吳文輝

(華東交通大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,江西南昌 330013）

混沌理論在高等工程實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

吳文輝

(華東交通大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,江西南昌 330013）

混沌理論廣泛應(yīng)用于很多領(lǐng)域,近年來越來越多地用于研究教育。借助混沌理論的重要概念和原理即奇異吸引子、初值敏感和蝴蝶效應(yīng)、內(nèi)隨機(jī)性、混沌的同步與控制、自組織系統(tǒng)等,分析了高等工程教育中實(shí)踐教學(xué)過程的混沌特征,揭示了混沌理論對實(shí)踐教學(xué)及其管理的啟示。指出了實(shí)踐教學(xué)效果對初始條件的敏感依賴性和效果的長期不可預(yù)測性。應(yīng)用重構(gòu)理論對提升高等工程教育中實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量進(jìn)行了分析,并提出了應(yīng)用措施。

混沌理論;高等工程;實(shí)踐教學(xué);應(yīng)用

0 引言

興起于數(shù)學(xué)與自然科學(xué)的混沌理論[1-2],近年來越來越多地用于研究教育的復(fù)雜性,應(yīng)用最多的是其中的“蝴蝶效應(yīng)”[3-4],同時也引起了廣泛的爭論[5],爭論的焦點(diǎn)是混沌理論應(yīng)用于教育研究的范圍、程度、效果,但都認(rèn)為傳統(tǒng)的教育理論脫離、分離甚至背離教育實(shí)踐,至少隱喻式的借鑒混沌理論是富有意義的,而范梅南的現(xiàn)象學(xué)教育學(xué)也認(rèn)為,通過反思在生活體驗(yàn)中的教育現(xiàn)象的本質(zhì)和意義,才能形成對教育更深刻的體會和領(lǐng)悟,才能形成教育智慧[6]。實(shí)踐教學(xué)歷來是高等工程教育中的重點(diǎn)和難點(diǎn),實(shí)踐教育可以增強(qiáng)學(xué)生對知識的掌握,提高學(xué)生的實(shí)際動手能力,加強(qiáng)學(xué)生對社會的了解和社會責(zé)任感[7]。分析實(shí)踐教學(xué)過程的混沌特征,有助于深化對高等工程實(shí)踐教育現(xiàn)象的認(rèn)識,有助于改進(jìn)高等工程實(shí)踐教學(xué)。

1 混沌學(xué)基本理論

20世紀(jì)60年代,混沌理論產(chǎn)生于數(shù)學(xué)與物理學(xué)領(lǐng)域?；煦鐚W(xué)既是一門科學(xué),也是一種世界觀、方法論。它的基本觀點(diǎn):世界是確定的、必然的、有序的,但同時又是隨機(jī)的、偶然的、無序的,有序運(yùn)動會產(chǎn)生無序,無序的運(yùn)動又包含著更高層次的有序?；煦缋碚摰漠a(chǎn)生與發(fā)展,打破了建立在牛頓科學(xué)基礎(chǔ)上的拉普拉斯決定論的幻想。

混沌理論認(rèn)為:分叉是系統(tǒng)由簡單走向復(fù)雜和混沌的一條道路,過去將不會得到“延續(xù)”,如果系統(tǒng)演化到了臨近分叉的結(jié)點(diǎn)附近,無論模型對歷史數(shù)據(jù)擬合得如何好,外推總是不可靠的;有些似乎強(qiáng)烈相關(guān)的因素之間并不存在任何直接的聯(lián)系;系統(tǒng)的隨機(jī)性態(tài)既可以來自系統(tǒng)外部的擾動,也可以由系統(tǒng)內(nèi)生決定;相近的初始條件導(dǎo)致的未來長期結(jié)果是顯著不同的,即著名的“蝴蝶效應(yīng)”?；煦缋碚撘环矫嬲f明了簡單的事物可以產(chǎn)生復(fù)雜不確定的現(xiàn)象,因而對事物未來的預(yù)測存在局限性;另一方面也說明,復(fù)雜現(xiàn)象可能僅遵從一條簡單確定的規(guī)律,從而使對復(fù)雜事物的預(yù)測成為可能。混沌理論目的在于揭示貌似隨機(jī)的現(xiàn)象背后可能隱藏的簡單規(guī)律,以求利用這些普遍遵循的共同規(guī)律來解決復(fù)雜系統(tǒng)的問題。

2 混沌的本質(zhì)特征及啟示

2.1 敏感性——把握細(xì)節(jié)

1963年美國氣象學(xué)家洛倫茲在《大氣科學(xué)》雜志上發(fā)表了“決定性的非周期流”的文章,后來用詩意的闡述這種效應(yīng)是:一只蝴蝶在巴西輕拍翅膀,可以導(dǎo)致一個月后德克薩斯州的一場龍卷風(fēng),即著名的“蝴蝶效應(yīng)”。它是指混沌系統(tǒng)對初始條件的敏感特征,由于這種敏感性,微小的因素可能引發(fā)巨大的后果?；煦绲拿舾行猿顺踔得舾行酝?還包括系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)敏感性。

人們利用混沌的敏感性,通過精心選擇的小控制量產(chǎn)生顯著的效果。如美國宇航總署的科學(xué)家們使用非常少量的殘余液氫燃料把一個ISEE-3/ICE飛行器送到五千萬英里之外,跨越了太陽系,從而首次實(shí)現(xiàn)了科學(xué)彗星對接。實(shí)踐教學(xué)過程中,教師自身的行為舉止,對學(xué)生使用的工具、儀器的要求,實(shí)驗(yàn)步驟的逐一完成等,每個細(xì)節(jié)對實(shí)踐教學(xué)效果都會產(chǎn)生影響。播下一個良好的實(shí)驗(yàn)行為,將養(yǎng)成一種科學(xué)認(rèn)真的習(xí)慣;養(yǎng)成一種科學(xué)認(rèn)真的習(xí)慣,將收獲一種好的職業(yè)品格;養(yǎng)成一種好的職業(yè)品格,將造就一名好的工程師。

2.3 內(nèi)隨機(jī)性——活躍思維

混沌運(yùn)動是由確定性方程描述的系統(tǒng)所出現(xiàn)的無規(guī)則運(yùn)動,而這種無規(guī)則運(yùn)動就來自系統(tǒng)的內(nèi)在隨機(jī)性。內(nèi)隨機(jī)性強(qiáng)調(diào)混沌現(xiàn)象產(chǎn)生的根源在系統(tǒng)自身,不在外部的影響。只要確定系統(tǒng)中有非線性因素,系統(tǒng)就會在一定控制參量范圍內(nèi)產(chǎn)生一種內(nèi)在隨機(jī)性。隨機(jī)性自發(fā)產(chǎn)生于系統(tǒng)內(nèi)部,與非隨機(jī)性有完全不同的來源與機(jī)制,顯然是確定性系統(tǒng)內(nèi)部一種內(nèi)在的隨機(jī)性和機(jī)制作用。實(shí)踐教學(xué)中,不可能要求所有學(xué)生步調(diào)一致,這方面的難度遠(yuǎn)大于理論課堂授課,即使是理論課堂授課,每個學(xué)生思維活動也是不一樣,要活躍學(xué)生思維,允許有獨(dú)立思考,但總的步調(diào)跟上教師的教學(xué)思想。要針對學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的貌似隨機(jī)現(xiàn)象,設(shè)法尋求其內(nèi)在的確定性規(guī)律。

2.4 分叉性——把握進(jìn)度

分叉是復(fù)雜系統(tǒng)演化過程中的普遍現(xiàn)象,通常是當(dāng)某個系統(tǒng)的變量變化到一定程度時,系統(tǒng)的行為就會發(fā)生突然變化,表現(xiàn)為倍周期過程,也可以是非倍增周期的。系統(tǒng)處于分叉邊緣的時候,趨勢預(yù)測是不可靠的。但是在一定條件下,分叉的區(qū)間是有限的,分叉的上下邊界,從序參量連續(xù)變化的角度看呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性。實(shí)踐教學(xué)過程復(fù)雜,過程中會出現(xiàn)有規(guī)律的和難以預(yù)測的情況發(fā)生,不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn),把握實(shí)踐教學(xué)過程中規(guī)律性的東西,同時要有思想準(zhǔn)備,善于解決隨時可能出現(xiàn)的問題,使教學(xué)過程得以較好完成,取得好的教學(xué)效果。

2.5 奇異吸引子——教學(xué)秩序

“奇異吸引子”概念是在1971年由法國物理學(xué)家魯爾和塔肯斯首先引進(jìn)的。系統(tǒng)的行為取決于系統(tǒng)運(yùn)動的吸引子類型和吸引子數(shù)量。如果系統(tǒng)運(yùn)行在平庸吸引子上,那么,系統(tǒng)的行為就是可精確、長期預(yù)測的;如果系統(tǒng)運(yùn)行在奇異吸引子上,那么,長期精確預(yù)測是不可靠的,而短期預(yù)測是可能的;奇異吸引子代表系統(tǒng)中的這些潛在準(zhǔn)則,它可以主導(dǎo)系統(tǒng)的變化,在特定范疇內(nèi),具有穩(wěn)定性,可被預(yù)測,因而可以看作是影響系統(tǒng)運(yùn)作的重要因素。

分析對教學(xué)產(chǎn)生過較大影響的課程吸引子。實(shí)踐教學(xué)的奇異吸引子是教師與學(xué)生對于教學(xué)過程中秩序感的認(rèn)同,包括對實(shí)驗(yàn)室的行為規(guī)則、教學(xué)組織、課堂氣氛。雖然每個人的價值取向和生活經(jīng)驗(yàn)都有所不同,但無論是教師還是學(xué)生都有一種秩序感的傾向,秩序是一種人與生俱來的美感。教師要用他們?nèi)烁竦镊攘?、精彩的授課、生命的激情吸引學(xué)生,在實(shí)踐教學(xué)那看似混亂的場面,建立良好的實(shí)踐教學(xué)秩序。

2.6 正負(fù)反饋——鼓勵與批評

系統(tǒng)因素之間的相互關(guān)系,有的是正向作用的,有的是負(fù)向作用的;它們構(gòu)成的反饋環(huán)有的是正反饋、有的是負(fù)反饋,有些變量既屬于某個或某些正反饋環(huán),又屬于某個或某些負(fù)反饋環(huán);整個系統(tǒng)是正負(fù)反饋環(huán)復(fù)合構(gòu)成的,這種情況下系統(tǒng)的狀態(tài)就具有不確定性。實(shí)踐教學(xué)過程中,學(xué)生實(shí)驗(yàn)步驟對了,結(jié)果做得好,實(shí)驗(yàn)有創(chuàng)意,及時的給予表揚(yáng)和嘉獎,放大正反饋;學(xué)生做得不對,及時的批評指正,抑制負(fù)反饋。學(xué)校對實(shí)踐教學(xué)的管理、對指導(dǎo)教師的管理亦然。

2.7 自組織——自主教學(xué)

自組織系統(tǒng)的主要特征是系統(tǒng)內(nèi)部各個主體能夠根據(jù)周圍其他主體的行為變化和系統(tǒng)環(huán)境條件的變化,調(diào)整自身的行為目標(biāo),改變個體之間的相互關(guān)系,以適應(yīng)新環(huán)境條件的要求。所以,一般認(rèn)為自組織系統(tǒng)的生存、適應(yīng)能力比較強(qiáng)。從整體上看,自組織系統(tǒng)的未來變化取決于系統(tǒng)外部環(huán)境的變遷;從微觀上看,自組織系統(tǒng)中個體行為取決于個體之間的關(guān)系規(guī)則。實(shí)踐教學(xué)要改變學(xué)生的學(xué)習(xí)觀念,要把學(xué)習(xí)變?yōu)橐环N自覺自愿的行為。調(diào)整自身的行為目標(biāo),將來的社會生存、適應(yīng)能力比較強(qiáng)。讓教師的教學(xué)行為也變?yōu)橐环N自覺自愿的行為,才有好的教學(xué)效果。

2.8 同步鎖?！止f(xié)作

不同的個體相互影響會產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng),即不同的個體按照共同的方式運(yùn)作,并保持該種運(yùn)作模式。如果所研究的個體與個體之間存在協(xié)同可能性的話,該系統(tǒng)的未來就不僅僅取決于其本身,還要考慮協(xié)同主體系統(tǒng)的運(yùn)作規(guī)律。因?yàn)槊恳粋€個體都可能成為協(xié)同的主導(dǎo),且所有的個體一般均不愿意放棄自己的運(yùn)作方式,這也是整體發(fā)展中的一個難題。教師要和學(xué)生共同享受學(xué)習(xí)的快樂、引導(dǎo)學(xué)生去發(fā)現(xiàn)相互學(xué)習(xí)的快樂。關(guān)心的目光引導(dǎo)他們,用高尚的品格影響他們,對學(xué)生產(chǎn)生好的效應(yīng);引導(dǎo)他們共同協(xié)作分工,加強(qiáng)同學(xué)間的交流和影響,放大同學(xué)間的積極效應(yīng)。

3 基于混沌理論的實(shí)踐教學(xué)管理

3.1 重構(gòu)實(shí)踐教學(xué)體系

要取得好的控制效果,必須應(yīng)用混沌理論中的重構(gòu)相空間理論進(jìn)行時空序列的重構(gòu),也就是要重構(gòu)現(xiàn)有的實(shí)踐教學(xué)體系。重點(diǎn)建設(shè)量大面廣的基礎(chǔ)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室,以滿足培養(yǎng)寬基礎(chǔ)人才的需要。建成大學(xué)物理教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心、計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心、電工電子教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心、工業(yè)訓(xùn)練中心等多個基礎(chǔ)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心,在實(shí)驗(yàn)形式上實(shí)行1人1組或2人1組,計(jì)劃安排與自主實(shí)驗(yàn)并重,;對專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了改造,將其調(diào)整合并為按學(xué)科大類劃分的院(系)級實(shí)驗(yàn)中心,建構(gòu)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科研的公共平臺,配置了先進(jìn)的儀器設(shè)備,使教學(xué)、實(shí)驗(yàn)、科研有機(jī)地融為一體;打破專業(yè)界限,建設(shè)大學(xué)生創(chuàng)新基地,配備高素質(zhì)的指導(dǎo)教師和相應(yīng)的場地、器件、設(shè)備條件,推行創(chuàng)新項(xiàng)目管理,積極參加各種創(chuàng)新大賽,以項(xiàng)目促發(fā)展,以競賽促進(jìn)步。積極推進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段的現(xiàn)代化建設(shè),將多媒體技術(shù)、仿真技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)和管理手段引入實(shí)踐教學(xué),形成了較為協(xié)調(diào)的多層次結(jié)構(gòu)和科學(xué)的管理體系,學(xué)生和教師的預(yù)約及審批都在網(wǎng)上完成,為實(shí)踐教學(xué)創(chuàng)造了良好的環(huán)境和條件,較大程度地提高了實(shí)踐教學(xué)的效果。

3.2 宏觀有序管理

強(qiáng)調(diào)混沌和秩序共生,主張以整體、全面和變易的角度與心態(tài)去看待事物。具體來說,混沌課堂有序管理具有以下特點(diǎn):其一,強(qiáng)調(diào)整體性。整體性在混沌課堂管理中的含義有兩層,一種是時間維度上的整體連貫性,另外一層含義就是空間上的無形的整體覆蓋性。

教師組織要能適應(yīng)實(shí)踐教學(xué)環(huán)境的復(fù)雜化,結(jié)成師生共同體,發(fā)現(xiàn)課堂情境等實(shí)踐教學(xué)管理中的奇異吸引子。也要按分形的原則設(shè)計(jì)教學(xué)、改革組織結(jié)構(gòu),向著最有利于提高學(xué)生實(shí)踐能力的方向發(fā)展,要使實(shí)驗(yàn)小組或個人富含自組織的能力,混沌不是無序,混沌是有邊界的、可以駕馭的,實(shí)驗(yàn)行為雖然是雜亂無章的,但是,它又總是在一定的范圍內(nèi)變化,在狀態(tài)空間上呈現(xiàn)出有規(guī)則的結(jié)構(gòu)。采取更有效的措施,從而使被管理的客體——教師充滿生機(jī)和活力,教師管理行為納入科學(xué)的有序狀態(tài),學(xué)生個體的思想和行為圍繞其活動。

學(xué)校的實(shí)踐教學(xué)管理關(guān)鍵是要做到把權(quán)力真正下放到中基層管理者中,實(shí)行學(xué)校(教務(wù)處)、教學(xué)學(xué)院、教研室分級管理、分層調(diào)控,同時要求組織與環(huán)境要有雙向互相滲透的能力,組織邊界設(shè)計(jì)則不必線條清晰,輪廓分明,而要有一定的模糊性。管理的局部與整體相似,發(fā)揮其自相似性作用。

3.3 微觀強(qiáng)調(diào)細(xì)節(jié)

初值敏感性和蝴蝶效應(yīng)是混沌理論中重要的概念,教學(xué)管理的細(xì)節(jié)性很大程度上是一種細(xì)膩。教師在實(shí)踐教學(xué)管理中,要強(qiáng)調(diào)這種細(xì)節(jié)性,甚至包括敏銳的師生情感。指導(dǎo)教師在教學(xué)過程中要一絲不茍、精益求精。制定實(shí)驗(yàn)基本技術(shù)要求,規(guī)范操作標(biāo)準(zhǔn),制定考核辦法,建立實(shí)驗(yàn)檔案,要求學(xué)生做實(shí)驗(yàn)不能馬虎,科學(xué)面前來不得半點(diǎn)虛假。教學(xué)應(yīng)給學(xué)生一個跨越自我的支點(diǎn),動手能力強(qiáng)的學(xué)生,要養(yǎng)成精益求精的科學(xué)態(tài)度;面對實(shí)驗(yàn)失敗數(shù)次的學(xué)生,老師要肯定成績,助燃他們自信的火花,以學(xué)生的閃光點(diǎn),作為激勵他們不斷進(jìn)取的支點(diǎn),對他們給予充分信任,并指導(dǎo)幫組創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)條件,讓他們通過努力不斷取得進(jìn)步,在實(shí)驗(yàn)成功的快樂中增強(qiáng)其自信心,積極開發(fā)蝴蝶效應(yīng)的積極作用。鼓勵同學(xué)之間的互相幫助,發(fā)揮個體相互影響會產(chǎn)生好的協(xié)同效應(yīng),互相促進(jìn)。

3.4 開放實(shí)驗(yàn)

內(nèi)隨機(jī)性強(qiáng)調(diào)混沌現(xiàn)象產(chǎn)生的根源在系統(tǒng)自身,不在外部的影響。強(qiáng)調(diào)學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性和教師教學(xué)的自覺性。興趣對學(xué)習(xí)和教學(xué)的動機(jī)性作用是不言而喻的,學(xué)生對任務(wù)內(nèi)容的興趣還會影響學(xué)習(xí)策略的應(yīng)用學(xué)習(xí)的內(nèi)在動機(jī)性因素。改革實(shí)驗(yàn)教學(xué),必須將原來封閉的實(shí)驗(yàn)室變?yōu)殚_放實(shí)驗(yàn)室,建立網(wǎng)上預(yù)約系統(tǒng),讓學(xué)生在學(xué)習(xí)該課程的整個學(xué)期內(nèi)根據(jù)需要預(yù)約進(jìn)入。實(shí)驗(yàn)室不僅在時間上開放,更重要的是包括內(nèi)容、設(shè)備和實(shí)驗(yàn)過程的全程開放,學(xué)生自己選擇元器件、自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)電路,獨(dú)立使用儀器設(shè)備,自己安排實(shí)驗(yàn)過程。除去了演示性實(shí)驗(yàn),減少了驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),增加了技能性、設(shè)計(jì)性、綜合性實(shí)驗(yàn),并建立了獨(dú)立的、以基本實(shí)驗(yàn)與操作能力為主的實(shí)踐教學(xué)體系。這些極大的激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和濃厚的探索欲望。教師看到所培養(yǎng)的學(xué)生動手能力、創(chuàng)新能力的提高,感到自身教學(xué)價值體現(xiàn),激發(fā)更濃的教學(xué)興趣。

自主學(xué)習(xí)的動機(jī)一般是內(nèi)在的、自我激發(fā)的,而對這種動機(jī)具有催發(fā)作用的因素很多,其中包括自我效能感、結(jié)果預(yù)期、學(xué)習(xí)的價值意識、學(xué)習(xí)興趣、歸因傾向、合適的目標(biāo)定向等。學(xué)習(xí)的價值意識是指個體認(rèn)為學(xué)習(xí)的結(jié)果對自己有一定價值或重要意義。如果學(xué)生對自己的學(xué)業(yè)成功賦予較小的價值,就是不愿意花費(fèi)大量的時間采用精加工、組織等,再加上正面鼓勵引導(dǎo)。

3.5 建立質(zhì)量保障體系

學(xué)校實(shí)踐教學(xué)管理要構(gòu)成完整的反饋系統(tǒng),整個系統(tǒng)是正負(fù)反饋環(huán)復(fù)合構(gòu)成的。制度不健全、凝聚力差很可能成為臨界點(diǎn),不同的對象體現(xiàn)出各自不同的敏感性。只要我們找準(zhǔn)組織演化的臨界點(diǎn),矛盾還是可以解決。只有加強(qiáng)對實(shí)踐教學(xué)工作的過程管理,才能保證實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量。除了管理部門對單獨(dú)考核的實(shí)踐課程定期進(jìn)行評估檢查外,還聘請了部分現(xiàn)場工程技術(shù)人員、有較高學(xué)術(shù)水平和豐富教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的退休教授、副教授組成實(shí)踐教學(xué)督導(dǎo)小組,對實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量進(jìn)行檢查和分析。同時積極發(fā)揮學(xué)生的主體作用,在學(xué)生班中設(shè)立教學(xué)信息員,從學(xué)生的角度出發(fā)對指導(dǎo)教師的授課質(zhì)量、課程設(shè)置、教學(xué)內(nèi)容等提出建議,鼓勵學(xué)生積極進(jìn)行網(wǎng)上評教。教學(xué)質(zhì)量保障體系的建設(shè)對實(shí)踐課程教學(xué)質(zhì)量增添大的反饋。

4 結(jié)束語

提高工科院校學(xué)生的實(shí)踐能力,為專業(yè)培養(yǎng)打下良好的基礎(chǔ),需要根據(jù)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和社會發(fā)展對專業(yè)技術(shù)人才能力需求的變化,用科學(xué)的教育理念指導(dǎo)教學(xué)實(shí)踐,以改革實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容和管理模式。

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吳文輝(1968-),男,副教授,研究方向?yàn)殡娔苜|(zhì)量控制及無功補(bǔ)償,現(xiàn)為華東交通大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院教研室副主任。華東交通大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院副教授,工程碩士,從事電氣工程及其自動化的教學(xué)和研究工作,E-m ail:ww h7@ecjtu.jx.cn