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[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
[]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，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“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
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
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。
[关键词]教育改革；集约型教育；势科学；工程教育；素质教育
[]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，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“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
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性”、“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“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。
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