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，按照集约型教育“信息量最大作用量最小”的教育教学原则，依据理工类知识的内容特征，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“知识单元”，结合具体专业教学，探讨了理工类学科教学改革的理论和实践。关键词教育改革；集约型教育；势科学；工程教育；素质教育中图分类号G642.0文献标识码A文章编号1005-4634(2012)03-0019-03在势科学与现代教育学理论研究之一到之七中，笔者在势科学理论基础上，研究教育教学过程信息相互作用的动力学机制，揭示了教育理论逻辑缺失的误导和风险，
2、给出了素质概念的科学定义，阐述了人才素质的形成机制、创新发生的逻辑过程以及如何按照普适性的集约型教育即对称化教育理论营造最大的教育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，具体研究理工类学科如何按照势科学理论进行有效的课堂教学改革，从而实现集约型教育目标。1传统理工类教育模式面临的挑战以往许多理工类学科教育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(特别是多媒体教学)的改革之上，忽略了教学过程最重要的环节课堂教学的改革，以致使教育改革一定程度上成了“专家改，领导改，而教师不改”，有人甚至形象地叫做“教书的不改，不教书的改”。现代工程教育的基本矛盾是“
3、知识爆炸而学时有限”：一方面为了跟得上时代的发展不得不学习更多的新知识，另一方面为了适应时代的创新要求不得不继续关注理论基础。目前解决这个矛盾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罗列和堆积编撰教材，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困境。解决这种教学困境的有效路径，就是要根据势科学理论，按照集约型教育原则，在更加抽象的层次上寻求理工类知识的内在统一性，提炼出某些包含巨大信息量的统摄性概念，从而促进知识的集约型理解，推进课堂教
4、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知识性和逻辑性，而且必须具有现代教育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。传统的知识性、逻辑性教学适合以应用知识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“不是将知识应用于工作中，而是要将知识应用于创新中”。也就是说，面临的工作不是以“应用知识”为主，而是以“应用知识的创新”为主。传统的知识性、专业性、逻辑性教学为传统工业社会培养了大批的贤人志士，是因为传统社会的生产实践是以操作性工作为主的，因而那样的教育教学也符合历史背
5、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“应用知识”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，使本来具有内在统一性的理工类知识被割裂的支离破碎，不能有效地营造教育信息势，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。教育要适应新的时代要求，必须以势科学理论揭示的教育规律为基础，从单纯知识性、逻辑性的教育，转变为能营造教育信息强势的形象性、抽象性、统摄性、创新性和实践性教育。2揭示理工知识的内在统一，营造理工科教育的信息强势按照在势科学基础上提出的集约型教育的基本理论，有
6、效教育的根本路径就是生产最大的教育信息量、营造最大的教育信息势。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知识联系起来，是理工类学科教育的根本路径。幸运的是，理工类知识恰恰具有这种内在的统一性。这种内在统一性从知识的逻辑寻源，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，当仔细分析、比较时就会发现，“线性”、“叠加”、“对称”、
7、“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“知识元素”的功能统领着各门课程。实际上，学生和教师都会有这样的体会：一个难题会使人绞尽脑汁不得其解，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，从而采取了“叠加”的方法；或者观察到了系统的某种“对称性”，就会使解题程序大大简化；或者可以用某种“变换”，进一步改变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”，则往往会使问题变得更加直
8、截了当；而系统之间存在的类比性和相似性，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，因而在一定程度上既成为建构各门课程的“知识元素”，又成为统帅各门课程教学的方法论原则。如果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知识统一起来，产生巨大的教育信息量，营造强大的教育信息势。如果把理工知识比作结构复杂的“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，就是构成这些桁架的诸“二力杆”，而数学
9、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具体的知识。虽然力学(科学)的发展会使旧的“结构”(旧的知识)淘汰，但这些“二力杆”(知识单元或方法)却照样在新的“桁架”(新的知识)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、通用性的知识就愈具有生命力；愈具有生命力的知识就愈具有创造性，因为它们具有的信息量更大、信息势更强。摩擦取火的知识早就淘汰了，而起源于同一时期的整数四则运算却一直延用着。数学知识从发明以来就不曾淘汰过，而且在各种学科的发展中发挥着潜在的创造性，就在于数学知识高度的概括性、抽象性、统摄性和通用性以及数学知识的方法论功能使其具有最大的信息量和最
10、大的信息势。所以，在这个知识爆炸的年代，在这个知识迅速老化和淘汰的年代，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“知识单元”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“知识爆炸和学时有限”矛盾的有效手段，又是一个既教给学生以知识，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育教学信息量，营造教育教学信息势的根本路径，同时也是一种真正的通识教育和素质教育的具体实践。就讲课而言，按照势科学理论的集约型教育原理，应该尽可能避免重复书本上的逻辑。逻辑地推导结论，培养学生的逻辑思维能力无疑是大学教育
11、的一个重要方面，但结论的逻辑可靠性以及逻辑分析方法的掌握，应该让学生自己从读书中获得，而教师应该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现和研究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“直接观察”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知识经验的凝聚对客观对象的本质及其规律性联系作出敏锐洞察而得到直接理解的思维形式，直觉的特点在于非逻辑性、整体性、直接性和快速性。有效的整体性直觉，实际上是一种跳过逻辑的高度抽象，因而具有最大的信息量和最大的信息势。直觉可分为几
12、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；数学的模型往往十分复杂，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理想化，使学生能抓住它的本质所在而把握住它。这当然要求教师具有丰富而宽广的知识面，不但要有对本专业知识的深思熟虑，而且要有对各有关学科的总体认识，能综合各种知识，融会贯通。从某种战略意义上讲，需要建立不同层次的认知结构或储存不同层次的知识单元，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育原则，笔者在讲解各门课程的有关内容时，多年来坚持不重复书本的逻辑过程
13、，而采用具有丰富信息量，从而能够营造强大教育信息势的整体性的、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“搅拌与分离机械”课程中，讲解自由涡流和强制涡流运动的表面方程时，采用对于双曲面和抛物面的形象化几何直观写出其基本方程，再用具体条件决定有关常数，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，采用“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，直接写出功与搅拌器剪切量及排液量的关系，从而得到功率
14、的基本表达式，而不去重复书本复杂的因次分析过程，营造强大的教育信息势，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知识单元，强化了认知结构；在讲解混合时间的表达式时，采用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，直接写出混合时间方程式，既明了又直观；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变化总和为零的基本数理知识单元，直接写出连续性方程在柱坐标系下的表达式，而避免了用微元法的复杂逻辑过程，使得概念之间的路径更短、联系更紧，营造的强大教育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“力在某方向上的变化率等于该方向上被
15、作用对象的加速度和密度的乘积”，直接得到平衡方程，而不用书本中取微元的办法，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，避免复杂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知识单元，直接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及借助某些量纲分析，直接写出圆环的
16、挠度曲线微分方程，不但能得到与使用微元法完全一致的结果，而且显得非常简捷直观，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，营造了强大的教育教学信息势，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，通过几次叠加直接得到卡氏定理，营造的强大信息势既消除了应用卡氏定理时附加力带来的逻辑矛盾，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研究教育过程信息作用的内在机制基础上，填补了现有教育学理论的逻辑缺失，为理工类学科的工程教育教学改革提供了有效的可操作路径。基于势
17、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。每一个教师都可以在此基础上进行发挥和再创造，而且，在明确统一的“生产更多的教育信息量、营造更大的教育信息势”的逻辑概念基础上，为有效地教育教学改革提供了明确的方法和路径，将调动每一个教师参与改革的热情。按照势科学理论实施教育教学改革，可以有效地解决“知识爆炸而学时有限”的教育面临的时代困惑并从根本上改变以往教育改革只是专家改、领导改，而教师不改的扭曲局面。参考文件1李德昌，势科学视域中的学习能力与时代创新势科学与现代教育学理论研究之一J.教学研究，2009，32(2)：5-8.2李德昌，教育信息势与教育
18、教学技术势科学与现代教育学理论研究之二J.教学研究，2009，32(4)：8-123李德昌，廖梅.感性与理性的彰显与互动是素质形成的动力学机制势科学与现代教育学理论研究之三J.教学研究，2010，33(2)：18-22.4李德昌.教育学理论的逻辑缺失与信息势规正势科学与现代教育学理论研究之四J.教学研究，2010，33(5)：7-1220.5李德昌.集约型教育势科学与现代教育学理论研究之五J.教学研究，2011，34(1)：11-1527.6李德昌.集约型教育的有效路径是对称化教育势科学与现代教育学理论研究之六J.教学研究，2011，34(4)：1-5.7李德昌.集约型教育的核心：对称化教育目
19、标及对称化素质势科学与现代教育学理论研究之七J.教学研究，2011，34(6)：4-7.8李德昌.新经济与创新素质势科学视角下的教育、管理和创新M.中国计量出版社，2007：166-205.9李德昌.写书与教书J.高等工程教育研究，1995，(2)：43-46.10李德昌.活塞杆螺纹部分受力分析J.压缩机技术，1991，(4)：1-4.11李德昌，程光旭.知识创新的内在矛盾和符号逻辑/教育部高等学校机械学科过程装备与控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控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，1993，(2)：60-61.
