曾文峰 肖 洋 熊建文

差異性實驗在物理課堂教學(xué)中的應(yīng)用

曾文峰 肖 洋 熊建文

（華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院，廣東廣州 510006）

差異性實驗是指實驗現(xiàn)象或結(jié)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(xué)中的運用流程，并結(jié)合教學(xué)案例分析了差異性實驗在不同教學(xué)環(huán)節(jié)中的應(yīng)用．

差異性實驗；運用流程；物理課堂教學(xué)；教學(xué)環(huán)節(jié)

1 引言

在物理教學(xué)中運用物理實驗，特別是實驗現(xiàn)象或結(jié)果出乎學(xué)生意料之外的實驗，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣．［1］而這一類實驗在物理教學(xué)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(xiàn)方式，它具有造成學(xué)生的認(rèn)知沖突、激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)動力的作用．［2，3］因此不少物理教師在課堂教學(xué)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(xué)的效果往往并不理想，為了提高物理實驗教學(xué)的效果，教師需進(jìn)一步加強(qiáng)實驗教學(xué)方法的學(xué)習(xí)．［4］同理，為了提高差異性實驗的教學(xué)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(dǎo)．因此，本文在介紹差異性實驗的含義及特點的基礎(chǔ)上，提出差異性實驗在物理教學(xué)中的運用流程，再結(jié)合具體的教學(xué)案例探討如何有效地在物理課堂的不同教學(xué)環(huán)節(jié)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(xiàn)象或結(jié)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(xiàn)方式．［5］例如，在“向心力”的教學(xué)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(xiàn)象與學(xué)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(rèn)知沖突，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)動力．可見，差異性實驗?zāi)芤l(fā)強(qiáng)烈的認(rèn)知沖突，進(jìn)而激發(fā)學(xué)生產(chǎn)生一種“要知道”的動機(jī)．

差異性實驗之所以具有引發(fā)認(rèn)知沖突、激發(fā)學(xué)習(xí)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(qiáng)烈的認(rèn)知沖突和證偽的功能．濃厚的趣味性指的是教師在了解學(xué)生生活經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，演示差異性實驗的現(xiàn)象或結(jié)果違反學(xué)生的直覺，所以會產(chǎn)生強(qiáng)烈的趣味性；強(qiáng)烈的認(rèn)知沖突是指差異性實驗中的新奇、“反?！钡默F(xiàn)象與學(xué)生的已有的知識經(jīng)驗不符合時所引發(fā)的認(rèn)知沖突；證偽功能則是指通過差異性實驗現(xiàn)象或結(jié)果與學(xué)生的猜想及假設(shè)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(xué)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(guān)鍵，決定了差異性實驗教學(xué)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(xué)者Friedl（1986）提出差異性事件教學(xué)的“三步曲”教學(xué)流程：（1）設(shè)置差異性事件——激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動機(jī)；（2）引導(dǎo)學(xué)生參與解決差異性事件——學(xué)生自主進(jìn)行科學(xué)探究活動；（3）解決差異性事件引起的問題并學(xué)習(xí)相關(guān)的科學(xué)知識——由學(xué)生自主或由教師引導(dǎo)解決問題并總結(jié)．［6－8］

在科學(xué)概念教學(xué)中，Mancuso（2010）等人認(rèn)為在運用差異性事件促進(jìn)概念轉(zhuǎn)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(xué)生對現(xiàn)象進(jìn)行預(yù)測并解釋；（2）學(xué)生觀察現(xiàn)象并記錄；（3）學(xué)生對預(yù)測與實驗之間的差異進(jìn)行討論、解釋．通過分析上述運用流程，可以發(fā)現(xiàn)這些運用流程強(qiáng)調(diào)的是通過探究方式開展教學(xué)，但并不是所有內(nèi)容都適合探究的．物理教學(xué)中根據(jù)教學(xué)內(nèi)容不同，需要靈活運用多種教學(xué)方式，并將它們有機(jī)融合到課堂教學(xué)中，才能充分發(fā)揮它們各自的優(yōu)勢．

筆者嘗試在兼顧接受式學(xué)習(xí)和探究式學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，整合國內(nèi)外學(xué)者提出的差異性事件運用流程，同時按照物理課堂教學(xué)的要求，提出差異性實驗在物理課堂教學(xué)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(xué)生的已有觀念，或者讓學(xué)生對差異性實驗的現(xiàn)象或結(jié)果進(jìn)行預(yù)測并說明理由，即闡述已有觀念．

第2步是觀察實驗．呈現(xiàn)差異性實驗，學(xué)生觀察差異性實驗．

第3步是解決問題．教師引導(dǎo)學(xué)生對差異性實驗進(jìn)行分析，提供解決方案并解決相應(yīng)問題；或者學(xué)生自主分析差異性實驗，自行設(shè)計解決方案并進(jìn)行相應(yīng)的探究活動解決相應(yīng)問題．在解決問題的過程中，學(xué)生學(xué)習(xí)相應(yīng)的科學(xué)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(xué)生自行解釋原因，教師負(fù)責(zé)審核這些解釋是否到位，并適時針對學(xué)生解釋的不足點進(jìn)行補(bǔ)充說明．

差異性實驗的運用流程與Friedl的“三步曲”教學(xué)流程相比有3點不同：（1）增加“引出觀念”環(huán)節(jié)，目的是為了凸顯學(xué)生的已有觀念，利用其與差異性實驗形成對比，造成學(xué)生的認(rèn)知沖突．（2）將“學(xué)生參與解決差異性事件”進(jìn)一步細(xì)分為“教師主導(dǎo)型”和“學(xué)生自主型”，目的是為教師提供多種教學(xué)途徑，便于教師應(yīng)對不同類型的教學(xué)內(nèi)容．（3）將“三步曲”教學(xué)流程后兩個環(huán)節(jié)的內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整，將最后一個運用環(huán)節(jié)進(jìn)一步明確為“解釋原因”，并同樣細(xì)分為“教師解釋型”和“學(xué)生自主解釋型”，目的是便于教師根據(jù)不同難度的問題，選擇合適的解釋途徑．教師可以結(jié)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(xué)和探究式教學(xué)，實現(xiàn)教學(xué)效果的最優(yōu)化．

4 差異性實驗在物理課堂不同教學(xué)環(huán)節(jié)中的應(yīng)用案例

物理課堂一般包括3個基本教學(xué)環(huán)節(jié)：新課導(dǎo)入、新課教學(xué)和課堂結(jié)束，不同環(huán)節(jié)的教學(xué)目的和要求不同．在物理課堂的不同教學(xué)環(huán)節(jié)運用差異性實驗，需要符合相應(yīng)環(huán)節(jié)的教學(xué)目的和要求，其具體運用流程會稍有差異．為此本文結(jié)合案例闡述差異性實驗在物理課堂基本教學(xué)環(huán)節(jié)中的運用流程，一方面凸顯不同教學(xué)環(huán)節(jié)對運用流程的側(cè)重點不同，另一方面通過案例闡述差異性實驗的應(yīng)用目的與相關(guān)實驗設(shè)計．

4．1 新課導(dǎo)入，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣

在設(shè)計新課導(dǎo)入時，教師必須考慮如何激發(fā)學(xué)生對新知識的學(xué)習(xí)興趣．在新課導(dǎo)入環(huán)節(jié)運用差異性實驗，主要是利用呈現(xiàn)的結(jié)果與學(xué)生常見的現(xiàn)象不一樣，造成認(rèn)知沖突，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣．這里的案例1闡述了如何在新課導(dǎo)入環(huán)節(jié)運用差異性實驗，節(jié)選自第6屆大學(xué)生與研究生物理教學(xué)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(lán)墨水，引導(dǎo)學(xué)生回顧生活中的經(jīng)歷“平時我們是把杯子放進(jìn)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(jìn)杯子中，提起塑料袋的同時還能提起杯子嗎？”學(xué)生回應(yīng)“不能”．接著教師演示實驗，學(xué)生觀察到“將塑料袋放進(jìn)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(xué)生“將塑料袋放進(jìn)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(jìn)杯子中，然后往塑料袋中加入適量的藍(lán)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(xiàn)象，并提出問題“杯子沒有掉下來，處于靜止?fàn)顟B(tài)，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(dǎo)入環(huán)節(jié)運用了差異性實驗，其目的是為了激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣．考慮到學(xué)生日常生活經(jīng)驗“把杯子放進(jìn)塑料袋中才能提起杯子”，結(jié)合新課的知識內(nèi)容，采用逆向思維設(shè)計差異性實驗“提杯實驗”，而學(xué)生現(xiàn)有的知識基礎(chǔ)尚不能合理解釋“提杯實驗”，造成思維沖突，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣并引出課題．

在新課導(dǎo)入環(huán)節(jié)運用差異性實驗，主要體現(xiàn)了差異性實驗運用流程的前兩個環(huán)節(jié)，但是這并不意味著該環(huán)節(jié)不重視后兩個環(huán)節(jié)．為了引入新課后能夠更好地與即將學(xué)習(xí)的內(nèi)容銜接，筆者認(rèn)為，在新課導(dǎo)入環(huán)節(jié)結(jié)束后，教師可以引導(dǎo)學(xué)生對差異性實驗進(jìn)行進(jìn)一步的思考與分析，或者由學(xué)生自主思考并進(jìn)行探究活動解決相應(yīng)問題，讓學(xué)生可以在“解決問題”環(huán)節(jié)學(xué)習(xí)知識．引導(dǎo)學(xué)生在“解釋原因”環(huán)節(jié)運用所學(xué)的新知識解釋導(dǎo)入實驗．

圖2

4．2 新課教學(xué)，促進(jìn)概念轉(zhuǎn)變

學(xué)生的前概念可以作為其認(rèn)知發(fā)展的“踏腳石”，但是錯誤的前概念存在負(fù)面作用，若不及時糾正學(xué)生錯誤的前概念，會影響新課教學(xué)的效果．在新課教學(xué)環(huán)節(jié)，教師可以利用差異性實驗現(xiàn)象與學(xué)生錯誤的前概念不相符，造成學(xué)生的認(rèn)知沖突，促進(jìn)概念轉(zhuǎn)變．下面的案例2闡述了如何在新課教學(xué)環(huán)節(jié)運用差異性實驗，節(jié)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(xué)生參與活動“男生與女生站在水平地面上進(jìn)行拔河比賽”，比賽結(jié)果與學(xué)生的判斷一致，從而暴露學(xué)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(dǎo)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(jìn)行拔河比賽，學(xué)生可以觀察到出乎意料的實驗現(xiàn)象“彈簧測力計的示數(shù)同時變化，示數(shù)差不多相等”．

（3）解決問題．教師引導(dǎo)學(xué)生利用兩個力學(xué)傳感器對拉參與“拔河”比賽，精確測量拉力的大?。ㄟ^對比分析Dislab中兩力的曲線圖（“關(guān)于時間軸對稱”），認(rèn)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(xué)生動手實驗自主探究其他性質(zhì)的相互作用力之間的關(guān)系，在實驗結(jié)束后由學(xué)生講解實驗方法及總結(jié)實驗結(jié)論．在解釋拔河比賽之前，教師再次讓男女學(xué)生進(jìn)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(jié)果是“女生輕松獲勝”．進(jìn)而采用提問法，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)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(dāng)拉力大于摩擦力時，就會被對方拉動；當(dāng)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(xué)環(huán)節(jié)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(xué)生錯誤的前概念，然后教師針對錯誤的前概念設(shè)計差異性實驗，讓學(xué)生用彈簧測力計進(jìn)行拔河比賽，學(xué)生觀察到與前概念存在差異的實驗現(xiàn)象“示數(shù)基本相同”，造成認(rèn)知沖突．由此激勵學(xué)生進(jìn)行后續(xù)的探究活動，從而糾正學(xué)生錯誤的前概念，幫助學(xué)生全面理解“相互作用力的大小關(guān)系”，促進(jìn)概念轉(zhuǎn)變．

在新課教學(xué)環(huán)節(jié)運用差異性實驗，體現(xiàn)了差異性實驗運用流程的4個環(huán)節(jié)，在引出觀念環(huán)節(jié)，暴露學(xué)生的前概念．在觀察實驗環(huán)節(jié)，利用差異性實驗造成學(xué)生的認(rèn)知沖突．在解決問題環(huán)節(jié)，教師可以結(jié)合使用“教師主導(dǎo)型”與“學(xué)生自主型”的流程，由學(xué)生自主參與探究活動，或者教師演示實驗及分析現(xiàn)象．在解釋原因環(huán)節(jié)，教師對實驗現(xiàn)象的進(jìn)行完整解釋或?qū)W生自主解釋，糾正錯誤的前概念，促進(jìn)概念轉(zhuǎn)變．

4．3 課堂結(jié)束，拓展延伸

良好的結(jié)束是一節(jié)優(yōu)秀課的重要組成部分，教師可以在課堂結(jié)束環(huán)節(jié)利用差異性實驗置疑生趣或引導(dǎo)應(yīng)用，從而引起學(xué)生更濃厚的研究興趣，擴(kuò)寬學(xué)生知識面，培養(yǎng)學(xué)生運用所學(xué)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(jié)束環(huán)節(jié)運用差異性實驗，這里改編自第2屆全國中學(xué)物理名師教學(xué)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(fēng)機(jī)，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(fēng)機(jī)應(yīng)該向哪邊吹風(fēng)？學(xué)生回答“向右吹風(fēng)，小車向右運動”．

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

案例分析：案例3是在“力的分解”結(jié)束的環(huán)節(jié)運用了差異性實驗，其目的是為了引起學(xué)生的疑問，引導(dǎo)學(xué)生運用所學(xué)知識解決實際問題．考慮到學(xué)生已有的生活經(jīng)驗“帆船是很難在逆風(fēng)的情況下前進(jìn)”，教師結(jié)合“力的分解”在帆船比賽中的應(yīng)用， 設(shè)計差異性實驗“帆船逆風(fēng)前行”，進(jìn)一步激勵學(xué)生運用“力的分解”的相關(guān)知識解決疑問．但教師沒有對原因進(jìn)一步說明，而是讓學(xué)生課后結(jié)合所學(xué)知識動手操作進(jìn)行分析，將“力的分解”的學(xué)習(xí)延伸至課后活動．

在課堂結(jié)束環(huán)節(jié)運用差異性實驗，同樣主要體現(xiàn)了差異性實驗運用流程的前兩個環(huán)節(jié)，可以將后兩個環(huán)節(jié)延伸至課堂之外．注重運用解決問題環(huán)節(jié)中“學(xué)生自主”的流程，旨在提高學(xué)生的實驗?zāi)芰Γ髮W(xué)生撰寫課題報告，即貫徹解釋原因環(huán)節(jié)，讓學(xué)生以書面語言解釋原因，通過查看學(xué)生的實物作品與書面報告，在課題的結(jié)題匯報中，教師可以了解學(xué)生對知識的掌握程度．

4 結(jié)語

教師將差異性實驗運用于物理課堂中，可以增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高課堂教學(xué)效率．教師在不同環(huán)節(jié)運用差異性實驗，首先應(yīng)根據(jù)不同教學(xué)環(huán)節(jié)的教學(xué)目的，確定差異性實驗的應(yīng)用目的．其次，教師以應(yīng)用目的為基礎(chǔ)，結(jié)合不同環(huán)節(jié)的知識內(nèi)容采用逆向思維設(shè)計差異性實驗．最后，差異性實驗在不同教學(xué)環(huán)節(jié)的運用流程側(cè)重點不同，應(yīng)該根據(jù)不同教學(xué)環(huán)節(jié)的教學(xué)要求側(cè)重于運用流程中的若干環(huán)節(jié)．但學(xué)生必須經(jīng)歷一個完整的流程，不能只利用差異性實驗引起學(xué)生的疑惑，而不解決學(xué)生的疑惑，反而會增加學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷．所以，在保證學(xué)生可以經(jīng)歷完整流程的前提下，教師可以在不同教學(xué)環(huán)節(jié)對差異性實驗的運用流程進(jìn)行調(diào)整，優(yōu)化該環(huán)節(jié)的教學(xué)程序并促進(jìn)教學(xué)效果．教師在呈現(xiàn)差異性實驗過程中，還需做好引領(lǐng)者的角色，［11］引導(dǎo)學(xué)生參與差異性實驗的分析與解釋，避免學(xué)生思維發(fā)散的方向偏離課堂知識，影響教學(xué)進(jìn)度．

1 李新鄉(xiāng)．物理教學(xué)論［M］．北京：科學(xué)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．

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4 王宇辰．新課程標(biāo)準(zhǔn)下高中物理實驗教學(xué)現(xiàn)狀的調(diào)查研究［D］．華中師范大學(xué)，2015．

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圖3

2016－06－19）