而能够营造强大教化信息势的整体性的、综合性的、形象化思维的直觉性的教学方法，取得了良好的效果。例如：在“搅拌与分别机械”课程中，讲解自由涡流和强制涡流运动的表面方程时，采纳对于双曲面和抛物面的形象化几何直观写出其基本方程，再用详细条件确定有关常数，而不去重复书本的微元化微分法的逻辑过程，使学生更能从几何意义上将问题联系起来营造信息势，从而更好地理解和记忆方程；在讲解搅拌机的功率计算时，采纳“功=强度因素容积因素”这样最基本的“单元化”物理直观形式，将差别巨大的“搅拌器剪切量”与“排液量”在功概念的本质意义上联系起来，干脆写出功与搅拌器剪切

14、量及排液量的关系，从而得到功率的基本表达式，而不去重复书本困难的因次分析过程，营造强大的教化信息势，使学生从本质上理解公式的物理意义，同时也建立和巩固了相应的功能性学问单元，强化了认知结构；在讲解混合时间的表达式时，采纳混合时间与混合液体积及其作用力的时间效应动量及雷诺数的比例关系，干脆写出混合时间方程式，既明白又直观；在讲解流体的连续性方程时，应用“无源系统”质量流率在各方向上的改变总和为零的基本数理学问单元，干脆写出连续性方程在柱坐标系下的表达式，而避开了用微元法的困难逻辑过程，使得概念之间的路径更短、联系更紧，营造的强大教化教学信息势使方程的意义更加明晰；在建立欧拉平衡方程时，应用“力在

15、某方向上的改变率等于该方向上被作用对象的加速度和密度的乘积”，干脆得到平衡方程，而不用书本中取微元的方法，在物理意义上将差别巨大的概念联系起来，营造了强大的教学信息势，避开困难数学推导掩盖最终所得方程的可理解意义。 在“化机力学基础”课程中讲解回转薄壳无力矩理论的基本方程时，考虑径向力和周向力包括各自的曲率半径的影响在代数方程中出现时的对称性，利用“代数对称性”这种更高层次上的抽象学问单元，干脆写出回转薄壳无力矩理论的基本方程，更高层次上营造的教学信息势使表达更直观，寓意更深刻。 在“压力容器设计”课程中推导外压圆环的挠度曲线微分方程时，利用与直梁的类比及圆环曲率与受弯矩时弯曲程度的基本直观以

16、及借助某些量纲分析，干脆写出圆环的挠度曲线微分方程，不但能得到与运用微元法完全一样的结果，而且显得特别简捷直观，其基本机制就是利用了“直”与“曲”内在具有的差别最大却联系最紧的本质特征，营造了强大的教化教学信息势，使微分方程所表示的意义一目了然：在“材料力学”课程中讲解卡氏定理时，不重复书上的证明过程，从“线性”与“叠加”的基本概念入手，利用系统的线性特征，通过几次叠加干脆得到卡氏定理，营造的强大信息势既消退了应用卡氏定理时附加力带来的逻辑冲突，又使学生对卡氏定理的理解更加透彻。 3结束语 势科学理论在探讨教化过程信息作用的内在机制基础上，填补了现有教化学理论的逻辑缺失，为理工类学科的工程教化

17、教学改革供应了有效的可操作路径。基于势科学理论基础上的集约型课堂教学改革是内在的、深层次的、具有普遍意义的，适合理工类各学科借鉴。每一个老师都可以在此基础上进行发挥和再创建，而且，在明确统一的“生产更多的教化信息量、营造更大的教化信息势”的逻辑概念基础上，为有效地教化教学改革供应了明确的方法和路径，将调动每一个老师参加改革的热忱。根据势科学理论实施教化教学改革，可以有效地解决“学问爆炸而学时有限”的教化面临的时代困惑并从根本上变更以往教化改革只是专家改、领导改，而老师不改的扭曲局面。 参考文件 1李德昌，势科学视域中的学习实力与时代创新势科学与现代教化学理论探讨之一J.教学探讨，2022，32

18、(2)：5-8. 2李德昌，教化信息势与教化教学技术势科学与现代教化学理论探讨之二J.教学探讨，2022，32(4)：8-12 3李德昌，廖梅.感性与理性的彰显与互动是素养形成的动力学机制势科学与现代教化学理论探讨之三J.教学探讨，2022，33(2)：18-22. 4李德昌.教化学理论的逻辑缺失与信息势规正势科学与现代教化学理论探讨之四J.教学探讨，2022，33(5)：7-1220. 5李德昌.集约型教化势科学与现代教化学理论探讨之五J.教学探讨，2022，34(1)：11-1527. 6李德昌.集约型教化的有效路径是对称化教化势科学与现代教化学理论探讨之六J.教学探讨，2022，34(4

19、)：1-5. 7李德昌.集约型教化的核心：对称化教化目标及对称化素养势科学与现代教化学理论探讨之七J.教学探讨，2022，34(6)：4-7. 8李德昌.新经济与创新素养势科学视角下的教化、管理和创新M.中国计量出版社，2022：166-205. 9李德昌.写书与教书J.高等工程教化探讨，11015，(2)：43-46. 10李德昌.活塞杆螺纹部分受力分析J.压缩机技术，11011，(4)：1-4. 11李德昌，程光旭.学问创新的内在冲突和符号逻辑/教化部高等学校机械学科过程装备与限制工程专业教学指导分委员会.过程工业的基石M.北京：化学工业出版社，2002：93-96. 12李德昌，程光旭，王毅.“园柱壳轴对称问题有力矩理论”的教学改革/第七届全国高校过程装备与限制工程专业校际学术会论文集M.2000：102-104. 13李德昌.线性特性与卡氏定理J.力学与实践，11013，(2)：60-61. 第11页 共11页第 11 页 共 11 页第 11 页 共 11 页第 11 页 共 11 页第 11 页 共 11 页第 11 页 共 11 页第 11 页 共 11 页第 11 页 共 11 页第 11 页 共 11 页第 11 页 共 11 页第 11 页 共 11 页