差异性实验在物理课堂教学中的应用

曾文峰 肖 洋 熊建文

差异性实验在物理课堂教学中的应用

曾文峰 肖 洋 熊建文

（华南师范大学物理与电信工程学院，广东广州 510006）

差异性实验是指实验现象或结果是人们意想不到的，违反直觉的实验．本文阐述了差异性实验的含义及特点，提出了差异性实验在物理课堂教学中的运用流程，并结合教学案例分析了差异性实验在不同教学环节中的应用．

差异性实验；运用流程；物理课堂教学；教学环节

1 引言

在物理教学中运用物理实验，特别是实验现象或结果出乎学生意料之外的实验，可以激发学生的学习兴趣．［1］而这一类实验在物理教学中正是差异性实验．差异性实验作为差异性事件在物理课堂中的主要呈现方式，它具有造成学生的认知冲突、激发学生学习动力的作用．［2，3］因此不少物理教师在课堂教学中倾向于演示差异性实验，于是差异性实验就逐渐成为演示实验的重要组成部分．但是研究表明，目前物理实验教学的效果往往并不理想，为了提高物理实验教学的效果，教师需进一步加强实验教学方法的学习．［4］同理，为了提高差异性实验的教学效果，有必要为教师运用差异性实验给予方法论方面的指导．因此，本文在介绍差异性实验的含义及特点的基础上，提出差异性实验在物理教学中的运用流程，再结合具体的教学案例探讨如何有效地在物理课堂的不同教学环节中运用差异性实验．

2 差异性实验的含义及特点

差异性实验（Discrepant Experiment）是指实验现象或结果是人们意想不到的，违反直觉的，与“常识”有较大差异的实验，是差异性事件的其中一种呈现方式．［5］例如，在“向心力”的教学中，教师往往会演示差异性实验“水流星实验：水桶在竖直平面做圆周运动，而且水桶中的水并没有撒出来．”实验现象与学生的直觉“水桶中的水在运动过程中会撒出来”不相符合，造成了认知冲突，激发了学生的学习动力．可见，差异性实验能引发强烈的认知冲突，进而激发学生产生一种“要知道”的动机．

差异性实验之所以具有引发认知冲突、激发学习动力的作用，与其特点密不可分．差异性实验主要有3个特点：浓厚的趣味性、强烈的认知冲突和证伪的功能．浓厚的趣味性指的是教师在了解学生生活经验的基础上，演示差异性实验的现象或结果违反学生的直觉，所以会产生强烈的趣味性；强烈的认知冲突是指差异性实验中的新奇、“反常”的现象与学生的已有的知识经验不符合时所引发的认知冲突；证伪功能则是指通过差异性实验现象或结果与学生的猜想及假设不相符而起到了证伪的功能．［5］

3 差异性实验在物理课堂教学中的运用流程

差异性实验的运用流程是实施差异性实验的关键，决定了差异性实验教学的有效性．对差异性实验的运用流程的探讨，可追溯到美国学者Friedl（1986）提出差异性事件教学的“三步曲”教学流程：（1）设置差异性事件——激发学生的学习动机；（2）引导学生参与解决差异性事件——学生自主进行科学探究活动；（3）解决差异性事件引起的问题并学习相关的科学知识——由学生自主或由教师引导解决问题并总结．［6－8］

在科学概念教学中，Mancuso（2010）等人认为在运用差异性事件促进概念转变的过程中，可以采用POE演示策略：［9］（1）在演示差异性事件之前，教师可以让学生对现象进行预测并解释；（2）学生观察现象并记录；（3）学生对预测与实验之间的差异进行讨论、解释．通过分析上述运用流程，可以发现这些运用流程强调的是通过探究方式开展教学，但并不是所有内容都适合探究的．物理教学中根据教学内容不同，需要灵活运用多种教学方式，并将它们有机融合到课堂教学中，才能充分发挥它们各自的优势．

笔者尝试在兼顾接受式学习和探究式学习的基础上，整合国内外学者提出的差异性事件运用流程，同时按照物理课堂教学的要求，提出差异性实验在物理课堂教学中的运用流程（如图1所示）．

图1

第1步是引出观念．采取演示实验凸显学生的已有观念，或者让学生对差异性实验的现象或结果进行预测并说明理由，即阐述已有观念．

第2步是观察实验．呈现差异性实验，学生观察差异性实验．

第3步是解决问题．教师引导学生对差异性实验进行分析，提供解决方案并解决相应问题；或者学生自主分析差异性实验，自行设计解决方案并进行相应的探究活动解决相应问题．在解决问题的过程中，学生学习相应的科学知识．

第4步是解释原因．教师提供完整的分析思路，解释差异性实验的原因；或者由学生自行解释原因，教师负责审核这些解释是否到位，并适时针对学生解释的不足点进行补充说明．

差异性实验的运用流程与Friedl的“三步曲”教学流程相比有3点不同：（1）增加“引出观念”环节，目的是为了凸显学生的已有观念，利用其与差异性实验形成对比，造成学生的认知冲突．（2）将“学生参与解决差异性事件”进一步细分为“教师主导型”和“学生自主型”，目的是为教师提供多种教学途径，便于教师应对不同类型的教学内容．（3）将“三步曲”教学流程后两个环节的内容进行调整，将最后一个运用环节进一步明确为“解释原因”，并同样细分为“教师解释型”和“学生自主解释型”，目的是便于教师根据不同难度的问题，选择合适的解释途径．教师可以结合实际课堂选择差异性实验运用流程的具体路径，灵活运用讲授式教学和探究式教学，实现教学效果的最优化．

4 差异性实验在物理课堂不同教学环节中的应用案例

物理课堂一般包括3个基本教学环节：新课导入、新课教学和课堂结束，不同环节的教学目的和要求不同．在物理课堂的不同教学环节运用差异性实验，需要符合相应环节的教学目的和要求，其具体运用流程会稍有差异．为此本文结合案例阐述差异性实验在物理课堂基本教学环节中的运用流程，一方面凸显不同教学环节对运用流程的侧重点不同，另一方面通过案例阐述差异性实验的应用目的与相关实验设计．

4．1 新课导入，激发学习兴趣

在设计新课导入时，教师必须考虑如何激发学生对新知识的学习兴趣．在新课导入环节运用差异性实验，主要是利用呈现的结果与学生常见的现象不一样，造成认知冲突，激发学生的学习兴趣．这里的案例1阐述了如何在新课导入环节运用差异性实验，节选自第6届大学生与研究生物理教学技能展评曾文峰主讲的课题“静摩擦力”．

（1）引出观念．教师展示实验器材：塑料袋、水杯、蓝墨水，引导学生回顾生活中的经历“平时我们是把杯子放进塑料袋中，就可以把杯子提起来”．此时，教师反问“那把塑料袋放进杯子中，提起塑料袋的同时还能提起杯子吗？”学生回应“不能”．接着教师演示实验，学生观察到“将塑料袋放进杯子中，提起塑料袋的同时不能提起水杯”．

（2）观察实验．教师提问学生“将塑料袋放进杯子中，怎样才能在提起塑料袋的同时把杯子提起呢？”然后，教师演示实验“将塑料袋放进杯子中，然后往塑料袋中加入适量的蓝墨水，在提拉塑料袋的同时就将杯子提起了”（如图2所示）．教师分析实验现象，并提出问题“杯子没有掉下来，处于静止状态，说明有竖直向上的力与重力平衡，这个力是什么力呢？从而引出课题“静摩擦力”．

案例分析：案例1在“静摩擦力”的新课导入环节运用了差异性实验，其目的是为了激发学生的学习兴趣．考虑到学生日常生活经验“把杯子放进塑料袋中才能提起杯子”，结合新课的知识内容，采用逆向思维设计差异性实验“提杯实验”，而学生现有的知识基础尚不能合理解释“提杯实验”，造成思维冲突，激发学生的学习兴趣并引出课题．

在新课导入环节运用差异性实验，主要体现了差异性实验运用流程的前两个环节，但是这并不意味着该环节不重视后两个环节．为了引入新课后能够更好地与即将学习的内容衔接，笔者认为，在新课导入环节结束后，教师可以引导学生对差异性实验进行进一步的思考与分析，或者由学生自主思考并进行探究活动解决相应问题，让学生可以在“解决问题”环节学习知识．引导学生在“解释原因”环节运用所学的新知识解释导入实验．

图2

4．2 新课教学，促进概念转变

学生的前概念可以作为其认知发展的“踏脚石”，但是错误的前概念存在负面作用，若不及时纠正学生错误的前概念，会影响新课教学的效果．在新课教学环节，教师可以利用差异性实验现象与学生错误的前概念不相符，造成学生的认知冲突，促进概念转变．下面的案例2阐述了如何在新课教学环节运用差异性实验，节选自第4届“东芝杯”教师技能比赛物理组李支军主讲的课题“牛顿第三定律”．

（1）引出观念．教师选择“拔河”作为例子，让学生参与活动“男生与女生站在水平地面上进行拔河比赛”，比赛结果与学生的判断一致，从而暴露学生错误的前概念“作用力与反作用力不相等”．

（2）观察实验．教师提问“难道男生的拉力大于女生的拉力？”然后，引导男生与女生同样站在水平地面上，用两个大弹簧测力计对拉，进行拔河比赛，学生可以观察到出乎意料的实验现象“弹簧测力计的示数同时变化，示数差不多相等”．

（3）解决问题．教师引导学生利用两个力学传感器对拉参与“拔河”比赛，精确测量拉力的大小．通过对比分析Dislab中两力的曲线图（“关于时间轴对称”），认识到“拔河比赛中双方的拉力大小相等，方向相反”．接着，由教师提供器材，学生动手实验自主探究其他性质的相互作用力之间的关系，在实验结束后由学生讲解实验方法及总结实验结论．在解释拔河比赛之前，教师再次让男女学生进行“拔河比赛”，只是男生站在推车上，女生站在水平地面上，比赛结果是“女生轻松获胜”．进而采用提问法，引导学生发现影响拔河比赛的因素“摩擦力”．

（4）解释原因．教师通过课件展示拔河比赛双方的受力分析图，讲解原因“当拉力大于摩擦力时，就会被对方拉动；当男生站在推车上整体的摩擦力小于站在水平地面时的摩擦力，从而被女生拉动”．

案例分析：案例2是在“牛顿第三定律”的新课教学环节运用了差异性实验，其目的是为了消除错误的前概念“拔河比赛情境下作用力与反作用力的大小不相等”．教师利用“男生与女生拔河比赛”，暴露了学生错误的前概念，然后教师针对错误的前概念设计差异性实验，让学生用弹簧测力计进行拔河比赛，学生观察到与前概念存在差异的实验现象“示数基本相同”，造成认知冲突．由此激励学生进行后续的探究活动，从而纠正学生错误的前概念，帮助学生全面理解“相互作用力的大小关系”，促进概念转变．

在新课教学环节运用差异性实验，体现了差异性实验运用流程的4个环节，在引出观念环节，暴露学生的前概念．在观察实验环节，利用差异性实验造成学生的认知冲突．在解决问题环节，教师可以结合使用“教师主导型”与“学生自主型”的流程，由学生自主参与探究活动，或者教师演示实验及分析现象．在解释原因环节，教师对实验现象的进行完整解释或学生自主解释，纠正错误的前概念，促进概念转变．

4．3 课堂结束，拓展延伸

良好的结束是一节优秀课的重要组成部分，教师可以在课堂结束环节利用差异性实验置疑生趣或引导应用，从而引起学生更浓厚的研究兴趣，扩宽学生知识面，培养学生运用所学知识解决实际问题的能力．［10］我们用案例3来说明如何在课堂结束环节运用差异性实验，这里改编自第2届全国中学物理名师教学大赛代虹主讲的课题“力的分解”．

（1）引出观念．教师展示一辆小车和吹风机，用小车模拟帆船，车的上面用纸板做帆，提出问题“若想让小车向右运动，吹风机应该向哪边吹风？学生回答“向右吹风，小车向右运动”．

（2）观察实验．教师演示“用吹风机对帆斜向右吹风，小车向左运动”，学生观察到“小车逆风前行”（如图3所示）．接着教师布置课后作业，要求让学生将帆船逆风航行在课后做一个研究性课题进行研究．

案例分析：案例3是在“力的分解”结束的环节运用了差异性实验，其目的是为了引起学生的疑问，引导学生运用所学知识解决实际问题．考虑到学生已有的生活经验“帆船是很难在逆风的情况下前进”，教师结合“力的分解”在帆船比赛中的应用， 设计差异性实验“帆船逆风前行”，进一步激励学生运用“力的分解”的相关知识解决疑问．但教师没有对原因进一步说明，而是让学生课后结合所学知识动手操作进行分析，将“力的分解”的学习延伸至课后活动．

在课堂结束环节运用差异性实验，同样主要体现了差异性实验运用流程的前两个环节，可以将后两个环节延伸至课堂之外．注重运用解决问题环节中“学生自主”的流程，旨在提高学生的实验能力．要求学生撰写课题报告，即贯彻解释原因环节，让学生以书面语言解释原因，通过查看学生的实物作品与书面报告，在课题的结题汇报中，教师可以了解学生对知识的掌握程度．

4 结语

教师将差异性实验运用于物理课堂中，可以增强学生的学习兴趣，提高课堂教学效率．教师在不同环节运用差异性实验，首先应根据不同教学环节的教学目的，确定差异性实验的应用目的．其次，教师以应用目的为基础，结合不同环节的知识内容采用逆向思维设计差异性实验．最后，差异性实验在不同教学环节的运用流程侧重点不同，应该根据不同教学环节的教学要求侧重于运用流程中的若干环节．但学生必须经历一个完整的流程，不能只利用差异性实验引起学生的疑惑，而不解决学生的疑惑，反而会增加学生的认知负荷．所以，在保证学生可以经历完整流程的前提下，教师可以在不同教学环节对差异性实验的运用流程进行调整，优化该环节的教学程序并促进教学效果．教师在呈现差异性实验过程中，还需做好引领者的角色，［11］引导学生参与差异性实验的分析与解释，避免学生思维发散的方向偏离课堂知识，影响教学进度．

1 李新乡．物理教学论［M］．北京：科学出版社，2009：255－278．

2 J Wilson，Goz lez－Espada，B Jennifer，B Ignacio．Discrepant Events：A Challenge to Students Intuition［J］．The Physics Teacher，2010，48（8）：508．

3 A G Rauch，M S Schiering．Linking Cognition to Cognitive Dissonance through Scientific Discrepant Events［J］．Journal of Systemics Cybernetics ＆Informatics，2010，8（5）．

4 王宇辰．新课程标准下高中物理实验教学现状的调查研究［D］．华中师范大学，2015．

5 朱铁成，胡晓娟．差异性实验及其在物理探究教学中的运用［J］．课程·教材·教法，2008（10）：64－67．

6 胡晓娟．差异性事件在物理教学中的运用［J］．物理实验，2005（12）：26－27，29．

7 C Chin．The use of discrepant events in teaching and learning science［J］．Teaching and Learning，1992，13（1）：51－57．

8 熊耀华．差异性事件在力学课堂问题导学中的应用设计［J］．物理教师，2013（5）：27－29．

9 Mancuso，J Vincent．Using discrepant events in science demonstrations to promote student engagement in scientific investigations：An action research study［J］．Dissertations＆Theses－Gradworks，2010：263．

10 张军朋．中学物理微格教学教程［M］．北京：北京大学出版社，2009：225－236．

11 裘指挥，张丽．差异事件教学的角色定位与发展策略［J］．教育研究，2011（7）：95－98．

图3

2016－06－19）