差異性實驗在物理課堂教學中的應用

曾文峰 肖 洋 熊建文

差異性實驗在物理課堂教學中的應用

曾文峰 肖 洋 熊建文

（華南師范大學物理與電信工程學院，廣東廣州 510006）

差異性實驗是指實驗現象或結果是人們意想不到的，違反直覺的實驗．本文闡述了差異性實驗的含義及特點，提出了差異性實驗在物理課堂教學中的運用流程，并結合教學案例分析了差異性實驗在不同教學環節中的應用．

差異性實驗；運用流程；物理課堂教學；教學環節

1 引言

在物理教學中運用物理實驗，特別是實驗現象或結果出乎學生意料之外的實驗，可以激發學生的學習興趣．［1］而這一類實驗在物理教學中正是差異性實驗．差異性實驗作為差異性事件在物理課堂中的主要呈現方式，它具有造成學生的認知沖突、激發學生學習動力的作用．［2，3］因此不少物理教師在課堂教學中傾向于演示差異性實驗，于是差異性實驗就逐漸成為演示實驗的重要組成部分．但是研究表明，目前物理實驗教學的效果往往并不理想，為了提高物理實驗教學的效果，教師需進一步加強實驗教學方法的學習．［4］同理，為了提高差異性實驗的教學效果，有必要為教師運用差異性實驗給予方法論方面的指導．因此，本文在介紹差異性實驗的含義及特點的基礎上，提出差異性實驗在物理教學中的運用流程，再結合具體的教學案例探討如何有效地在物理課堂的不同教學環節中運用差異性實驗．

2 差異性實驗的含義及特點

差異性實驗（Discrepant Experiment）是指實驗現象或結果是人們意想不到的，違反直覺的，與“常識”有較大差異的實驗，是差異性事件的其中一種呈現方式．［5］例如，在“向心力”的教學中，教師往往會演示差異性實驗“水流星實驗：水桶在豎直平面做圓周運動，而且水桶中的水并沒有撒出來．”實驗現象與學生的直覺“水桶中的水在運動過程中會撒出來”不相符合，造成了認知沖突，激發了學生的學習動力．可見，差異性實驗能引發強烈的認知沖突，進而激發學生產生一種“要知道”的動機．

差異性實驗之所以具有引發認知沖突、激發學習動力的作用，與其特點密不可分．差異性實驗主要有3個特點：濃厚的趣味性、強烈的認知沖突和證偽的功能．濃厚的趣味性指的是教師在了解學生生活經驗的基礎上，演示差異性實驗的現象或結果違反學生的直覺，所以會產生強烈的趣味性；強烈的認知沖突是指差異性實驗中的新奇、“反常”的現象與學生的已有的知識經驗不符合時所引發的認知沖突；證偽功能則是指通過差異性實驗現象或結果與學生的猜想及假設不相符而起到了證偽的功能．［5］

3 差異性實驗在物理課堂教學中的運用流程

差異性實驗的運用流程是實施差異性實驗的關鍵，決定了差異性實驗教學的有效性．對差異性實驗的運用流程的探討，可追溯到美國學者Friedl（1986）提出差異性事件教學的“三步曲”教學流程：（1）設置差異性事件——激發學生的學習動機；（2）引導學生參與解決差異性事件——學生自主進行科學探究活動；（3）解決差異性事件引起的問題并學習相關的科學知識——由學生自主或由教師引導解決問題并總結．［6－8］

在科學概念教學中，Mancuso（2010）等人認為在運用差異性事件促進概念轉變的過程中，可以采用POE演示策略：［9］（1）在演示差異性事件之前，教師可以讓學生對現象進行預測并解釋；（2）學生觀察現象并記錄；（3）學生對預測與實驗之間的差異進行討論、解釋．通過分析上述運用流程，可以發現這些運用流程強調的是通過探究方式開展教學，但并不是所有內容都適合探究的．物理教學中根據教學內容不同，需要靈活運用多種教學方式，并將它們有機融合到課堂教學中，才能充分發揮它們各自的優勢．

筆者嘗試在兼顧接受式學習和探究式學習的基礎上，整合國內外學者提出的差異性事件運用流程，同時按照物理課堂教學的要求，提出差異性實驗在物理課堂教學中的運用流程（如圖1所示）．

圖1

第1步是引出觀念．采取演示實驗凸顯學生的已有觀念，或者讓學生對差異性實驗的現象或結果進行預測并說明理由，即闡述已有觀念．

第2步是觀察實驗．呈現差異性實驗，學生觀察差異性實驗．

第3步是解決問題．教師引導學生對差異性實驗進行分析，提供解決方案并解決相應問題；或者學生自主分析差異性實驗，自行設計解決方案并進行相應的探究活動解決相應問題．在解決問題的過程中，學生學習相應的科學知識．

第4步是解釋原因．教師提供完整的分析思路，解釋差異性實驗的原因；或者由學生自行解釋原因，教師負責審核這些解釋是否到位，并適時針對學生解釋的不足點進行補充說明．

差異性實驗的運用流程與Friedl的“三步曲”教學流程相比有3點不同：（1）增加“引出觀念”環節，目的是為了凸顯學生的已有觀念，利用其與差異性實驗形成對比，造成學生的認知沖突．（2）將“學生參與解決差異性事件”進一步細分為“教師主導型”和“學生自主型”，目的是為教師提供多種教學途徑，便于教師應對不同類型的教學內容．（3）將“三步曲”教學流程后兩個環節的內容進行調整，將最后一個運用環節進一步明確為“解釋原因”，并同樣細分為“教師解釋型”和“學生自主解釋型”，目的是便于教師根據不同難度的問題，選擇合適的解釋途徑．教師可以結合實際課堂選擇差異性實驗運用流程的具體路徑，靈活運用講授式教學和探究式教學，實現教學效果的最優化．

4 差異性實驗在物理課堂不同教學環節中的應用案例

物理課堂一般包括3個基本教學環節：新課導入、新課教學和課堂結束，不同環節的教學目的和要求不同．在物理課堂的不同教學環節運用差異性實驗，需要符合相應環節的教學目的和要求，其具體運用流程會稍有差異．為此本文結合案例闡述差異性實驗在物理課堂基本教學環節中的運用流程，一方面凸顯不同教學環節對運用流程的側重點不同，另一方面通過案例闡述差異性實驗的應用目的與相關實驗設計．

4．1 新課導入，激發學習興趣

在設計新課導入時，教師必須考慮如何激發學生對新知識的學習興趣．在新課導入環節運用差異性實驗，主要是利用呈現的結果與學生常見的現象不一樣，造成認知沖突，激發學生的學習興趣．這里的案例1闡述了如何在新課導入環節運用差異性實驗，節選自第6屆大學生與研究生物理教學技能展評曾文峰主講的課題“靜摩擦力”．

（1）引出觀念．教師展示實驗器材：塑料袋、水杯、藍墨水，引導學生回顧生活中的經歷“平時我們是把杯子放進塑料袋中，就可以把杯子提起來”．此時，教師反問“那把塑料袋放進杯子中，提起塑料袋的同時還能提起杯子嗎？”學生回應“不能”．接著教師演示實驗，學生觀察到“將塑料袋放進杯子中，提起塑料袋的同時不能提起水杯”．

（2）觀察實驗．教師提問學生“將塑料袋放進杯子中，怎樣才能在提起塑料袋的同時把杯子提起呢？”然后，教師演示實驗“將塑料袋放進杯子中，然后往塑料袋中加入適量的藍墨水，在提拉塑料袋的同時就將杯子提起了”（如圖2所示）．教師分析實驗現象，并提出問題“杯子沒有掉下來，處于靜止狀態，說明有豎直向上的力與重力平衡，這個力是什么力呢？從而引出課題“靜摩擦力”．

案例分析：案例1在“靜摩擦力”的新課導入環節運用了差異性實驗，其目的是為了激發學生的學習興趣．考慮到學生日常生活經驗“把杯子放進塑料袋中才能提起杯子”，結合新課的知識內容，采用逆向思維設計差異性實驗“提杯實驗”，而學生現有的知識基礎尚不能合理解釋“提杯實驗”，造成思維沖突，激發學生的學習興趣并引出課題．

在新課導入環節運用差異性實驗，主要體現了差異性實驗運用流程的前兩個環節，但是這并不意味著該環節不重視后兩個環節．為了引入新課后能夠更好地與即將學習的內容銜接，筆者認為，在新課導入環節結束后，教師可以引導學生對差異性實驗進行進一步的思考與分析，或者由學生自主思考并進行探究活動解決相應問題，讓學生可以在“解決問題”環節學習知識．引導學生在“解釋原因”環節運用所學的新知識解釋導入實驗．

圖2

4．2 新課教學，促進概念轉變

學生的前概念可以作為其認知發展的“踏腳石”，但是錯誤的前概念存在負面作用，若不及時糾正學生錯誤的前概念，會影響新課教學的效果．在新課教學環節，教師可以利用差異性實驗現象與學生錯誤的前概念不相符，造成學生的認知沖突，促進概念轉變．下面的案例2闡述了如何在新課教學環節運用差異性實驗，節選自第4屆“東芝杯”教師技能比賽物理組李支軍主講的課題“牛頓第三定律”．

（1）引出觀念．教師選擇“拔河”作為例子，讓學生參與活動“男生與女生站在水平地面上進行拔河比賽”，比賽結果與學生的判斷一致，從而暴露學生錯誤的前概念“作用力與反作用力不相等”．

（2）觀察實驗．教師提問“難道男生的拉力大于女生的拉力？”然后，引導男生與女生同樣站在水平地面上，用兩個大彈簧測力計對拉，進行拔河比賽，學生可以觀察到出乎意料的實驗現象“彈簧測力計的示數同時變化，示數差不多相等”．

（3）解決問題．教師引導學生利用兩個力學傳感器對拉參與“拔河”比賽，精確測量拉力的大小．通過對比分析Dislab中兩力的曲線圖（“關于時間軸對稱”），認識到“拔河比賽中雙方的拉力大小相等，方向相反”．接著，由教師提供器材，學生動手實驗自主探究其他性質的相互作用力之間的關系，在實驗結束后由學生講解實驗方法及總結實驗結論．在解釋拔河比賽之前，教師再次讓男女學生進行“拔河比賽”，只是男生站在推車上，女生站在水平地面上，比賽結果是“女生輕松獲勝”．進而采用提問法，引導學生發現影響拔河比賽的因素“摩擦力”．

（4）解釋原因．教師通過課件展示拔河比賽雙方的受力分析圖，講解原因“當拉力大于摩擦力時，就會被對方拉動；當男生站在推車上整體的摩擦力小于站在水平地面時的摩擦力，從而被女生拉動”．

案例分析：案例2是在“牛頓第三定律”的新課教學環節運用了差異性實驗，其目的是為了消除錯誤的前概念“拔河比賽情境下作用力與反作用力的大小不相等”．教師利用“男生與女生拔河比賽”，暴露了學生錯誤的前概念，然后教師針對錯誤的前概念設計差異性實驗，讓學生用彈簧測力計進行拔河比賽，學生觀察到與前概念存在差異的實驗現象“示數基本相同”，造成認知沖突．由此激勵學生進行后續的探究活動，從而糾正學生錯誤的前概念，幫助學生全面理解“相互作用力的大小關系”，促進概念轉變．

在新課教學環節運用差異性實驗，體現了差異性實驗運用流程的4個環節，在引出觀念環節，暴露學生的前概念．在觀察實驗環節，利用差異性實驗造成學生的認知沖突．在解決問題環節，教師可以結合使用“教師主導型”與“學生自主型”的流程，由學生自主參與探究活動，或者教師演示實驗及分析現象．在解釋原因環節，教師對實驗現象的進行完整解釋或學生自主解釋，糾正錯誤的前概念，促進概念轉變．

4．3 課堂結束，拓展延伸

良好的結束是一節優秀課的重要組成部分，教師可以在課堂結束環節利用差異性實驗置疑生趣或引導應用，從而引起學生更濃厚的研究興趣，擴寬學生知識面，培養學生運用所學知識解決實際問題的能力．［10］我們用案例3來說明如何在課堂結束環節運用差異性實驗，這里改編自第2屆全國中學物理名師教學大賽代虹主講的課題“力的分解”．

（1）引出觀念．教師展示一輛小車和吹風機，用小車模擬帆船，車的上面用紙板做帆，提出問題“若想讓小車向右運動，吹風機應該向哪邊吹風？學生回答“向右吹風，小車向右運動”．

（2）觀察實驗．教師演示“用吹風機對帆斜向右吹風，小車向左運動”，學生觀察到“小車逆風前行”（如圖3所示）．接著教師布置課后作業，要求讓學生將帆船逆風航行在課后做一個研究性課題進行研究．

案例分析：案例3是在“力的分解”結束的環節運用了差異性實驗，其目的是為了引起學生的疑問，引導學生運用所學知識解決實際問題．考慮到學生已有的生活經驗“帆船是很難在逆風的情況下前進”，教師結合“力的分解”在帆船比賽中的應用， 設計差異性實驗“帆船逆風前行”，進一步激勵學生運用“力的分解”的相關知識解決疑問．但教師沒有對原因進一步說明，而是讓學生課后結合所學知識動手操作進行分析，將“力的分解”的學習延伸至課后活動．

在課堂結束環節運用差異性實驗，同樣主要體現了差異性實驗運用流程的前兩個環節，可以將后兩個環節延伸至課堂之外．注重運用解決問題環節中“學生自主”的流程，旨在提高學生的實驗能力．要求學生撰寫課題報告，即貫徹解釋原因環節，讓學生以書面語言解釋原因，通過查看學生的實物作品與書面報告，在課題的結題匯報中，教師可以了解學生對知識的掌握程度．

4 結語

教師將差異性實驗運用于物理課堂中，可以增強學生的學習興趣，提高課堂教學效率．教師在不同環節運用差異性實驗，首先應根據不同教學環節的教學目的，確定差異性實驗的應用目的．其次，教師以應用目的為基礎，結合不同環節的知識內容采用逆向思維設計差異性實驗．最后，差異性實驗在不同教學環節的運用流程側重點不同，應該根據不同教學環節的教學要求側重于運用流程中的若干環節．但學生必須經歷一個完整的流程，不能只利用差異性實驗引起學生的疑惑，而不解決學生的疑惑，反而會增加學生的認知負荷．所以，在保證學生可以經歷完整流程的前提下，教師可以在不同教學環節對差異性實驗的運用流程進行調整，優化該環節的教學程序并促進教學效果．教師在呈現差異性實驗過程中，還需做好引領者的角色，［11］引導學生參與差異性實驗的分析與解釋，避免學生思維發散的方向偏離課堂知識，影響教學進度．

1 李新鄉．物理教學論［M］．北京：科學出版社，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．新課程標準下高中物理實驗教學現狀的調查研究［D］．華中師范大學，2015．

5 朱鐵成，胡曉娟．差異性實驗及其在物理探究教學中的運用［J］．課程·教材·教法，2008（10）：64－67．

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

8 熊耀華．差異性事件在力學課堂問題導學中的應用設計［J］．物理教師，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 張軍朋．中學物理微格教學教程［M］．北京：北京大學出版社，2009：225－236．

11 裘指揮，張麗．差異事件教學的角色定位與發展策略［J］．教育研究，2011（7）：95－98．

圖3

2016－06－19）