创设悖论教学情景，培养学生的科学创新能力，本文主要内容关键词为：悖论论文,培养学生论文,创新能力论文,情景论文,科学论文，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。
一、悖论与科学探索创新
物理学很多重大理论的发现表明，科学研究始于问题，创造性思维活动始于对问题的认识，是围绕着解决问题而展开的。科学问题的特征是差异，是矛盾。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的命题与已知科学原理或实践产生的逻辑矛盾。在物理发展中，物理学悖论的发现就意味着一个激动人心的重大科学问题的提出，激发物理学家开始探索一个新的物理学领域。例如，十九世纪末在研究黑体辐射时出现的“紫外灾难”这一悖论，揭示了经典物理的局限性，激发很多物理学家的探索热情，最后创立了量子物理理论。又如，研究光电效应实验时出现经典电磁理论与实验矛盾，吸引物理学家对新领域的探索，最后由爱因斯坦提出光量子理论。因而，物理学悖论是进行物理学探索创新的动力。
科学创新，是要建立一种新的理论体系（情形一是包含比原理论适用范围更广的理论，情形二是完全否定原有理论，提出新的理论）。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，以极大的尖锐和鲜明性迫使科学家重新审查原有理论基础问题。从这一意义上讲，物理学悖论成为新理论诞生的催生婆，成为科学理论获得突破的强大刺激力量。
为了消除悖论，科学家必须以批判的态度认识原有理论的局限性，以创新精神冲破传统观念的束缚，运用创新的思维方式和观念提出新的假设，建立新的理论。例如，为了消除黑体辐射问题上出现的“紫外灾难”这一悖论，物理学家以批判的态度摆脱经典物理中能量连续化观念的束缚，进行观念和思维方式上创新和突破，这为能量量子化理论的创立打下认识基础。又如，针对“光速悖论”，爱因斯坦经过10年努力，首先进行观念和思维方式上创新，抛弃了牛顿的绝对时空观，提出了相对性原理，揭示了时空相对性，为狭义相对论的建立打下基础。从这一层面上讲，物理学悖论促使了科学创新精神的发挥和思维方式的创新。
二、悖论教学情景与物理创新教学
从认识角度讲，中学生学习科学知识（方法）过程与科学家探索科学规律的过程虽然在目标、难度和时间上是不同的，但在认识上是相似的。中学物理教学中也存在悖论，中学物理教学中悖论的特点是：学生在学习新知识、解决新问题时表现出来的认识结构中原有知识、方法、思维方法与新物理情景间的矛盾，认知中原有知识、方法之间的矛盾。因而，中学物理教学中的悖论为我们进行物理创新教学提供了一个很好的类科学研究的情景，研究“悖论”教学具有很高的认识价值和创新教学价值和创新学价值。考虑到中学物理教学的特殊性，笔者认为，中学物理教学中的悖论研究主要任务之一是通过创设悖论教学情景来完善学生的认知结构，培养学生科学的探索创新能力。创设悖论教学情景是科学探索创新教学思想的具体表现。
悖论教学情景的特点是：教师根据新学知识、方法特点及学生已有认知结构，设计一个包含新知识、新方法、新思维的新问题情景（旧知识、旧方法、习惯思维不能解决的），学生运用旧知识、旧方法，习惯思维于新问题情景时产生悖论，教师引导学生分析悖论产生的原因，通过科学探索，提出新知识、新方法、新思维，给出新结果，消除悖论。
悖论教学情景的一般模式如下：
创设悖论教学情景的目的除了使学生获取新知识、新方法外，更重要的是培养学生创新能力和创新精神。运用悖论教学情景模式实施创新教学功能表现为：
（1）导致悖论，使教学信息具有新奇性、不和谐性， 提出了一个科学问题，从而使学生产生好奇性和旺盛的求知欲，极大地激发学生探索动机、兴趣，有利于培养学生的创新意识和提出问题的能力；
（2）通过悖论原因的分析，提出可能的几种猜想， 训练学生创新所需的思维素质和创新精神；
（3）在探索创新过程中，渗透和运用一些创造性的思维方法（直觉、类比、逆向等）提出假设，建立新的理论，给出新方法，进行新预言，培养学生创新思维方法，同时塑造一个概括、清晰、稳定的认知结构。
三、创设悖论教学情景进行创新教学实践探索
1、“知识创新”悖论教学情景实践探索
考虑到高中物理教学的特殊性，高中物理教学中知识创新的特点是：（1）提出概括水平比原有知识更高的新知识，完善原有理论；（2）提出适用于新情景的新理论；（3）否定原有知识（或模型），用新的知识（或模型）来代替旧知识（或模型）。
高中物理教学中进行知识创新悖论教学情景教学的主要途径是新课教学和习题教学。在新课教学中，可以根据初高中物理知识的特殊与一般关系、必修课知识与选修知识之间的特殊与一般关系组织知识创新悖论教学情景。在习题教学中，可设计新的问题情景，通过把原有知识应用于新问题导致悖论，对原有知识进行拓宽，给出更一般性的新的知识。
教学实例1——加速度概念的创新教学（新课教学）
[原有知识]：直线运动中加速度概念定义式：a＝Δv/Δt ＝（v[,t]－v[,0]）/Δt。
[新的问题]：质量为m的小球用长为l的细线相连在光滑的水平面上绕O点以v的速度做匀速圆周运动，在很小一段时间Δt 内小球的加速度为多大？
[学生解答]：较多学生认为，由于小球的速度v不变，根据a＝（v[,t]－v[,0]）/Δt可知，小球的加速度为0。
[导致悖论]：针对学生上述错误解答，教师向学生指出，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＝ma可知，小球的加速度不为0，这与同学们的解答矛盾。
[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F＝ma给出小球的加速度不为0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：a＝v[2]/r。
[加速度概念创新]：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，加速度描述了速度方向变化快慢，把这个加速度称为向心加速度。
教学实例2——变压器电流公式创新教学（习题教学）
[原有知识]：单组变压器电流公式：
教学实例3——液体模型创新教学（习题教学）。
[原有知识]：动能定理、动量定理、液体匀速运动模型
[新的问题]：如图3所示，容器中的水深度为h，已知水的密度为p，现在容器的底部侧面开一很小的孔，假若水的阻力不计，容器的横截面比小孔大得多，试求：从小孔喷出水流的速度。
2、方法创新悖论教学情景实践探索
高中物理教学中方法创新具体表现为：（1）某一推论（结果 ）的创新，用某一概括水平更高，适用范围更广的推论（结论）来代替原有推论（结论）；（2）某一解题模式的创新， 提出适用于新问题情景的解题模式；（3）解决某一具体问题方法的创新， 提出比原有解题方法更简洁的新方法；（4）某一实验方法的创新， 设计出适用于新实验情景的新的实验方法。
方法创新悖论教学情景实践主要在习题教学和实验教学中。习题教学中教师可根据学生套用某些特殊性解题模式，设计新的问题导致悖论，引导学生总结归纳更一般化模式。在实验教学中，教师可以通过拓宽原有学生实验，揭示原有实验方案的局限性，探索新的实验方案。
教学实例4 ——解答二体恒力作用下力和运动问题解题思路创新教学（习题教学）
[原有解题模式]：运用“人船模型”求物体的位移。质量为m 的人站在质量为M船上，开始系统处于静止状态，水的阻力不计， 若人相对船的位移为S[,r]，则人和船相对地面的位移分别为：S[,m]＝MS[,r]/（m＋M），S[,M]＝mS[,r]/（m＋M）。
[新的问题]：如图4所示，二块竖直放置平行金属板A、B放在绝缘的水平板D上，D与地面光滑，A、B、D系统的质量为M，开始处于静止状态，B板有一小孔。现有一质量为m，带＋q电量的粒子C以某一初速度从小孔水平向左射入A、B之间，已知A、B间有水平向右的匀强电场，A、B之间距离为L，粒子所受的重力不计。假若粒子刚好与A板不相碰，试求：在粒子从开始射入小孔到离A板最近过程中粒子相对地面的位移。
[导致悖论]：教学中发现，部分学生运用“人船模型”解答这个问题。即：s[,c]＝s[,m]＝LM/（M＋m）。针对学生这种解答，教师运用特殊化方法导致悖论。当M＝m时，运用“人船模型”可得：A、B系统和粒子C相对地面的位移为：s[,AB]＝s[,C]＝L/2，这显然与实际相悖（粒子C从B运动到A过程中，相对地面的位移一定大于A、B 相对地面的位移）。
[悖论原因分析]：导致上述悖论后，教师引导学生分析悖论原因。“人船模型”解题模式适用条件是：研究方向上动量守恒，且系统动量为0，本问题中系统的动量不为0，“人船模型”解题模式不适用与此问题。
[新的方法]：在此基础上，教师启发引导学生探索解答二体恒力作用下力和运动问题的一般思路，即运用牛顿第二定律结合运动
教学实例5——验证牛顿第二定律实验原理创新教学（实验教学）
[原有实验方法]：选修教材中《验证牛顿第二定律》实验原理。
[新的实验]：用钩码代替砂桶，研究加速度与合外力关系。
[导致悖论]：学生运用原有实验方法进行实验，多次测出作用在小车的合力（F＝mg，m为钩码的质量）与小车加速度a，作出如图5所示的a－F图象，从图中可知，F较大（钩码质量较大）时，a与F不成正比关系，这显然与牛顿第二定律矛盾。
[悖论原因分析]：上述悖论的原因并不是牛二定律不正确，而是实验原理中认为作用于小车上合力为钩码的重力。事实上作用于小车上合力为F＝mgM/（M＋m）＝mg/（1＋m/M），由此式可知，当m相对小车的质量M很小时，F近似为mg，而当m较大，m相对小车质量不能忽略时，F＜mg，因而
[实验方法创新]：教师启发引导学生，若以钩码和小车为系统，则作用于系统上合力应为mg，为了使系统的质量不变，我们可先把5 个钩码放在小车上，一个钩码挂在连接小车的细线上，一个钩码重力作为作用于系统上合力，然后，把小车上钩码逐个放挂在细线下端钩码下。这种方法给出的a－F图象基本上是通过原点的直线，误差很小。
3、创新预言悖论教学情景实践探索
在物理学发展中，一个新理论在应用于特殊领域时可能会出现一些悖论，但这些悖论往往隐含着新的物理意义，物理学家通过进行新的科学预言消除这些悖论，更进一步证明新理论的正确性。例如，狄拉克在运用相对论量子力学理论研究高速运动电子时，解得电子两部分能量本征值，其中一个为负值，当时电子的负能解在物理上是不好理解的，针对这个悖论，狄拉克坚信相对论量子力学正确性，为了消除这个悖论，他创新地预言正电子的存在。这一预言后来被物理学家安德逊所证实。
中学物理教学中，学生在运用物理知识和数学知识解答问题时，常会出现解答结果与传统物理常规和数学常规相悖的情形，出现这些悖论时，教师不要千篇一律地加以否定，而要正确引导学生对出现结果进行分析，给出创新的含义。这既能加深对知识和解题过程的理解，同时能培养学生的创新能力。
教学实例6——推力无穷大悖论意义创新预言
例1.如图6所示，质量为m的物体放在水平面上，物体与水平面之间的滑动摩擦系数为μ，现在物体上作用一力F，F方向与水平面成θ角，问：F为多大时，才能使物体沿着水平面做匀速直线运动？
[学生解答]：学生运用共点平衡规律列
