差异性实验及其在物理探究教学中的运用，本文主要内容关键词为：差异性论文,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。
“物理学实验是人类认识世界的一种重要活动，是进行科学研究的基础。”[1](1)物理课程的实施要“突出物理学科特点，发挥实验在物理教学中的重要作用”。[2](51)要“选择精彩的物理实验，用其生动形象的特点，激发学生的认知冲突，制造悬念，从而激发他们的求知欲望，同时让学生从开始就产生一种实验的意识和对实验的兴趣”。[3]因此，设计和运用“生动形象”、能“制造悬念”、能“激发学生的认知冲突”的实验，是物理教学值得研究的一个问题。这种“生动形象”、能“制造悬念”、能“激发学生的认知冲突”的实验就是所谓的差异性实验(discrepant experiment)。本文主要对差异性实验的涵义、特点、设计原则、在物理探究教学中的运用及其功能的内在机制作些探讨。
一、差异性实验的涵义及其特点
（一）差异性实验的涵义
差异性实验是差异性事件的一种呈现形式，指实验的现象或结果是人们意想不到的、违反直觉的、似非而是的实验。一般情况下，人们是很难接受事物的“差异性”的，因为这些差异性与他们的先前的“正确知识”相矛盾。正是这些矛盾激发人们“要去探索”这些差异的欲望和冲动。在西方国家，在科学教育中运用差异性事件来激发学生的学习兴趣和学习动机已有较长的历史。差异性事件被广泛运用于物理、化学、历史、地理等学科的教学中，并收到了很好的教学效果。[4]
由于实验呈现差异性事件具有独特的功能以及实验在科学教育中的重要地位，越来越多的教师在教学中用实验来呈现差异性事件。差异性实验的开发与设计也成为一些教师的研究课题，如美国哥伦比亚密苏里大学教育学院就有一项“差异性事件研究计划”(The discrepant event Inquiry Plans)，该计划的研究者们对差异性实验进行了比较系统的研究。[5]
（二）差异性实验主要特点
差异性实验的主要特点在以下三个方面。
1.浓厚的趣味性
差异性实验与学生的经验相悖，能产生出很强烈的实验趣味性。例如“纸锅烧水实验”：用一张纸做成纸锅，纸锅里盛水，四角用四根线绳把它吊起来，下面点一支蜡烛，要是在通常情况下，纸锅很快会被烧着。可是这一回水都烧开了，纸锅并没有着火！物理教学中的许多实验（如压缩点火、覆杯实验等等）所展示的实验现象出乎学生意料，非常有趣，能激发学生的好奇心和学习兴趣。
2.强烈的认知冲突
差异性实验以其新奇、“反常”的实验现象，与学生原有的认知结构中的知识相矛盾，呈现出认知冲突的情景。例如在“内接法与外接法测电阻”教学中，教师引导学生分别用内接法和外接法测量同一只电阻，学生以为同一电阻的测量的阻值应当相同。但分别用内接法和外接法测量同一只电阻，两次测出的数据竟有巨大的差异。学生困惑：为什么用内接法和外接法测量同一电阻，会产生如此悬殊的结果？这种对比测量结果产生了很强的差异性，引发学生强烈的认知冲突和认知失衡。学生在认知冲突中积极地认知，试图达成新的认知平衡。
3.证伪的功能
在教学中，一般实验是用来验证学生的猜想与假设，起到一个实验验证学生已有知识的作用。而差异性实验没有出现学生预期的现象，与学生的猜想与假设相矛盾，起到了一个实验证伪的作用。例如高中物理课程标准要求“通过实验，探究单摆的周期与摆长的关系”，[2](41)教学中可以引导学生猜测单摆的周期可能与单摆摆球的质量大小、振幅、摆长等因素有关。大部分学生在未学习相应知识之前，以为单摆的周期与摆球的质量大小、振幅有关（一般认为摆球质量大的单摆完成一次全振动的时间短，振幅大的单摆完成一次全振动的时间长）。教师可以利用差异性实验的证伪功能来引发学生的探究学习，如研究“摆长相同而摆球质量不同的两个单摆的振动”“两个相同单摆在振幅不同情况下的振动”实验。实验的结果证伪了学生先前的想法，向学生的思考提出了挑战。同时这样的研究也较为真实地模拟了科学探究的历程，让学生体验到科学研究的方法，能有效地激发学生科学探究的各项活动，发展他们的科学探究能力。
二、差异性实验设计原则
差异性实验要综合考虑教学目的、教学内容、学生的认知水平、教师的实际及学校教育资源的实际等情况来设计。一般来说，差异性实验的设计要符合科学性原则、差异性原则、针对性原则、趣味性原则和简易性原则。
（一）科学性原则
差异性实验的设计首先要注意科学性。差异性实验设计、操作、对实验现象的解释等不能有科学性的错误。例如在“观察扩散现象”[1](28)时，往往要用在盛水容器中滴入墨水来演示分子扩散现象。如果改用热水或对容器加热的办法进行实验以提高观察的可见度，就不妥当了。因为扩散是两种物质仅仅由于分子的运动而造成的互相渗透的现象，用热水或加热的办法，对流的作用就是主要的了。其次，设计的实验还要注意教育科学性。差异性实验的教学要具有科学探究、科学思想和科学方法方面的教育因素。另外，设计差异性实验还要考虑差异性实验的内容是在学生的“最近发展区”难易适度的内容，任何过深过难或过浅过易的所谓差异性实验是不符合学生认知规律的，也难以起到差异性实验的教学作用。
（二）差异性原则
“认知冲突是概念改变过程的起点。”[6]差异性实验应暴露出学生原有的认知结构与实验展示的现象或问题之间的差异。因此，要对教学内容和学生的认知水平进行分析，挖掘出可以引发学生认知冲突的差异性实验。例如，在学习“电功率和电流、电压之间的关系”[1](29)前，学生在生活中看到额定功率大的电灯比额定功率小的亮，他们就以为额定功率大的电灯一定比额定功率小的亮。为此，设计这样一个实验：把一个100W的灯和一个25W的灯分别接入同一电源中，发现前者亮很多。然后将两个电灯串联接入同一电源，问学生哪个电灯亮些，绝大多数学生不假思索回答100W的电灯亮些，实验却展示25W电灯亮很多！这一结果出乎意料，与学生原有的经验产生强烈的冲突，能有效激发学生的学习内驱力。学生在学习物理之前，有相关生活的经验并形成相关的前概念。在这些前概念中，有些是与科学概念相吻合的，有些是不吻合的。学生错误的前概念往往根深蒂固，不容易破除。而差异性实验演示出科学概念与前概念的差异，学生通过比较对原有概念产生不满，产生强烈的认知冲突，认识到自己的前概念是有瑕疵的，从而修正或重构新的科学概念，达到概念转变的目的。
（三）针对性原则
在中学物理教学中，要有针对性地利用差异性实验。要利用差异性实验的特点和教育功能，在学生的物理概念和规律认识模糊处、在学生的感性知识薄弱处、在学生错误的前概念处、在物理现象或过程的对比中、在创设物理学习的情境时恰到好处地运用差异性实验。例如在学习“电源的电动势和内阻”[2](34)时，学生对电源内阻对电路的影响的感性知识很缺乏。为此可做差异性实验：拿出一个1.5V的1号圆筒形干电池和一个9V的层叠电池，先用大型电压表测出它们的电动势，让学生确认。然后问：把一个小电珠串联接入这两个不同电池作电源的电路中，小电珠接入哪个电路亮些？绝大多数学生认为小电珠接入9V层叠电池的电路中亮些。实验却展示：小电珠接入1.5V圆形干电池的电路中亮得多！学生惊奇，急想探究其缘由。由此引入教学，事半功倍。学生学习了闭合回路的欧姆定律后，明白了这是因为层叠电池的内阻比圆形干电池大很多。教师也可以引导学生通过一组数据分别计算接入两种电路中的小电珠的电功率，从而加深电池内阻对电路影响的认识。
设计和运用差异性实验向学生提供感性知识，特别是要纠正学生对相关概念和规律有一种“想当然”的认识（这种认识往往是错误的）时，特别有效。
差异性实验的设计还要遵守趣味性原则和简易性原则。设计的差异性实验要充分考虑学生学习的心理特点和认知结构，在设计差异性实验时要尽量增大它们的“惊”“奇”“怪”，以充分激发学生学习的好奇心和学习动力。另外，差异性实验一般是课堂中的演示实验与学生的边学边实验，也要符合简易性的原则。实验器材的选用、实验的操作、实验的现象的分析、实验问题的解决等，都要尽可能简便易行。
三、差异性实验在物理探究教学中的应用
根据物理学和物理教学的特点、差异性实验的特点和功能，以及科学探究的特点，可以把差异性实验融入物理教学，处理得当，就会自然产生一种“实验揭示差异—学生认知失调—提出困惑问题—探究问题解决”教学过程。运用差异性实验的物理探究教学一般步骤如下。
步骤一：运用实验揭示差异性现象。根据教学目的、教学内容和学生实际，针对学生的前概念、感性知识薄弱点、物理概念和规律模糊认识、容易混淆物理事物，选择并进行差异性实验。
步骤二：引导学生或师生共同提出问题。在运用差异性实验引导学生提出问题时，一要注意引导学生观察和思考实验的差异性现象，二要鼓励学生发散性提出问题，三要注意把发散的问题恰到好处地引导到教学的焦点上来。
步骤三：根据差异性实验出现的现象进行猜想与假设。要让学生对现象的解释或对问题的解决提出假设，对研究的结果进行预测，要鼓励和引导学生不同的猜想与假设，而不要轻易肯定或否定学生某个想法。教师在欣赏学生不同的假设的同时，要引导学生用学习过的科学知识来进行猜想与假设。
步骤四：设计研究，收集数据，尝试检验假设。要让学生根据研究的问题和对象，制定研究的方案，尝试实验和用理论知识来检验假设与猜想的正确性。
步骤五：分析与论证，得出初步结论。在假设检验的基础上，分析处理数据，尝试得出结论，对问题进行合理的解释和描述。
步骤六：评估与交流，提出新的问题。在得出初步结论的基础上，要通过评估和交流，来分析结论的有效性和合理性，发现结论中的缺陷、未解决的矛盾，提出新的研究问题。这样，学习又在新的问题情境中继续了。同时要让学生认识到，学习与科学研究相类似，不是得到知识的终结过程，而是不断发现问题、解决问题、创新知识的过程。
需要指出的是，把差异性实验整合到探究活动中，“可以是包括所有要素的探究，也可以只包括部分要素”；[1](33)探究的课题应当能够激发学生兴趣，培养学生探究科学志趣；教师扮演的是“激发者”“促进者”“引导者”的角色；要引导学生参与差异性实验，给学生提供足够的时间和机会进行观察、批判性思考、讨论和交流。
四、差异性实验教育功能的内在机制分析
从国外相关研究看，差异性实验运用于教学取，得了良好的效果，得到广大教师的青睐。差异性实验在教学中的有效性主要反映在对学生认知内驱力和内在动机的作用、对学生科学研究能力的作用、对知识理解与创新的作用等方面。
（一）差异性实验对认知内驱力和学习内在动机的作用
现代认知心理学认为，内在动机是学习活动最重要最稳定的动机，对学习有持续而强有力的推动作用。由于差异性实验现象的新奇性、趣味性以及所产生的认知冲突，往往会引起学生的好奇心和学习兴趣，从而激发学生的求知欲，促使学生主动地参与到学习过程中来。随着学生不断获得学习的乐趣、成功的体验，认识到学习的力量、学习的价值后，就会期望在以后的学习中进一步得到满足。这就使学生逐渐形成认知内驱力。这种认知内驱力使学生的学习动机直接指向学习任务本身。而满足这种动机的奖励也是学习本身提供的。因而它导致的也就是学生的学习内在动机。因此，差异性实验能有助于促进学生形成认知内驱力，从而能有效地激发和培养学生的学习内在动机。
（二）差异性实验对学生科学研究能力的作用
差异性实验所创设的问题情境往往是有趣味性的、与学生学习任务相联系的。学生通过对差异性实验所呈现现象的感知，成为问题发现者；出于强烈的认知内驱力和学习内在动机的推动，他们主动积极地参与问题解决，成为问题的研究者；经历了类似科学研究的过程：发现与提出问题—猜想与假设—制定研究方案—进行实验与收集证据—分析与论证—评估，成为科学的探究者。学生在参与和经历这一学习过程中能有效培养问题的意识和提出有价值问题的能力，学会科学研究的方法，并养成科学的态度与价值观。
（三）差异性实验对知识理解与创新的作用
认知失调的学习理论指出，当学生发现某种新知识与自己认知结构中已有知识矛盾时，就会产生认知失调现象。这时学生会努力去认知新知识，以消除认知失衡。差异性实验所展示的与学生常识相悖的现象，引发学生认知冲突与认知失调，会促使学生试图弄懂差异性现象或问题是怎么回事的动机，以便与自己认知结构中已有的知识相统一，恢复认知平衡。同时，正是由于经过学生自身的认知冲突和消除认知失调，新知识能在脑子中留下更深的痕迹，学生能更深刻地理解新知识与保持习得的知识。就学生自身而言，这也是一种知识创新。需要指出，学生由于努力认知，消除了由差异性实验引起的认知失衡，产生了轻松、满意的情绪体验。这种积极的情绪体验对知识的学习和创新起到一种良性的强化作用。