开放式大学物理实验教学的负熵机制

摘要： 传统大学物理实验教学长期陷入自我封闭的超稳定“死寂”平衡状态，各种封闭因素导致实验教学系统呈混乱无序、效益低下的“熵增”趋势。大学物理实验教学改革的关键是着力克服长期封闭性的固疾，从各种途径引进知识信息流、人力资源流、物质设备流等消除无序因素的“负熵”流，建立起多元开放的“负熵”机制，形成能有效实现高校人才培养目标的鲜活有序的教学改革耗散结构状态。

Abstract： Teaching of traditional physics experiment is into a self-enclosed super-long-term "dead" stability. A variety of closed factors have led to chaotic, unordered, and inefficient experimental teaching system which was like "entropy". The key of teaching of university physics experiment is to change the long-term solid closed state; the introduction of knowledge and information, human resources, material and equipment from various channels can eliminate disorder factor like "negative entropy" flow, and establish open and pluralistic "negative entropy" mechanism, form orderly dissipative structures of teaching reform which can effectively achieve personnel training objectives of university.

关键词： 开放式；物理实验教学；熵增；负熵机制

Key words： open; physics experiment teaching; entropy production; negative entropy mechanism

中图分类号：F270·7 0 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2011）13-0260-02

1 传统大学物理实验教学的“死寂”平衡状态

诺贝尔奖获得者、比利时物理学家普利高津提出的耗散结构理论认为：相对应的平衡态是孤立系统经过无限长时间后稳定存在的一种最均匀无序的状态。而一个远离平衡状态的开放系统，在外界条件变化达到某一特定阈值时，量变可能引起质变，系统通过不断地与外界交换物质与能量，就可能从原来的混沌无序状态转变为一种空间、时间或功能都稳定有序的状态。

用耗散结构理论观照传统的大学物理实验教学，其症结在于长期陷入因循守旧、自我封闭的超稳定“死寂”平衡状态：一是实验课程体系封闭，按力学实验、热学实验、电磁学实验、光学实验和近代物理实验等分别独立的单元组织教学，忽视了学科之间的兼容性；二是实验功能内容封闭，基本以验证性实验为主，将实验功能局限在单纯验证某个定理、定律、公式上，束缚了学生知识面的拓展与实际能力的提高；三是实验教学方法封闭，长期沿袭“讲（讲要求）——做（重复实验）——写（填实验数据）”的固有单一模式，枯燥乏味，学生兴趣不高；四是实验教学时间封闭，学生只能在固定的授课时间进行实验，实验室其他时间不开放；五是实验物质资源封闭，实验仪器设备只供授课班级使用，没有充分发挥设备资源在教学、科研中的作用；六是实验人员管理封闭，物理理论课教师、实验课教师与实验管理人员职能泾渭分明，教师、学生的角色定位僵化，实验教学的人力资源没有充分发挥。系统论将 “熵”作为系统混乱程度的度量，根据热力学原理，系统的内熵总是向增加方向改变。上述各种封闭因素就是导致大学物理实验教学系统长期混乱、无序、低效的“熵”，这种封闭体系已远远不能适应提高学生综合素质能力的教学改革的需要。

2 改革大学物理实验教学的开放式“负熵”机制

按照耗散结构理论，要使系统从无序向有序的方向发展，就必须从系统外界引入“负熵流”，以抵消系统本身熵的增加。一个系统只有远离超稳定的“死寂”平衡状态，处于不断地从外界引进物质、信息与能量的不稳定的变革状态中，才能演化为有生命力的有序状态，这种开放有序结构称之为耗散结构。大学物理实验教学改革的关键是有效克服长期封闭性的固疾，致力于从各种途径引进信息、人力、物质资源的负熵流，以减少乃至消除不适应新形势发展需要的无序僵化因素，形成多元开放、鲜活有序的教学改革耗散结构状态。

如图1所示，改变大学物理实验教学“死寂”平衡状态的基本途径是引进负墒流，建立起科学的负熵机制，通过知识信息流、人力资源流、物质设备流的开放交流，最大限度地改变封闭实验教学模式因熵增而导致的“死寂”无序状态，形成实现促使学生夯实基础、培养能力、发展特长、激励创新、提高素质的培养目标的鲜活有序状态。

2．1 实现知识信息流的开放交流

2．1．1 变单一性实验为综合性实验 应改变固有大学物理实验教学各种实验自成单元，互不关联的单一实验形式，形成学科内容开放交流，能促进学生融会贯通各种知识的综合性实验形式。笔者通过对仪器的开发进行了将单一实验改造成综合性实验的尝试，如牛顿环测曲率半径实验，在原有读数显微镜的基础上，增加ccd系统，同时通过数字显示进行当量测量，这样就把ccd技术、当量测量技术、以及显微技术融合在一起，使用显微镜就不只是单纯学会显微测量技术。综合性实验不仅包括实验内容融会贯通，还包括多种实验方法的综合运用，如利用flash技术制作了与现实仪器逼真的仿真实验，就是将计算机技术与物理实验手段结合在一起的综合性实验。

2．1．2 变验证性实验为设计性实验 应改变传统验证性实验学生接触的信息量少，局限于单向思维的弊端，将其改变为促使学生主动从多种渠道吸收知识信息，激活思维的设计性实验。如伏安特性曲线测量的设计性实验，教师可先提出命题，如用2.5伏电压测量150欧姆电阻，然后由学生自行设计选择适当仪器、实验所需电路等进行实验。又如在分光计光栅衍射的设计性实验，可将全息技术与光栅衍射结合，首先学生设计使用全息技术制作出光栅，然后再使用分光计对光栅进行检测。

2．1．3 变传统性实验为创新性实验 变传统性实验为创新性实验的一个途径是在传统基础实验项目的教学中适时引进近代物理学的新思想方法、新研究成果，促进实验教学内容的与时俱进，推陈出新，如用激光演示光的干涉和衍射、用发光二极管演示电磁感应中机械能与电能的相互转化等。

变传统性实验为创新性实验的另一个重要途径就是将只要学生被动地接受知识信息、验证固有原理的传统物理实验改变为开放式的创新性实验：学生有了创新思想，就可自行设计实验方案，预约实验项目与实验时段，提出使用的仪器、设备、材料，自行装配、调试、操作实验仪器设备，在老师的指导下独立完成创新项目的设计制作。这种实验还包括学生对各级部门批准立项的本科生、研究生创新、创业科研项目的研究实验，包括学生参与教师主持的科研项目的研究实验。这种创新性实验能有效地提高学生操作现代化仪器设备的动手能力、现代技术设计能力与科研能力。2009年起笔者所在学校创新性物理实验数量逐年增长，学生获得了多项校级科研课题、大学生研究性学习和创新性实验计划项目、湖南省大学生研究性学习和创新性实验计划项目。

2．1．4 变关门实验为开门实验 应改变以往大学物理实验的场地只局限于校内实验室、实验项目只局限于教材内容，信息滞留，脱离实际的形式，促使实验教师与学生走出校门，将自成封闭体系的“关门实验”变为理论联系实际，解决企事业生产管理实际问题的“开门实验”。如激光在农产品储藏中的应用、光纤传感器在卫生间的应用、用超声波测量骨折和骨裂、磁场在锅炉水垢处理方面的应用、简易型紫外线照度计的设计等项目都可以成为联系实际，直接服务于企事业生产管理的开门实验项目。走出去的开门实验使物理实验有了广阔场地，也通过引进企事业单位生产管理领域的新需要、新信息、新技术更新了实验内容，促进了物理实验教学的有序高效。

2．2 实现人力资源流的开放交流 人是实验教学改革的第一要素，建立大学物理实验教学的开放式“负熵”机制就必须实现实验教师、管理人员、学生人力资源流的开放交流。

2．2．1 实验角色由固化变为异动 理论课教师与实验课教师可实现异动交流：从事物理学理论教学的教师应参加相关课程的实验指导，完善实验内容，改进实验方法，研究实验仪器；实验课教师也可走进课堂讲述物理学原理，促使学生为实验学习奠定理论基础。实验课堂上教师与学生的角色也可以异动交流：研究生、高年级本科学生可以辅导低年级本科生完成实验，某些演示实验项目可以让学生上台演示操作，可以让基础较好、先完成实验的学生辅导其他实验小组完成实验任务。

2．2．2 实验对象由局限变为开放 可改变物理实验教学只对理工科专业学生开放，实验对象长期固定不变的现状，实现物理实验教学对象的多元开放。大学物理实验教师应积极争取在全校开设“物理实验基础入门”、“趣味物理实验”、“物理演示实验”等选修课，也可为艺术设计、工商管理、法学等文科专业本科生开设物理实验选修课。这种开放式实验教学形式可以促进文、理科学生的信息交流、能力互补，促进大学生综合素质全面提升。

2．2．3 教学方法由注入式变为启发式 实现物理实验教学中人力资源的开放流动的重要途径就是变传统的注入式教学法为启发式教学法，通过实现教、学双方思维能力的双向交流，来充分开发学生的多元智力，提高学生的综合素质能力。如物理实验教学改变纯讲述理论要领的注入模式而运用启迪学生的情境策略法就是典型一例。教师可以用故事创设活跃思维的情境，如在讲解振动实验时引入《刘宾客嘉话录》的故事：洛阳和尚因房内挂罄自鸣作响而惊忧成疾，罄锉几处后再不作响，以造成悬念，开拓智力；也可引入生活情境引发学生思考，如讲用扭摆测物体转动惯量的实验时，提出如何测自行车前轮的转动惯量的问题。物理实验考核可以一改卷面判分的单一形式为激活学生思维，考查学生实际能力的多元化考核形式，可以借用文体竞赛的随机抽签法，由学生抽签试题，单人操作，当场记分。也可以采用撰写实验小论文、编制设计性创新性实验报告、举办实验成果展览会、现场报告实验成果并进行答辩等方法来进行考核。这些教学、考核方法均实现了教、学双方多元智力的双向交流，大大优化了实验教学效果。

2．3 实现物质设备流的开放交流 实验仪器设备是大学物理实验的硬件条件，要建立大学物理实验教学的开放式“负熵”机制，就必须实现实验物质设备流的开放交流。

2．3．1 变仪器设备种类的单一性为多元化 大学物理实验教学应改变只能应用实验室固有的实体仪器设备的作法，在计算机技术高速发展的今天，完全可以引进物理设备流来改进实验教学条件，运用计算机仿真技术、多媒体课件演示等实验手段，实现实验仪器设备硬件的“虚”“实”多元化组合。

大学物理仿真实验可以弥补实体仪器实验设备不足、不能使学生剖析仪器结构性能、不能充分理解实验设计思想和方法等方面的不足，既开拓了实验物质资源，也拓展了学生的思维空间与创新能力。笔者开发的仿真实验系统软件将仪器的所有功能特性（仪器的形状、参量、可进行的动作等）都封装到虚拟仪器内部，使同一个仪器可用于不同实验中，每一个虚拟仪器就是一个单独的Flash 文件,将这些文件放入一个子目录中,就构成虚拟仪器库。在做一项实验时,只要修改INI 文本文件选择必要的实验仪器,就可构成实验中的小仪器库，学生就可以从小仪器库内自主选择仪器进行各种实验。这种基于仪器库的仿真实验，能让实验课教师根据实验课不同的教学目的，针对不同专业学生的实验教学要求，灵活机动地选择不同的实验方案，既符合因材施教的教学原则，也节省了人力物力。

2．3．2 变仪器设备管理的被动性为主动性 进行传统的验证性实验教学，往往是教师组装调试好实验仪器，只需学生依葫芦画瓢地动动手。学生不能进入仪器室，不能了解各种实验仪器的构造性能，在另外场地做另外实验就不能正确熟练地使用各种仪器。学生对一些科技含量较高的仪器设备的感觉更是“黑匣子”，根本无法了解其内部构造与运转原理。而实施开放式实验教学，变验证性实验为设计性创新型实验，学生自己设计实验方案，自行装配、调试、操作实验仪器，在老师的指导下独立完成设计与制作。实验室开放后为学生提供了使用仪器场地的充分便利，还可把闲置不用的仪器提供给学生兴趣小组，支持学生开展科技活动。如学生领取实验室闲置的物理天平、游标卡尺、螺旋测微仪等测量仪器用于科技活动中长度及固体密度测定的实验，为他们以后从业工程测量打下了基础。

综上所述，大学物理实验教学改革的关键是变革自我封闭的超稳定“死寂”平衡状态，扭转各种封闭因素所导致的混乱无序、效益低下的 “熵增”趋势，致力于从各种途径引进知识信息流、人力资源流、物质设备流等消除无序因素的“负熵”流，建立起多元开放的科学负熵机制，促成高校高素质人才培养目标的实现。

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