物理教学中“悖论”的形态、功能和使用，本文主要内容关键词为：悖论论文,形态论文,物理论文,功能论文,教学中论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
所谓“悖论”，就是一种逻辑矛盾。它指的是从某一前提出发推出两个在逻辑上自相矛盾的命题，或从某一理论中推出与已知的科学原理或实践相矛盾的命题。
科学“悖论”是以其逻辑手段深入到原有理论体系的根基，揭示原有理论隐含的客观矛盾。在物理学发展史中，它的发现往往意味着一个激动人心的重大科学问题的提出，激励着科学家们去冲破传统观念的束缚，运用创新的思维和观念去提出新假设、建立新理论，从而导致物理学发生革命性的飞跃。
学生学习物理的过程虽不同于科学家科学探索的历程，但却有着相同的本质或相近的规律。考虑中学物理教学的特性，充分利用学生由于认知错误而导致的“悖论”进行教学，是实施创新教育的今天应予以讨论的话题。
1 物理教学中“悖论”的形态
“悖论”是一种矛盾。根据矛盾双方性态的不同，对中学物理教学中“悖论”的形态可作如下划分。
1.1 “经验－理论”型
经验对学习的作用具有两重性。对一个实际的问题情景，引导学生从已有的经验结构系统出发所作的判断，和从一定的物理理论出发作出的判断，两者相异或相反。这种“悖论”，称“经验－理论”型“悖论”。
例如，普通人与身体健壮的运动员拔河“必输无疑”。因此，有人认为运动员对某人的拉力大于对方施于运动员的拉力，可根据牛顿第三定律，运动员与某人之间的拉力属于作用力与反作用力，应该大小相等。
1.2 “经验－实验”型
对一个实际的问题，引导学生根据自己的经验结构系统作出的判断，和通过演示实验得到的结论，两者相异或相反。这样的“悖论”称“经验－实验”型“悖论”。
例如，在演示串、 并联对电路电功率的影响前， 教师问学生：“220V，25W”和“220V，60W”两只灯哪个更亮？学生根据经验“电功率越大，则白炽灯越亮”，回答60W的灯更亮。然后教师把这两只灯串联在照明电路里，结果却是“220V，25W”的灯更亮。
1.3 “理论－理论”型
对一个实际的问题，引导学生从不同的物理概念、规律出发进行分析、推理、计算，得到不同的结论。这样的“悖论”称“理论－理论”型“悖论”。
例如，计算图1中物体C上升速度。按图1（B）规律，算得结果v[,C]＝2vcosα；按图1（C）分解规律，却得到不同的结果v[,C]＝v/cosα。
1.4 “理论－实验”型
对一个实际的问题，引导学生从物理概念、规律出发进行分析、推理、计算得到的结论与通过演示实验得出的结果不同。这样的“悖论”称“理论——实验”型“悖论”。
例如，如图2电路，当电动机运转时，电路中电流I等于多少？学生根据欧姆定律计算：I＝
/（R＋r）＝1.5A， 然后教师连接电路演示，电流表示数却为I＝0.3A。
1.5 “实验－实验”型
探索物理规律时，通过一个（或一组）实验总结出的结论与通过另一个（或另一组）实验总结出的结论不同。这类“悖论”称“实验－实验”型“悖论”。
例如，在学生分组研究电磁感应现象的探索性实验中，根据图3（A）、（B）实验，可得出感应电流的磁场总是与原磁场方向相反结论。然后教师再让学生探索图3（C）、（D）实验， 却得出感应电流的磁场与原磁场方向相同结论。
1.6 “数学－物理”型
对通过实际研究获得的结果，从数学的角度进行分析得到不符合物理事实、本质和联系的结论，或从物理的角度进行分析得到违背数学理论的结论。这样的“悖论”称“数学－物理”型“悖论”。
例如，如图4，半径为R的光滑圆环可绕通过圆心的竖直轴PQ以ω角速度匀速转动，现在大圆环上套着另一质量为m的小圆环A。试求：当二圆环一起匀速转动时，小环与大环圆心连线与竖直线的夹角。学生运用牛顿第二定律和向心加速度知识列式解出：cosθ＝g/（ω[2]R）。当ω[2]R〈g时，cosθ〉1，这显然是违背数学理论的。
2 “悖论”的教学功能
2.1 产生认知冲突，激发学习内驱力
学习者都有维持认知结构平衡的倾向。当面临问题无法纳入原有认知结构，或问题的结论与认知结构相矛盾时，就会导致认知失衡，产生一种“紧张感”。为了解除这种“紧张感”，使认知结构重新平衡，学习者就会产生认知动机，努力求知。一旦问题得以解决，认知结构在新的高度上重趋平衡，学习者就会产生一种轻松、愉悦、满足的情绪体验。物理教学中“悖论”问题的本质是使学生的思维处于矛盾状态，原有的认知结构受到冲击，从而远离平衡态。因此，它能很好地激发学生的学习兴趣和内在的认知驱力。
2.2 培养学生的探索精神和创新能力
消除“悖论”使认知结构在新的高度上重组平衡的过程是一个创新的过程。在这个过程中，学生要审视矛盾结论的形成过程，怀疑、批判自己原本坚信的——物理理论、观点、思想、方法及推理过程的正确性和完善性。通过深入的思考和分析、同学之间的交流讨论、教师的启发诱导，逐渐缩小问题的所在范围，直到最终找出问题的症结所在，并通过进一步的探索和学习加以有效改造或完善，从而实现物理理论、观点、思想、方法的更新。因此，“悖论”有利于学生探索精神和创新能力的培养。
2.3 纠正错误，完善认知结构
根据建构主义观点，学习的过程不是把知识从外界搬到记忆中，而是以已有的经验为基础通过与外界的相互作用来获取、建构新知识的过程。因此已有经验的质量及其与新学习内容的联系状况，是实现主动建构学习的关键。教学“悖论”能使学生的前经验充分暴露，并得到有效改造，从而为新内容的学习扫清障碍、铺平道路；教学“悖论”使新内容的学习蕴含于已有经验的改造或相关经验系统的建构之中，因此新学习的内容能恰当地纳入原有的认知结构。从而使认知结构更加概括和清晰、丰富和完善。
3 “悖论”的教学使用
3.1 教学流程
为了充分发挥“悖论”在物理教学中的功能。我们总结了如图5 所示的“悖论”教学流程：
使用这个流程进行教学时，要注意如下几点：（1 ）教师对学生原有认知及思维特征的了解要尽可能准确，这是学生产生认知冲突的基础；（2）新问题或实验情景的设置，既要能够引发学生的原有认知，又要指向新学习任务，使悖论消除后所得的新认知，便是教学目标（或阶段性的）的达成；（3）要创设和谐、宽松、民主的课堂氛围， 让学生充分表达对新情景的原有认知及对“悖论”形成可能原因的分析与猜想。要鼓励学生展开交流、讨论，教师起启发、诱导、组织、定向的作用。
3.2 教学案例：向心加速度概念教学
（原有知识）直线运动中加速度概念定义式：
α＝△v/△t＝（v[,t]－v[,o]）/△t
（新的问题）长l的细线一端连着质量为m的小球，另一端固定在水平面上O点，小球以v速度做匀速圆周运动，在很小一段时间△t 内小球的加速度为多大？
（学生回答）由于小球的速度v不变，根据α＝（v[,1]－v[,0] ）/△t可知，小球的加速度为0。
（导致“悖论”）针对学生上述错误回答，教师指出，由于细线拉紧，给小球一个作用力，小球所受的合力不为0，由F＝mα可知，小球的加速度不为0，这与同学们的回答矛盾。
（“悖论”原因猜想）牛顿第二定律是根据大量实验给出的规律，由它推出的加速度不为0的结论应该是不会错的。 产生上述“悖论”的原因可能是在直线运动中给出的加速度定义式不适用于曲线运动，那么曲线运动中加速度又如何定义呢？
（向心加速度概念探索）教师引导学生运用矢量三角形法及数学近似方法推导出向心加速度的公式：α＝v[2]/r。
（新认知）由于速度是矢量，它的变化有二种形式。直线运动中，加速度描述了速度大小变化快慢；在曲线运动中速度方向发生变化，描述速度方向变化快慢的物理量叫向心加速度，其算式为：α＝v[2]/r。