也谈悖论法在物理教学中的运用，本文主要内容关键词为：悖论论文,也谈论文,物理论文,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。
教育心理学告诉我们：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识结构，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。这时最能集中学习者的注意力和激发学习者的求知欲望。而求知问题一旦得以解决，认识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。中学物理教学中，不失时机地引入“悖论”法，不仅能使学生避免进入思维误区，认清问题的本质；更能完善学生的认知结构，培养学生科学的探索创新能力。因而，研究“悖论”教学具有很高的认识价值和创新教学价值。
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。
一、“悖论”教学的一般过程
中学生学习科学知识或方法的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，但却有着相同的本质或相近的规律。中学物理教学中也存在悖论，体现在学生在学习新知识，解决新问题时表现出来的原有认知结构中的知识、方法、思维与新物理情景间的矛盾、新知识体系的矛盾。
(1)创设悖论情景，产生认知冲突
教师根据新学知识、方法特点及学生已有认知结构，设计一个能与学生原有认知体系（包括学生的知识经验、习惯思维等）产生认知冲突的问题情景，使其原有的认知结构受到冲击，思维陷入矛盾之中，从而远离认知结构“平衡态”。问题情景一般需具备新奇性、不和谐性，能使学生产生好奇性、旺盛的求知欲和内在的认知驱力。
(2)探究问题本质，分析悖论根源
在这个过程中，学生要审视矛盾结论的形成过程和根源，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。通过深层次的思考和分析、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，直到最终找到问题的症结所在，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。
(3)消除悖论，重塑认知结构
制造“悖论”的目的，不仅帮助学生去伪存真、纠正错误，重新审视问题，掌握问题、物理规律的本质；更重要的是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，从而使认知结构更加概括和清晰、丰富和完善，使认知结构在新的高度上重趋平衡。在探索创新过程中，渗透和动用一些创造性的思维方法（直觉、类比、逆向等）提出假设，训练学生创新所需的思维素质和创新精神。
二、“悖论”教学的几种典型类型
“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”的形态可做如下划分：
实验——实验型、理论——理论型、理论——实验型、物理——数学型、物理——经验型等。
(1)实验——实验型
即在探索物理规律时，通过一个实验总结出的结论与通过另一个实验总结出的结论不同而导致悖论。
例如：研究自由落体运动规律时，我们可以做出截然不同的两个实验。
实验1：真空管中（未抽气），让硬币和羽毛同时从管的一端下落。
现象：硬币下落得快，羽毛下落得明显慢。
实验2：真空管中（已抽气），让硬币和羽毛同时从管的一端下落。
反现象：硬币和羽毛下落一样快。
学生面对这个矛盾，会产生对自己先前接受的知识、现象的怀疑，迫使自己重新去认识自由落体运动的本质，寻找矛盾的根源。这时，教师开始引导学生，指出造成这两种不同现象的原因使物体下落的环境不一样，在自然空间中物体下落受到重力和空气阻力，自由落体运动的物体仅受到重力作用等等。通过教师一步一步引导，最终产生新的认识，矫正学生学习上的经验性错误、去伪存真。
又如：在研究物体稳度与重心的关系时，为了纠正大部分学生所认为的重心越低，物体稳度越大的片面认识。我们可以设计如下的“悖论”情景：
实验1：取一长方形木块做如图1的三放置。
图1
结论：重心越低，物体越稳。
实验2：取倾斜程度不同的三块木块做如图2放置。
图2
反结论：重心越低，反而越不稳。
实验1现象给了学生一个极易接受的事实，学生的认识就会马上形成概念，重心越低，物体的稳度越大，他们会误认为这就是物体重心与稳度的一般关系。当实验2现象呈现给学生时，马上在他们的思维中形成一个矛盾，学生无法确定物体重心高的物体稳度大还是重心低的稳度大。这悖论性矛盾会引发他们对问题的本质思考，激发他们对形成这种矛盾原因的研究热情。这时教师可以引导他们，稳度不仅仅是与重心有关，还跟物体的支持面的接触面积、重心垂线的位置等因素有关的。这样比常规的教学更促进学生全面、科学地掌握规律，培养学生谨慎的学习作风。
(2)理论——理论型
即学生从不同的物理概念、规律出发经过分析、推理、计算，得到不同的结论而导致悖论。
例如，计算图3(a)中物体C上升速度。按图 3(b)规律，算得结果
；按图3(c)分解规律，却得到不同的结果
。
图3
上面的问题，源自学生对某些物理概念、物理规律的肤浅认识，学生经常会被头脑中的某些不确定因素所困扰，设计的“悖论”正好暴露学生认识的不足。教师可以通过用微元法证明物体C上升速度表达式，并指明速度合成、分解与相关速度的概念区别，让他们认识问题的本质，深入剖析，达到事半功倍的效果。
(3)理论——实验型
即学生原有知识经验与眼前所观察到实验事实的矛盾而导致悖论。
在“探究闭合电路欧姆定律”教学中，我画出如图4所示的电路，问学生：“电键闭合后，电压表读数是否会变化？”学生异口同声地回答：“不变化！”。如果变阻器滑片移动呢？“还是不变化！”学生的回答仍然非常自信。到底变不变化？让事实说话。请一个学生到讲台上做实验，其他学生一起观察。实验结果令学生既惊讶又困惑。对电压表读数变化，感到惊讶；对已有知识（初中物理中电源电压总是保持不变的！）与客观的实验现实的冲突感到困惑，进而产生强烈的学习动机。
图4
当上完了闭合电路欧姆定律，学生理解了电源电压的变化规律，知道初中讲的原来是一种理想情况，使得他们的认知又螺旋上升到一个新的高度，认知结构又趋于新的平衡。
(4)物理——数学型
即脱离物理模型的适用条件或忽视物理意义进行纯数学推导而导致悖论。
例如：在讲解库仑定律的适用条件时，根据库仑定律，点电荷间的相互作用力
，即相互作用力F与距离r的平方成以比。由此故设一悖论，若纯粹从数学角度上看，当电荷间距离r→0时，电荷间的作用力F→∞，但对物理来说是荒谬的。面对这一悖论，学生又陷入深思中，重新思考“库仑定律”的适用条件，重新思考什么点电荷。此时教师点拨，库仑定律只适用于真空中的点电荷之间。即电荷间的距离必须远远大于带电体的尺寸，就达到事半功倍的效果了。
又如在讲解牛顿经典力学的适用条件时也可以采用如此悖论，来让学生重新认识物理规律所必需适用的前提条件。先设计悖论问题：一个质量为1 kg的物体，在100 N的外力作用下做加速运动，求
末的速度。学生果真入“圈套”，一下子根据牛顿第二定律F=ma，及匀变速运动速度公式v=at，得出
。教师此时马上点拨，这个速度是真空中光速的两倍！一切物体速度不可能超过光速。公式和计算都没有错误，为何得到荒唐的结果？为了消除悖论教师可以指明，任何物理规律都有其适用范围，在范围内是真理，出了范围就变成谬误。牛顿运动定律也不例外，它仅适用宏观物体的低速运动，对高速运动（及微观粒子）是不成立的。这样，跟用一句话把牛顿定律适用范围告诉学生相比，显然印象深刻多了。
(5)物理——经验型
即学生从自己已有的经验结构系统出发所做的判断与物理原理或实验实际情况相“矛盾”而导致悖论。
例如，普通人与大力士拔河往往“必败无疑”这是大家的生活经验。因而，学生认为大力士之所以必胜的原因也是“显而易见”的，即大力士拉普通人的力大于普通人拉大力士的力。但根据牛顿第三定律，普通人与大力士之间的拉力属于作用力与反作用力，应该大小相等。这就使得学生陷入深思中，迫使他们重新探求该物理现象背后的真正原因是什么。
图5
又如，学生都知识，凸透镜对光线有会聚作用，凹透镜对光线有发散作用。可当教师演示如图5实验时，通过凸透镜的光线却是“发散”开来，通过凹透镜的光线却是“会聚”成一点，实验与经验好像产生了尖锐的矛盾。通过这一悖论，使得学生真正理解“发散”、“会聚”的真正物理含义，同时也培养学生分析解决问题的能力，真正体会到物理知识的精髓。
三、小结
以上提出的只是几种常见的“悖论”类型，更多的还要教师去挖掘去发现。教师适时运用悖论教学，把学生在掌握物理规律或解题过程中所犯的常见错误以悖论的形式暴露出来，并加以分析，使抽象的物理概念、物理过程变得具体、直观，有助于纠正学生在认知过程中存在的心理和思维障碍。从心理学的角度看，通过创设悖论情景，使学生“先上当”而后解脱，能吸引学生的注意力，增加学习驱动力。善于设疑和解疑，使学生的思维活动中不断出现矛盾和解决矛盾的过程，加深对事物的认识和理解，提高学生对事物正误的判断能力，培养学生科学的探索创新能力。
值得一提的是，教学中不可过分地采用悖论法教学，太多的悖论可能会产生一定的负面影响。凡事适可而止，运用要恰到好处。