高中物理“導致悖論”教學法的設計和目標

孟擁軍

(江蘇省高淳高級中學，江蘇 高淳 211300)

高中學生在物理概念學習中常常受思維定勢的干擾,有條件的結論做無條件的推廣,阻礙了物理概念的深層建構．瑞士日內瓦大學的安德烈·焦爾當(A.Giordan)認為:“科學概念的建構是在原有知識的斷裂中實現的,學生的認知、情感和元認知等可能成為新信息的障礙,需要將原有概念斷裂以建構新的概念來超越對抗．”[1]可見,高中物理概念學習的過程是從一個先有的物理概念過渡到另一個更適合那一情境的物理概念的過程,或者說是在原有物理概念斷裂中建立新概念的過程．“導致悖論”教學法借鑒悖論思想,在物理概念的教學過程中增加一個“導致悖論”和“否定悖論”的環節,使物理概念學習的過程成為概念“解構—建構”交錯并行的學習過程,是物理概念深度生成的行之有效的教學方法．導致悖論教學法的基本程序是:“原有的認知→新問題情境→導致悖論(提出問題)→分析悖論→消除悖論→新的認知”．如何“導致悖論并消除悖論”進行物理概念教學呢?

1 “概念與概念”相悖

“概念與概念”相悖即教師先讓學生用已有的概念來解決問題,采用欲擒故縱的手段,引起前后矛盾,讓學生在發現、分析和消除悖論的過程中,重新完善自己的認知結構,建立新的概念．學生過去習得的概念存在局限性,并不是概念的完整表述,隨著學習的不斷深入,需要對它做出某種調整和改造．如果學生在學習過程中,通過同化能夠把一個情景納入原有的認知結構時,則這個問題就被迅速解決,原有認知結構的平衡不會被打破．但是,如果新的情景不能納入原有的認知結構,則原來的認知結構的平衡被打破,這就會引起學生在認知上的矛盾．

案例1.初中物理中定義,一個物體受到力F的作用,并在力的方向上移動一段距離l,這個力就對物體做功W=Fl．進入高中以后,做功的條件卻表述為“在力的方向上發生了一段位移”,一般教師均是直接陳述這一事實,沒有引起學生的注意和深度反思.由于這樣的教學沒有切入學習本質,因此筆者采用導致悖論的方法進行教學，教學活動如下.

活動1:請學生計算圖1、2兩種情景中力F對物體做的功?(學生解出的結果都是W=Fl)

圖1 圖2

活動2:讓學生參與推出籃球和接住籃球的活動,感受動力和阻力對物體的作用效果?(學生意識到兩種情況力的作用效果不同,做功情況應該不同,初中學過的功的公式在解決新問題時出現了矛盾,原有認知結構的平衡被打破．教師先擱置問題,不作評價．)

圖3

活動3:請學生計算圖3情景中力F對物體做的功?(學生很快用力的分解得到W=Fcosα·l=Flcosα)

活動4:如果考慮到物體移動的方向與力的方向的夾角關系,圖1的夾角是多少?圖2的夾角是多少?代入到W=Flcosα這個式子中去,你有什么發現呢?(學生很快得出W=Fl和W=-Fl,教師明示:看來動力做功與阻力做功是不同的,“在力的方向移動一段距離”應該改為“在力的方向上發生了一段位移”比較妥當)

本案例根據學生已有的認知水平,以學生已有的概念為起點,創設“概念與概念”相悖的情景,提出新的問題,引導學生體驗感悟并用邏輯分析進行探究,經歷物理概念的建立和發展的過程,學生在新舊概念的更替中完善了概念體系,建立了新的概念．

2 “理論與實驗”相悖

“理論與實驗”相悖就是讓學生先用已熟知的理論分析問題得出結論,然后再用實驗進行檢驗得到相異的結果．這種適當改變的教學程序形成了“理論與實驗”相悖,引發了學生的認知沖突,然后再通過學生的自醒對已有理論加以否定,這樣的正誤對比容易引起學生的注意,促進學生對原有概念“解構”,并將新的概念納入認知結構中．

案例2.學生應用物理規律解題時,常會將有條件的結論做無條件推廣而犯錯,如:非純電阻電路問題的理解是高中學生難以突破的難點,筆者在“焦耳定律”的教學中,采用下列程序進行教學.

圖4

活動1:如圖4的電路中,玩具車電動機的線圈的電阻為R=1.2 Ω,電動機正常工作時,與之并聯的電壓表的讀數為2.60 V,則:電流表的讀數為多大?(幾乎所有學生的解答都是I=U/R=2.17 A,沒有注意到有什么問題.)

活動2:用2節干電池連接電路,讓學生參與實驗過程并讀數．如圖5,學生讀出電流表和電壓表的讀數U=2.60 V、I=0.20 A．(教師提醒學生對比計算值與實驗值,學生開始交頭接耳,有學生懷疑說“是不是電動機線圈的電阻為13 Ω”,看來仍然堅守用歐姆定律解決電動機這類非純電阻電路問題的錯誤觀念,教師沒有應答而是繼續實驗．)

活動3:繼續使用上述電路,教師用手壓住電動機的轉輪,讓學生繼續讀數:如圖6,學生讀得:U=1.20 V、I=1.0 A,學生很快得出:R=1.2 Ω．(此后教室內熱鬧起來了,學生紛紛發表觀點并爭論,最后得出結論:對于電動機問題歐姆定律是不適用的,電動機正常工作時,U?IR)

圖6

活動4:從能量角度分析，電動機正常轉動時,消耗的電能轉化為什么能?電動機被卡住時,消耗的電能轉化為什么能?(由上述實驗的啟發,學生很快回答出:電動機正常轉動時,電能轉化為機械能和內能(焦耳熱),電動機被卡住時,電能只轉化為線圈的內能)

活動5:線圈的電阻為R,電動機兩端的電壓為U,電流為I,試寫出在t時間內電動機消耗的電功、電動機產生的焦耳熱,電動機輸出的機械能?(教師引導學生思考圖7中的等效電路,學生推導:對于電阻R，Q=WR,UR=IR,可以從兩個角度進行推導:Q=WR=URIt=(IR)It=I2Rt,對于整個電動機消耗的電功W=UIt,由能量守恒可知:E機=UIt-I2Rt)

圖7

物理概念教學中,很多教師只是強調概念的定義并要求學生背公式,試圖以刷題贏得高分．這樣做違背了學生認知的客觀規律,忽視了概念的本質內涵,使得學生在解決實際問題時概念混亂、邏輯關系不清．實踐證明:千篇一律、刻板不變的多次重復很難實現概念的轉變,不利用于學生的深層建構．本案例中,教師“欲擒故縱”導致“理論與實現”相悖,從引起注意的角度看,情理之中、意料之外的新奇刺激容易成為關注的焦點,有“從旁指點桃源路,引得漁浪來問津”的功效．“反常對比”驅動學生的“積極思維”,學生對非純電阻電路的認識必然是“金風玉露一相逢,便勝卻人間無數”．

3 “理論—理論”相悖

“理論——理論”相悖即針對一個問題情境用兩種或兩種以上的不同理論加以分析,得到相互矛盾的結果．運用該方法創設教學情景具有新奇性、不和諧性,激發學生的好奇心、求知欲和探索的興趣．渴望得到合作者或老師的幫助,有利于培養學生提出問題的能力,也是轉變錯誤觀念、建構科學概念的有效方法．

本環節教學,讓學生展示用不同理論求解的過程而導致“悖論”．從引起注意的角度看,“莫衷一是”的結論和解題過程恰恰點亮了學習者的有意注意．正誤對比增強了新異刺激作用,激起了學生強烈的學習動機．還學生以“話語權”,使誤者“知錯改錯”、成者“防錯、去偽存真”,在“互議”中消解“悖論”更是切入學習本質,深度學習也就真實發生了．以“理論——理論”相悖的方式開展教學給學生創造“任鳥飛、憑魚躍”的機會,必定會出現學生面對某一問題有不同意見的情況,教師只要牢牢抓住這些“錯誤資源”,“是非明辨”常能激起學生的探索激情,相異觀點的碰撞使學生有了新問題和新思路,學習的蹊徑也就增加了“接點”．相異思維的碰撞總能帶給課堂“千門萬戶曈曈日,總把新桃換舊符”的亮麗風景．

4 “實驗與實驗”相悖

“實驗與實驗”相悖是指在教學中設計兩個或兩個以上的與他們的已有經驗相悖的實驗與之進行對比．“相悖的實驗”是意料之外的反常現象,增強了個體與學習環境的相互作用,使其產生“已有認知與當前情境”的強烈不平衡,就會意識到差異和矛盾,從而積極地探索錯誤的根源,形成對科學觀念更深刻、更全面的理解．

案例4.學習初中物理之后,學生形成了一種錯誤的思維定勢——電源給定后,電源的電壓就是不變的了．這一定勢對高中物理“電池有內電阻”的建構帶來障礙．教學過程如下:

活動1:“2節干電池對2.5 V小燈泡供電”和“用3節干電池對2.5 V小燈泡供電”結果會怎樣?(學生1:3節干電池供電時,燈泡會很亮,但燈泡會被燒掉．教師沒有評價而是演示)

圖8

活動2:用如圖8所示兩個實驗演示(結果是小燈泡非但沒有被燒掉,其亮度反而還要暗一些,請學生提出自己質疑的問題．學生2:為什么電壓大了,燈泡反而暗一些呢．)

活動3:用如圖9所示的3節舊電池并聯3個燈泡,逐一閉合開關,觀察現象,提出一個你感興趣的問題?(現象:燈泡變暗,如圖10—圖12,請學生提出自己質疑的問題．學生1:U一定,通過每一個燈泡的電流不變,每個燈泡的亮度應當不變．為什么燈泡變暗呢?學生2:燈泡變暗了,可能電源的電壓變小了,但電源電壓為什么會變小呢?…教師追問:如何驗證猜想?學生3:用電壓表測量電源兩端的電壓．讓學生動手測量開關逐個閉合情況下的電源電壓,確實變小了)．

圖9

圖10

圖11

圖12

活動4:為什么并聯燈泡增多時,并聯電阻變小了,而加在燈泡兩端的電壓(電源兩端的電壓)會減小呢?(學生還是很難聯想到電源有內阻)

圖13

活動5:(搭建“思維助手”,消除悖論)如果在電路中串聯一個電阻(如圖13),能解釋燈泡變暗的現象嗎?(學生4:并聯燈泡越多等效電阻變小,導致串聯電阻上的電壓變大,燈泡兩端電壓就變小了,所以燈泡變暗．教師追問:上述實驗中,導線的電阻是可以忽略的,那么上述實驗中的分壓電阻只能來自于哪里呢?學生4:可能是電源內部也有電阻．教師追問:為什么上述演示的3節干電池反而暗些呢?學生5:舊的干電池的內阻比新干電池的大．)

本案例中,教師巧妙利用了兩個實驗的“反常現象”,導致了學生的原有概念與新感受到的現象之間的對立性矛盾,使學生意識到原有概念失效了,促使其對原有概念體進行“解構”．教師又不急于澄清問題,而是繼續演示并引導驗證,問題的核心也就清晰地顯露出來了．后續的問題“引路”為學生搭建了建構新概念的思維助手,教師引而不發、指而不明,不僅首尾呼應,更是為學生開辟了富有指示性的建構路徑,使學生從“山重水復疑無路”中解脫了出來,形成了“等閑識得春風面,草長鶯飛處處春”的生態畫面．

5 討論與結論

深度學習的最好刺激,乃是對所學材料的興趣,只有切入學習本質,深度學習才能真正地發生．因此深度教學智在創境、妙在引領．“導致悖論”教學是一種源于智慧、成于思辨的教學,尊重學習者的主體性,促成學習者的主動性,喚醒人的自然性,涵潤人的生長性．教師創設的新異“悖論”帶給學生“搜腸刮肚的殫精竭慮、探異尋奇的漫漫求索”,讓學生經歷“踏破鐵鞋無覓處”的窮途末路、“山窮水復疑無路”的茫然無措．爾后,師生互動的思維碰撞,教師創造性“指點迷津”并“撥開迷霧”,又會帶給學生“驀然回首卻在燈火闌珊處”的空前驚喜,帶給學生心結排除后的痛徹心扉、思想矛盾克服后的覺醒覺悟．“導致悖論”教學總是以生長的姿態指向生命力逐漸強大．