高中物理“导致悖论”教学法的设计和目标

孟拥军

(江苏省高淳高级中学，江苏 高淳 211300)

高中学生在物理概念学习中常常受思维定势的干扰,有条件的结论做无条件的推广,阻碍了物理概念的深层建构．瑞士日内瓦大学的安德烈·焦尔当(A.Giordan)认为:“科学概念的建构是在原有知识的断裂中实现的,学生的认知、情感和元认知等可能成为新信息的障碍,需要将原有概念断裂以建构新的概念来超越对抗．”[1]可见,高中物理概念学习的过程是从一个先有的物理概念过渡到另一个更适合那一情境的物理概念的过程,或者说是在原有物理概念断裂中建立新概念的过程．“导致悖论”教学法借鉴悖论思想,在物理概念的教学过程中增加一个“导致悖论”和“否定悖论”的环节,使物理概念学习的过程成为概念“解构—建构”交错并行的学习过程,是物理概念深度生成的行之有效的教学方法．导致悖论教学法的基本程序是:“原有的认知→新问题情境→导致悖论(提出问题)→分析悖论→消除悖论→新的认知”．如何“导致悖论并消除悖论”进行物理概念教学呢?

1 “概念与概念”相悖

“概念与概念”相悖即教师先让学生用已有的概念来解决问题,采用欲擒故纵的手段,引起前后矛盾,让学生在发现、分析和消除悖论的过程中,重新完善自己的认知结构,建立新的概念．学生过去习得的概念存在局限性,并不是概念的完整表述,随着学习的不断深入,需要对它做出某种调整和改造．如果学生在学习过程中,通过同化能够把一个情景纳入原有的认知结构时,则这个问题就被迅速解决,原有认知结构的平衡不会被打破．但是,如果新的情景不能纳入原有的认知结构,则原来的认知结构的平衡被打破,这就会引起学生在认知上的矛盾．

案例1.初中物理中定义,一个物体受到力F的作用,并在力的方向上移动一段距离l,这个力就对物体做功W=Fl．进入高中以后,做功的条件却表述为“在力的方向上发生了一段位移”,一般教师均是直接陈述这一事实,没有引起学生的注意和深度反思.由于这样的教学没有切入学习本质,因此笔者采用导致悖论的方法进行教学，教学活动如下.

活动1:请学生计算图1、2两种情景中力F对物体做的功?(学生解出的结果都是W=Fl)

图1 图2

活动2:让学生参与推出篮球和接住篮球的活动,感受动力和阻力对物体的作用效果?(学生意识到两种情况力的作用效果不同,做功情况应该不同,初中学过的功的公式在解决新问题时出现了矛盾,原有认知结构的平衡被打破．教师先搁置问题,不作评价．)

图3

活动3:请学生计算图3情景中力F对物体做的功?(学生很快用力的分解得到W=Fcosα·l=Flcosα)

活动4:如果考虑到物体移动的方向与力的方向的夹角关系,图1的夹角是多少?图2的夹角是多少?代入到W=Flcosα这个式子中去,你有什么发现呢?(学生很快得出W=Fl和W=-Fl,教师明示:看来动力做功与阻力做功是不同的,“在力的方向移动一段距离”应该改为“在力的方向上发生了一段位移”比较妥当)

本案例根据学生已有的认知水平,以学生已有的概念为起点,创设“概念与概念”相悖的情景,提出新的问题,引导学生体验感悟并用逻辑分析进行探究,经历物理概念的建立和发展的过程,学生在新旧概念的更替中完善了概念体系,建立了新的概念．

2 “理论与实验”相悖

“理论与实验”相悖就是让学生先用已熟知的理论分析问题得出结论,然后再用实验进行检验得到相异的结果．这种适当改变的教学程序形成了“理论与实验”相悖,引发了学生的认知冲突,然后再通过学生的自醒对已有理论加以否定,这样的正误对比容易引起学生的注意,促进学生对原有概念“解构”,并将新的概念纳入认知结构中．

案例2.学生应用物理规律解题时,常会将有条件的结论做无条件推广而犯错,如:非纯电阻电路问题的理解是高中学生难以突破的难点,笔者在“焦耳定律”的教学中,采用下列程序进行教学.

图4

活动1:如图4的电路中,玩具车电动机的线圈的电阻为R=1.2 Ω,电动机正常工作时,与之并联的电压表的读数为2.60 V,则:电流表的读数为多大?(几乎所有学生的解答都是I=U/R=2.17 A,没有注意到有什么问题.)

活动2:用2节干电池连接电路,让学生参与实验过程并读数．如图5,学生读出电流表和电压表的读数U=2.60 V、I=0.20 A．(教师提醒学生对比计算值与实验值,学生开始交头接耳,有学生怀疑说“是不是电动机线圈的电阻为13 Ω”,看来仍然坚守用欧姆定律解决电动机这类非纯电阻电路问题的错误观念,教师没有应答而是继续实验．)

活动3:继续使用上述电路,教师用手压住电动机的转轮,让学生继续读数:如图6,学生读得:U=1.20 V、I=1.0 A,学生很快得出:R=1.2 Ω．(此后教室内热闹起来了,学生纷纷发表观点并争论,最后得出结论:对于电动机问题欧姆定律是不适用的,电动机正常工作时,U≫IR)

图6

活动4:从能量角度分析，电动机正常转动时,消耗的电能转化为什么能?电动机被卡住时,消耗的电能转化为什么能?(由上述实验的启发,学生很快回答出:电动机正常转动时,电能转化为机械能和内能(焦耳热),电动机被卡住时,电能只转化为线圈的内能)

活动5:线圈的电阻为R,电动机两端的电压为U,电流为I,试写出在t时间内电动机消耗的电功、电动机产生的焦耳热,电动机输出的机械能?(教师引导学生思考图7中的等效电路,学生推导:对于电阻R，Q=WR,UR=IR,可以从两个角度进行推导:Q=WR=URIt=(IR)It=I2Rt,对于整个电动机消耗的电功W=UIt,由能量守恒可知:E机=UIt-I2Rt)

图7

物理概念教学中,很多教师只是强调概念的定义并要求学生背公式,试图以刷题赢得高分．这样做违背了学生认知的客观规律,忽视了概念的本质内涵,使得学生在解决实际问题时概念混乱、逻辑关系不清．实践证明:千篇一律、刻板不变的多次重复很难实现概念的转变,不利用于学生的深层建构．本案例中,教师“欲擒故纵”导致“理论与实现”相悖,从引起注意的角度看,情理之中、意料之外的新奇刺激容易成为关注的焦点,有“从旁指点桃源路,引得渔浪来问津”的功效．“反常对比”驱动学生的“积极思维”,学生对非纯电阻电路的认识必然是“金风玉露一相逢,便胜却人间无数”．

3 “理论—理论”相悖

“理论——理论”相悖即针对一个问题情境用两种或两种以上的不同理论加以分析,得到相互矛盾的结果．运用该方法创设教学情景具有新奇性、不和谐性,激发学生的好奇心、求知欲和探索的兴趣．渴望得到合作者或老师的帮助,有利于培养学生提出问题的能力,也是转变错误观念、建构科学概念的有效方法．

本环节教学,让学生展示用不同理论求解的过程而导致“悖论”．从引起注意的角度看,“莫衷一是”的结论和解题过程恰恰点亮了学习者的有意注意．正误对比增强了新异刺激作用,激起了学生强烈的学习动机．还学生以“话语权”,使误者“知错改错”、成者“防错、去伪存真”,在“互议”中消解“悖论”更是切入学习本质,深度学习也就真实发生了．以“理论——理论”相悖的方式开展教学给学生创造“任鸟飞、凭鱼跃”的机会,必定会出现学生面对某一问题有不同意见的情况,教师只要牢牢抓住这些“错误资源”,“是非明辨”常能激起学生的探索激情,相异观点的碰撞使学生有了新问题和新思路,学习的蹊径也就增加了“接点”．相异思维的碰撞总能带给课堂“千门万户曈曈日,总把新桃换旧符”的亮丽风景．

4 “实验与实验”相悖

“实验与实验”相悖是指在教学中设计两个或两个以上的与他们的已有经验相悖的实验与之进行对比．“相悖的实验”是意料之外的反常现象,增强了个体与学习环境的相互作用,使其产生“已有认知与当前情境”的强烈不平衡,就会意识到差异和矛盾,从而积极地探索错误的根源,形成对科学观念更深刻、更全面的理解．

案例4.学习初中物理之后,学生形成了一种错误的思维定势——电源给定后,电源的电压就是不变的了．这一定势对高中物理“电池有内电阻”的建构带来障碍．教学过程如下:

活动1:“2节干电池对2.5 V小灯泡供电”和“用3节干电池对2.5 V小灯泡供电”结果会怎样?(学生1:3节干电池供电时,灯泡会很亮,但灯泡会被烧掉．教师没有评价而是演示)

图8

活动2:用如图8所示两个实验演示(结果是小灯泡非但没有被烧掉,其亮度反而还要暗一些,请学生提出自己质疑的问题．学生2:为什么电压大了,灯泡反而暗一些呢．)

活动3:用如图9所示的3节旧电池并联3个灯泡,逐一闭合开关,观察现象,提出一个你感兴趣的问题?(现象:灯泡变暗,如图10—图12,请学生提出自己质疑的问题．学生1:U一定,通过每一个灯泡的电流不变,每个灯泡的亮度应当不变．为什么灯泡变暗呢?学生2:灯泡变暗了,可能电源的电压变小了,但电源电压为什么会变小呢?…教师追问:如何验证猜想?学生3:用电压表测量电源两端的电压．让学生动手测量开关逐个闭合情况下的电源电压,确实变小了)．

图9

图10

图11

图12

活动4:为什么并联灯泡增多时,并联电阻变小了,而加在灯泡两端的电压(电源两端的电压)会减小呢?(学生还是很难联想到电源有内阻)

图13

活动5:(搭建“思维助手”,消除悖论)如果在电路中串联一个电阻(如图13),能解释灯泡变暗的现象吗?(学生4:并联灯泡越多等效电阻变小,导致串联电阻上的电压变大,灯泡两端电压就变小了,所以灯泡变暗．教师追问:上述实验中,导线的电阻是可以忽略的,那么上述实验中的分压电阻只能来自于哪里呢?学生4:可能是电源内部也有电阻．教师追问:为什么上述演示的3节干电池反而暗些呢?学生5:旧的干电池的内阻比新干电池的大．)

本案例中,教师巧妙利用了两个实验的“反常现象”,导致了学生的原有概念与新感受到的现象之间的对立性矛盾,使学生意识到原有概念失效了,促使其对原有概念体进行“解构”．教师又不急于澄清问题,而是继续演示并引导验证,问题的核心也就清晰地显露出来了．后续的问题“引路”为学生搭建了建构新概念的思维助手,教师引而不发、指而不明,不仅首尾呼应,更是为学生开辟了富有指示性的建构路径,使学生从“山重水复疑无路”中解脱了出来,形成了“等闲识得春风面,草长莺飞处处春”的生态画面．

5 讨论与结论

深度学习的最好刺激,乃是对所学材料的兴趣,只有切入学习本质,深度学习才能真正地发生．因此深度教学智在创境、妙在引领．“导致悖论”教学是一种源于智慧、成于思辨的教学,尊重学习者的主体性,促成学习者的主动性,唤醒人的自然性,涵润人的生长性．教师创设的新异“悖论”带给学生“搜肠刮肚的殚精竭虑、探异寻奇的漫漫求索”,让学生经历“踏破铁鞋无觅处”的穷途末路、“山穷水复疑无路”的茫然无措．尔后,师生互动的思维碰撞,教师创造性“指点迷津”并“拨开迷雾”,又会带给学生“蓦然回首却在灯火阑珊处”的空前惊喜,带给学生心结排除后的痛彻心扉、思想矛盾克服后的觉醒觉悟．“导致悖论”教学总是以生长的姿态指向生命力逐渐强大．