高中物理“導(dǎo)致悖論”教學(xué)法的設(shè)計(jì)和目標(biāo)

孟擁軍

(江蘇省高淳高級(jí)中學(xué)，江蘇 高淳 211300)

高中學(xué)生在物理概念學(xué)習(xí)中常常受思維定勢(shì)的干擾,有條件的結(jié)論做無條件的推廣,阻礙了物理概念的深層建構(gòu)．瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)的安德烈·焦?fàn)柈?dāng)(A.Giordan)認(rèn)為:“科學(xué)概念的建構(gòu)是在原有知識(shí)的斷裂中實(shí)現(xiàn)的,學(xué)生的認(rèn)知、情感和元認(rèn)知等可能成為新信息的障礙,需要將原有概念斷裂以建構(gòu)新的概念來超越對(duì)抗．”[1]可見,高中物理概念學(xué)習(xí)的過程是從一個(gè)先有的物理概念過渡到另一個(gè)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(dǎo)致悖論”教學(xué)法借鑒悖論思想,在物理概念的教學(xué)過程中增加一個(gè)“導(dǎo)致悖論”和“否定悖論”的環(huán)節(jié),使物理概念學(xué)習(xí)的過程成為概念“解構(gòu)—建構(gòu)”交錯(cuò)并行的學(xué)習(xí)過程,是物理概念深度生成的行之有效的教學(xué)方法．導(dǎo)致悖論教學(xué)法的基本程序是:“原有的認(rèn)知→新問題情境→導(dǎo)致悖論(提出問題)→分析悖論→消除悖論→新的認(rèn)知”．如何“導(dǎo)致悖論并消除悖論”進(jìn)行物理概念教學(xué)呢?

1 “概念與概念”相悖

“概念與概念”相悖即教師先讓學(xué)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(xué)生在發(fā)現(xiàn)、分析和消除悖論的過程中,重新完善自己的認(rèn)知結(jié)構(gòu),建立新的概念．學(xué)生過去習(xí)得的概念存在局限性,并不是概念的完整表述,隨著學(xué)習(xí)的不斷深入,需要對(duì)它做出某種調(diào)整和改造．如果學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中,通過同化能夠把一個(gè)情景納入原有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)時(shí),則這個(gè)問題就被迅速解決,原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)的平衡不會(huì)被打破．但是,如果新的情景不能納入原有的認(rèn)知結(jié)構(gòu),則原來的認(rèn)知結(jié)構(gòu)的平衡被打破,這就會(huì)引起學(xué)生在認(rèn)知上的矛盾．

案例1.初中物理中定義,一個(gè)物體受到力F的作用,并在力的方向上移動(dòng)一段距離l,這個(gè)力就對(duì)物體做功W=Fl．進(jìn)入高中以后,做功的條件卻表述為“在力的方向上發(fā)生了一段位移”,一般教師均是直接陳述這一事實(shí),沒有引起學(xué)生的注意和深度反思.由于這樣的教學(xué)沒有切入學(xué)習(xí)本質(zhì),因此筆者采用導(dǎo)致悖論的方法進(jìn)行教學(xué)，教學(xué)活動(dòng)如下.

活動(dòng)1:請(qǐng)學(xué)生計(jì)算圖1、2兩種情景中力F對(duì)物體做的功?(學(xué)生解出的結(jié)果都是W=Fl)

圖1 圖2

活動(dòng)2:讓學(xué)生參與推出籃球和接住籃球的活動(dòng),感受動(dòng)力和阻力對(duì)物體的作用效果?(學(xué)生意識(shí)到兩種情況力的作用效果不同,做功情況應(yīng)該不同,初中學(xué)過的功的公式在解決新問題時(shí)出現(xiàn)了矛盾,原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)的平衡被打破．教師先擱置問題,不作評(píng)價(jià)．)

圖3

活動(dòng)3:請(qǐng)學(xué)生計(jì)算圖3情景中力F對(duì)物體做的功?(學(xué)生很快用力的分解得到W=Fcosα·l=Flcosα)

活動(dòng)4:如果考慮到物體移動(dòng)的方向與力的方向的夾角關(guān)系,圖1的夾角是多少?圖2的夾角是多少?代入到W=Flcosα這個(gè)式子中去,你有什么發(fā)現(xiàn)呢?(學(xué)生很快得出W=Fl和W=-Fl,教師明示:看來動(dòng)力做功與阻力做功是不同的,“在力的方向移動(dòng)一段距離”應(yīng)該改為“在力的方向上發(fā)生了一段位移”比較妥當(dāng))

本案例根據(jù)學(xué)生已有的認(rèn)知水平,以學(xué)生已有的概念為起點(diǎn),創(chuàng)設(shè)“概念與概念”相悖的情景,提出新的問題,引導(dǎo)學(xué)生體驗(yàn)感悟并用邏輯分析進(jìn)行探究,經(jīng)歷物理概念的建立和發(fā)展的過程,學(xué)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(shí)驗(yàn)”相悖

“理論與實(shí)驗(yàn)”相悖就是讓學(xué)生先用已熟知的理論分析問題得出結(jié)論,然后再用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行檢驗(yàn)得到相異的結(jié)果．這種適當(dāng)改變的教學(xué)程序形成了“理論與實(shí)驗(yàn)”相悖,引發(fā)了學(xué)生的認(rèn)知沖突,然后再通過學(xué)生的自醒對(duì)已有理論加以否定,這樣的正誤對(duì)比容易引起學(xué)生的注意,促進(jìn)學(xué)生對(duì)原有概念“解構(gòu)”,并將新的概念納入認(rèn)知結(jié)構(gòu)中．

案例2.學(xué)生應(yīng)用物理規(guī)律解題時(shí),常會(huì)將有條件的結(jié)論做無條件推廣而犯錯(cuò),如:非純電阻電路問題的理解是高中學(xué)生難以突破的難點(diǎn),筆者在“焦耳定律”的教學(xué)中,采用下列程序進(jìn)行教學(xué).

圖4

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

活動(dòng)2:用2節(jié)干電池連接電路,讓學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)過程并讀數(shù)．如圖5,學(xué)生讀出電流表和電壓表的讀數(shù)U=2.60 V、I=0.20 A．(教師提醒學(xué)生對(duì)比計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值,學(xué)生開始交頭接耳,有學(xué)生懷疑說“是不是電動(dòng)機(jī)線圈的電阻為13 Ω”,看來仍然堅(jiān)守用歐姆定律解決電動(dòng)機(jī)這類非純電阻電路問題的錯(cuò)誤觀念,教師沒有應(yīng)答而是繼續(xù)實(shí)驗(yàn)．)

活動(dòng)3:繼續(xù)使用上述電路,教師用手壓住電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)輪,讓學(xué)生繼續(xù)讀數(shù):如圖6,學(xué)生讀得:U=1.20 V、I=1.0 A,學(xué)生很快得出:R=1.2 Ω．(此后教室內(nèi)熱鬧起來了,學(xué)生紛紛發(fā)表觀點(diǎn)并爭(zhēng)論,最后得出結(jié)論:對(duì)于電動(dòng)機(jī)問題歐姆定律是不適用的,電動(dòng)機(jī)正常工作時(shí),U?IR)

圖6

活動(dòng)4:從能量角度分析，電動(dòng)機(jī)正常轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),消耗的電能轉(zhuǎn)化為什么能?電動(dòng)機(jī)被卡住時(shí),消耗的電能轉(zhuǎn)化為什么能?(由上述實(shí)驗(yàn)的啟發(fā),學(xué)生很快回答出:電動(dòng)機(jī)正常轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能和內(nèi)能(焦耳熱),電動(dòng)機(jī)被卡住時(shí),電能只轉(zhuǎn)化為線圈的內(nèi)能)

活動(dòng)5:線圈的電阻為R,電動(dòng)機(jī)兩端的電壓為U,電流為I,試寫出在t時(shí)間內(nèi)電動(dòng)機(jī)消耗的電功、電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的焦耳熱,電動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械能?(教師引導(dǎo)學(xué)生思考圖7中的等效電路,學(xué)生推導(dǎo):對(duì)于電阻R，Q=WR,UR=IR,可以從兩個(gè)角度進(jìn)行推導(dǎo):Q=WR=URIt=(IR)It=I2Rt,對(duì)于整個(gè)電動(dòng)機(jī)消耗的電功W=UIt,由能量守恒可知:E機(jī)=UIt-I2Rt)

圖7

物理概念教學(xué)中,很多教師只是強(qiáng)調(diào)概念的定義并要求學(xué)生背公式,試圖以刷題贏得高分．這樣做違背了學(xué)生認(rèn)知的客觀規(guī)律,忽視了概念的本質(zhì)內(nèi)涵,使得學(xué)生在解決實(shí)際問題時(shí)概念混亂、邏輯關(guān)系不清．實(shí)踐證明:千篇一律、刻板不變的多次重復(fù)很難實(shí)現(xiàn)概念的轉(zhuǎn)變,不利用于學(xué)生的深層建構(gòu)．本案例中,教師“欲擒故縱”導(dǎo)致“理論與實(shí)現(xiàn)”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(guān)注的焦點(diǎn),有“從旁指點(diǎn)桃源路,引得漁浪來問津”的功效．“反常對(duì)比”驅(qū)動(dòng)學(xué)生的“積極思維”,學(xué)生對(duì)非純電阻電路的認(rèn)識(shí)必然是“金風(fēng)玉露一相逢,便勝卻人間無數(shù)”．

3 “理論—理論”相悖

“理論——理論”相悖即針對(duì)一個(gè)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(jié)果．運(yùn)用該方法創(chuàng)設(shè)教學(xué)情景具有新奇性、不和諧性,激發(fā)學(xué)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(yǎng)學(xué)生提出問題的能力,也是轉(zhuǎn)變錯(cuò)誤觀念、建構(gòu)科學(xué)概念的有效方法．

本環(huán)節(jié)教學(xué),讓學(xué)生展示用不同理論求解的過程而導(dǎo)致“悖論”．從引起注意的角度看,“莫衷一是”的結(jié)論和解題過程恰恰點(diǎn)亮了學(xué)習(xí)者的有意注意．正誤對(duì)比增強(qiáng)了新異刺激作用,激起了學(xué)生強(qiáng)烈的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)．還學(xué)生以“話語權(quán)”,使誤者“知錯(cuò)改錯(cuò)”、成者“防錯(cuò)、去偽存真”,在“互議”中消解“悖論”更是切入學(xué)習(xí)本質(zhì),深度學(xué)習(xí)也就真實(shí)發(fā)生了．以“理論——理論”相悖的方式開展教學(xué)給學(xué)生創(chuàng)造“任鳥飛、憑魚躍”的機(jī)會(huì),必定會(huì)出現(xiàn)學(xué)生面對(duì)某一問題有不同意見的情況,教師只要牢牢抓住這些“錯(cuò)誤資源”,“是非明辨”常能激起學(xué)生的探索激情,相異觀點(diǎn)的碰撞使學(xué)生有了新問題和新思路,學(xué)習(xí)的蹊徑也就增加了“接點(diǎn)”．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(fēng)景．

4 “實(shí)驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)”相悖

“實(shí)驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)”相悖是指在教學(xué)中設(shè)計(jì)兩個(gè)或兩個(gè)以上的與他們的已有經(jīng)驗(yàn)相悖的實(shí)驗(yàn)與之進(jìn)行對(duì)比．“相悖的實(shí)驗(yàn)”是意料之外的反?，F(xiàn)象,增強(qiáng)了個(gè)體與學(xué)習(xí)環(huán)境的相互作用,使其產(chǎn)生“已有認(rèn)知與當(dāng)前情境”的強(qiáng)烈不平衡,就會(huì)意識(shí)到差異和矛盾,從而積極地探索錯(cuò)誤的根源,形成對(duì)科學(xué)觀念更深刻、更全面的理解．

案例4.學(xué)習(xí)初中物理之后,學(xué)生形成了一種錯(cuò)誤的思維定勢(shì)——電源給定后,電源的電壓就是不變的了．這一定勢(shì)對(duì)高中物理“電池有內(nèi)電阻”的建構(gòu)帶來障礙．教學(xué)過程如下:

活動(dòng)1:“2節(jié)干電池對(duì)2.5 V小燈泡供電”和“用3節(jié)干電池對(duì)2.5 V小燈泡供電”結(jié)果會(huì)怎樣?(學(xué)生1:3節(jié)干電池供電時(shí),燈泡會(huì)很亮,但燈泡會(huì)被燒掉．教師沒有評(píng)價(jià)而是演示)

圖8

活動(dòng)2:用如圖8所示兩個(gè)實(shí)驗(yàn)演示(結(jié)果是小燈泡非但沒有被燒掉,其亮度反而還要暗一些,請(qǐng)學(xué)生提出自己質(zhì)疑的問題．學(xué)生2:為什么電壓大了,燈泡反而暗一些呢．)

活動(dòng)3:用如圖9所示的3節(jié)舊電池并聯(lián)3個(gè)燈泡,逐一閉合開關(guān),觀察現(xiàn)象,提出一個(gè)你感興趣的問題?(現(xiàn)象:燈泡變暗,如圖10—圖12,請(qǐng)學(xué)生提出自己質(zhì)疑的問題．學(xué)生1:U一定,通過每一個(gè)燈泡的電流不變,每個(gè)燈泡的亮度應(yīng)當(dāng)不變．為什么燈泡變暗呢?學(xué)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(huì)變小呢?…教師追問:如何驗(yàn)證猜想?學(xué)生3:用電壓表測(cè)量電源兩端的電壓．讓學(xué)生動(dòng)手測(cè)量開關(guān)逐個(gè)閉合情況下的電源電壓,確實(shí)變小了)．

圖9

圖10

圖11

圖12

活動(dòng)4:為什么并聯(lián)燈泡增多時(shí),并聯(lián)電阻變小了,而加在燈泡兩端的電壓(電源兩端的電壓)會(huì)減小呢?(學(xué)生還是很難聯(lián)想到電源有內(nèi)阻)

圖13

活動(dòng)5:(搭建“思維助手”,消除悖論)如果在電路中串聯(lián)一個(gè)電阻(如圖13),能解釋燈泡變暗的現(xiàn)象嗎?(學(xué)生4:并聯(lián)燈泡越多等效電阻變小,導(dǎo)致串聯(lián)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(shí)驗(yàn)中,導(dǎo)線的電阻是可以忽略的,那么上述實(shí)驗(yàn)中的分壓電阻只能來自于哪里呢?學(xué)生4:可能是電源內(nèi)部也有電阻．教師追問:為什么上述演示的3節(jié)干電池反而暗些呢?學(xué)生5:舊的干電池的內(nèi)阻比新干電池的大．)

本案例中,教師巧妙利用了兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的“反?，F(xiàn)象”,導(dǎo)致了學(xué)生的原有概念與新感受到的現(xiàn)象之間的對(duì)立性矛盾,使學(xué)生意識(shí)到原有概念失效了,促使其對(duì)原有概念體進(jìn)行“解構(gòu)”．教師又不急于澄清問題,而是繼續(xù)演示并引導(dǎo)驗(yàn)證,問題的核心也就清晰地顯露出來了．后續(xù)的問題“引路”為學(xué)生搭建了建構(gòu)新概念的思維助手,教師引而不發(fā)、指而不明,不僅首尾呼應(yīng),更是為學(xué)生開辟了富有指示性的建構(gòu)路徑,使學(xué)生從“山重水復(fù)疑無路”中解脫了出來,形成了“等閑識(shí)得春風(fēng)面,草長鶯飛處處春”的生態(tài)畫面．

5 討論與結(jié)論

深度學(xué)習(xí)的最好刺激,乃是對(duì)所學(xué)材料的興趣,只有切入學(xué)習(xí)本質(zhì),深度學(xué)習(xí)才能真正地發(fā)生．因此深度教學(xué)智在創(chuàng)境、妙在引領(lǐng)．“導(dǎo)致悖論”教學(xué)是一種源于智慧、成于思辨的教學(xué),尊重學(xué)習(xí)者的主體性,促成學(xué)習(xí)者的主動(dòng)性,喚醒人的自然性,涵潤人的生長性．教師創(chuàng)設(shè)的新異“悖論”帶給學(xué)生“搜腸刮肚的殫精竭慮、探異尋奇的漫漫求索”,讓學(xué)生經(jīng)歷“踏破鐵鞋無覓處”的窮途末路、“山窮水復(fù)疑無路”的茫然無措．爾后,師生互動(dòng)的思維碰撞,教師創(chuàng)造性“指點(diǎn)迷津”并“撥開迷霧”,又會(huì)帶給學(xué)生“驀然回首卻在燈火闌珊處”的空前驚喜,帶給學(xué)生心結(jié)排除后的痛徹心扉、思想矛盾克服后的覺醒覺悟．“導(dǎo)致悖論”教學(xué)總是以生長的姿態(tài)指向生命力逐漸強(qiáng)大．