實施“類悖論”探究教學 培養創新個性品格*

黃國龍

(浙江省鎮海中學 浙江 寧波 315200)

1 科學悖論研究中創新個性品格

很多重大科學理論的發現表明，科學探究始于問題．科學問題的特征是差異，是矛盾．所謂悖論，就是一種邏輯矛盾，它指的是從某一前提出發推出兩個在邏輯上自相矛盾的命題，或從某一理論中推出的命題與已知科學原理或實踐產生的邏輯矛盾．無論是科學悖論的產生，還是科學悖論的探究過程以及科學悖論的消除，科學悖論的重要作用不僅表現在認知層面上創新，而且也體現了科學家的創新個性品格重要作用．科學悖論在認知上的創新作用主要體現在創新科學問題的提出，科學方法和思維方式的創新，重要理論和認識上的創新．例如，“光速悖論”導致一個劃時代科學問題；在探究“光速悖論”過程中實現了研究方法的創新(愛因斯坦運用理想實驗和等效思維的方法)；提出時空的相對性，實現了對時空觀的認識上創新；最后創立了相對論，實現了對牛頓力學的創新．在科學悖論探究中，科學家的創新個性品格發揮了十分重要的作用，具體表現為以下幾個方面.

1.1 科學悖論促進了科學家創新意識的發揮

科學研究中每一個科學悖論的出現，意味著一個重大科學問題的提出．科學家運用導致悖論方法揭示原有理論隱含的客觀矛盾，提出具有十分重要意義的科學探究問題．例如，19世紀末在研究黑體輻射時出現的“紫外災難”這一悖論，揭示了經典物理的局限性，提出了研究量子世界的科學問題．又如，伽利略自覺運用“落體悖論”方法發現亞里士多德“重的物體比輕的物體下落快”這一落體運動理論存在的問題．從這一意義講，科學悖論是發現問題、提出科學問題的源泉，促進了科學家創新意識的發揮．

1.2 科學悖論是進行科學創新的動力

每一激動人心的科學悖論激發科學家開始研究一個新的科學領域．例如，“紫外災難”這一悖論出現，激發了包括普朗克、愛因斯坦、德布羅意、海森伯等多位物理學家的探究興趣和熱情，促使他們投入到探究量子世界的科學探究活動中，最后通過團隊努力建立了量子理論．“原子湮滅”悖論的出現，揭示盧瑟福原子核式結構模型存在問題，揭示了包括玻爾、索末菲等物理學家深化探究原子世界的動機．1935年，在量子力學研究中，EPR悖論(意指量子力學不完備或者量子力學不具備內在相容性)的出現，導致愛因斯坦與波爾等人長達一個世紀的爭論．因而，科學悖論是激發科學家科學研究興趣和熱情的重要力量，是進行科學創新的重要動力.

1.3 科學悖論的研究磨練了科學家的創新意志和創新精神

為了消除悖論，科學家必須以批判的態度認識原有理論的局限性，以創新精神沖破傳統觀念的束縛，運用創新的思維方式和觀念提出新的假設，經過艱辛的研究過程建立新的理論．例如，針對“光速悖論”，愛因斯坦經過10年艱辛努力，克服重重困難，提出了狹義相對論．又如，為了研究“紫外災難”悖論，通過普朗克能量子假設→愛因斯坦光子假設→密立根光電效應實驗→康普頓電子散射實驗→德布羅意物質波理論→波爾原子模型……等一系列曲折的研究過程，最后建立比較完整的量子理論．從這一層面上講，在科學悖論研究過程中，既要發揮物理學家個體的創新意志，也要發揮科學團隊協作交流；雖然科學家經歷艱難曲折研究過程，但也體驗到研究的艱辛和成功帶來的歡樂；不僅促使了科學思維方式的創新，而且也磨練了科學家創新的意志和創新精神．

2 “類悖論”探究教學與學生創新個性品格的培養

培養學生的創新素養是培養拔尖創新人才的重要舉措，是中學物理教學的一個重要研究課題．創新素養是由創新個性品格、創新思維、創新技法等三個重要內容組成的．創新的個性品格的自我塑造對創新者而言具有舉足輕重的重要意義，它決定著創新者觀念的形成，支配著創新者傾向性行為習慣，并最終決定著創新成果的層次和水平．創新個性品格包括創新意識、創新動機、創新意志，是創新素養中十分重要的組成部分．在科學悖論研究過程中，由于科學家具有良好的創新個性品格，從而能夠發現和提出科學問題，揭示原有理論隱含的客觀矛盾，并激發科學研究的熱情，進而對悖論進行深度的研究，實現重大的科學創新．

中學物理教學中，雖然學生探究物理的過程與科學家的科學研究在目標上、難度上是不同的，但他們的認知過程和情感體驗以及價值取向在某種意義上是相似的．根據上述闡述的科學悖論研究在創新個性品格方面所發揮的重要作用以及學生學習物理與科學研究的相似性．筆者認為，根據科學悖論的一般性結合學生認知水平和中學物理教學實際，提出了“類悖論”概念.

中學物理教學中“類悖論”的特點是：學生在學習新知識、解決新問題時表現出來的認知結構中原有知識、方法與新的物理情景間的矛盾，認知中原有知識、方法之間的矛盾．“類悖論”雖然對現有整個科學研究而言不是真正的悖論，似乎沒有多大的科學價值，但對于中學生探究物理知識和物理教育而言卻具有十分重要的認識價值和創新教育價值．關于通過“類悖論”探究來實施認知方面教學(例如培養創新思維等)已有相關研究，但通過“類悖論”探究來實施創新個性品格教育卻研究得較少，因而在“類悖論”探究中實施創新個性品格教育顯得十分迫切和重要．另外，科學悖論與“類悖論”的相似性、科學悖論研究中科學家創新個性品格和物理教學中創新個性品格培養目標的相似性，為實施“類悖論”探究教學培養創新個性品格提供可能性．

圖1 通過“類悖論”培養學生創新個性品格框圖

在中學物理“類悖論”探究中培養創新個性品格的重點是挖掘適合學生認知水平、情感需要和價值取向的“類悖論”課程資源，充分發揮學生的自主探究和團隊協作作用，讓學生在“類悖論”探究中真實地發現悖論，經歷曲折的探究過程，獲得積極的情感體驗，發揮創新的意志和精神．主要通過導致“類悖論”、創設“類悖論”情境、探究“類悖論”、消除“類悖論”等途徑來培養學生的創新個性品質(如圖1所示框圖)，從而來有效實施創新素養的培育．

3 實施“類悖論”探究教學培養學生創新個性品格的探索

3.1 運用導致“類悖論”方法培養學生的創新意識

創新意識包括發現、提出問題意識，求證否定的意識．對某些物理問題的錯誤解答往往暴露學生認知的局限性和思維上缺陷．中學物理教學中，教師要引導學生自覺運用導致“類悖論”方法來揭示原有解答的錯誤，發現原有解答和認知存在的問題，并提出新的探究問題，從而培養學生的創新意識．

案例1：特殊阻力導致“最大速度”類悖論，提出探究問題.

圖2

【例1】如圖2所示，水平金屬導軌間距為l，導軌左端接有阻值為R的電阻，質量為m的導體棒垂直跨接在導軌上，導軌和導體棒的電阻均不計．矩形區域內勻強磁場磁感應強度為B，方向如圖．導體棒始終在磁場區域內，當磁場以速度v1勻速向右移動時，導體棒受到大小為f的恒定阻力．試求金屬棒運動的最大速度．

3.2 創設“類悖論”情境分析消除“類悖論”激發學生創新動機

創新動機包括創新的求知欲望、創新的興趣和創新熱情．創設“類悖論”情境、導致“類悖論”有利于激發創新的欲望和興趣，分析“類悖論”原因、消除“類悖論”能培養學生持續的創新熱情．

(1)創設“類悖論”情境，導致“類悖論”，激發學生求知欲望和創新興趣

創設“類悖論”情境，使教學信息具有新奇性、不和諧性，能打破學生原有認知平衡，從而使學生產生好奇性和旺盛的求知欲，極大地激發學生探究興趣．中學物理教學中可以通過如下途徑來創設“類悖論”情境：運用特殊化方法(讓某些物理量取特殊值揭示推理錯誤)創設“類悖論”情境；運用兩種解答方法的矛盾創設“類悖論”情境；運用推理結果與實踐矛盾創設“類悖論”情境；運用推理結果與正確理論矛盾創設“類悖論”情境．

案例2:創設“最大高度”類悖論情境，激發學生創新欲望和興趣.

圖3

【例2】如圖3所示，一質量為m，帶電荷量+q的帶電小球從磁感應強度為B的勻強磁場中A點由靜止開始下落，試求：帶電小球下落的最大高度h和最大速度．

分析：部分學生解答：小球到達最低點后沿水平方向做勻速直線運動,如圖4所示．設小球沿水平方向運動的速度為v，由動能定理和牛頓第二定律列出

圖4

針對學生上述解答，可創設如下“類悖論”情境：假若帶電小球做如圖4所示的運動，則從曲線運動角度分析，在兩個運動軌跡的交接處所受的合力不為零；而從直線運動角度分析，在兩個運動軌跡交接處所受的合力應為零．事實上，在兩軌跡交接處，由于速度沒有突變，所受洛倫茲力也沒有突變，所受的合力不能突變．因而學生構建的小球運動軌跡是錯誤的，從而導致“類悖論”．這個“類悖論”出現后，學生感到很驚訝，迫切想知道原有解答與事實矛盾的原因，激發了學生探究“類悖論”原因的欲望和興趣，為探究解答這個問題注入了動力．

(2)消除“類悖論”，探究規律，培養學生創新的熱情

針對中學物理中出現的“類悖論”，教師要引導學生積極探究“類悖論”產生的原因，運用創新思維方法提出新的解決問題的方法．通過從矛盾到統一，從失敗到成功，在消除“類悖論”、提出新的理論和方法的同時，使學生獲得成功感，從而培養創新的熱情．

案例3:消除“最大速度”類悖論原因，培養創新熱情.

例如，針對“最大速度”類悖論，教師引導學生猜想產生“類悖論”的原因是當磁場和導體棒都運動時，動生電動勢計算公式為E=Blvr(vr為導體棒相對磁場切割速度)，然后進一步引導學生論證猜想．

圖5

通過上述“類悖論”原因研究，不僅揭示了錯誤原因，消除“類悖論”，使學生認識到原有認知的局限性，探究創新導體棒相對運動磁場運動時動生電動勢的規律ε=Blvr(vr為相對磁場的切割速度)，更為重要的是使學生獲得創新的成功感，進一步培養學生創新熱情．

3.3 強化“類悖論”探究過程培養學生的創新意志

創新意志包括創新的自覺性——明確創新價值，創新的果斷性——及時的決定并堅決執行，創新意志的堅韌性——有旺盛精力和拼博精神．探究“類悖論”原因、消除“類悖論”、得出新的規律是一個艱辛的探索過程，需要頑強的意志和創新的精神．在“類悖論”探究教學中，教師應拓展“類悖論”探究途徑．當導致“類悖論”激發學生創新動機后，教師應強化“類悖論”的探究過程，在注重學生自主探究的同時，應給予學生必要的啟發，鼓勵學生的創新熱情，幫助學生克服探究過程中遇到的困難，從而培養學生創新的意志．

(1)探究重要理論性“類悖論”，培養學生的創新意志

案例4：探究“加速度”類悖論，培養創新意志.

圖6

【例3】如圖6所示，半徑為R的半球以a的加速度沿著水平面向右運動，帶動從動桿AB沿豎直方向上升，O為半球的球心，P為頂點．求：當∠AOP=θ,半球的速度為v時，AB桿的加速度．

分析：教學中發現部分學生解答如下：設桿AB豎直向上運動的加速度為a2，把a和a2分別沿著徑向和切向方向分解，a和a2的徑向分量分別為a2cosθ和asinθ，根據兩物體在徑向方向加速度相同得：a2cosθ=asinθ，解之桿的加速度為a2=atanθ．

圖7

通過“加速度”類悖論探究過程，不僅探索創新二體加速度約束關系的一般規律，更重要的是學生經歷艱辛的探究創新過程，遇到了多次失敗，克服了種種困難，從失敗到成功，從錯誤到正確，培養了創新的意志和精神．

(2)探究重要方法性“類悖論”，培養學生創新意志

案例5:探究“最大高度”類悖論，培養創新意志.

例如，案例2中創設“最大高度”類悖論情境后，激發學生創新欲望和興趣．在此基礎上，引導學生分析產生上述“類悖論”的原因是帶電小球到達最低點時不可能受力平衡，運動軌跡可能是如圖8所示．學生再進行如下解答方法的探究創新過程.

圖8

解法2(等效方法)：現構建小球有兩個大小相

結語：通過上述“類悖論”探究過程，不僅揭示了“類悖論”產生的原因，而且實施了由錯誤解法到正確解法，由正確解法到簡潔解法的創新過程．師生之間、學生之間相互啟發，相互幫助，協作探究，經歷了多次挫折，克服了種種困難，樹立了自信心，最后運用多種方法創新解答這個疑難問題，創新的意志得到有效的培養．