创设“悖论”教学情境激发学生探究热情，本文主要内容关键词为：悖论论文,情境论文,激发学生论文,热情论文，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。
如何使学生在学习物理的过程中，体会物理学科带来的乐趣，由“怕学”而转为“愿学”甚至“乐学”，一直是我们物理教育工作者不懈的追求。笔者在新课程实施过程中，结合平时的物理教学，对课堂情境的创设作了一些探索实践，从高中学生的心理特征和物理的学科特点出发，创设新颖的课堂教学的情境，让学生在探究之中激发学习物理的兴趣，逐步排疑解难，学习知识，领会方法，提高能力，并陶冶情操。而新颖的物理教学情境的创设，包含许多的模式、方法，创设“悖论”教学情境就是其中之一。
一、历史上“悖论”的产生与解决，促进了物理学的发展
一般来讲，悖论是从某一前提出发，推出两个在逻辑上自相矛盾的命题，或根据某一理论推出的命题与已知的科学原理或常识发生矛盾。在物理学的发展历程中，“悖论”历来为物理学家甚至哲学家所钟情，因为它含有极强的逻辑与思辨关系。在物理学史上有许多有趣的“悖论”，其中最为著名的当属“芝诺悖论”和“麦克斯韦妖”。
“芝诺悖论”中，阿基里斯（古希腊跑得最快的人）在后面追赶乌龟，每次等阿基里斯到达乌龟原来的位置的时候，乌龟总是往前跑了一段距离，由此得出阿基里斯永远追不上乌龟。古希腊人之所以被这个问题困惑了2000多年，主要是他们将运动中的“无限过程”与“无限时间”混为一谈，因为一个无限过程固然需要无限个时间段，但这无限个时间段之总和却可以是一个有限值。这个问题说明了古希腊人已经发现了“无穷小量”与“很小的量”这两概念间的矛盾。这个矛盾既推动和促进了对“极限知识”的探究，也为后来对极限的广泛而深入的研究做好了铺垫。
“麦克斯韦妖”是著名的物理学家麦克斯韦假想的能识别并控制单个分子运动的小精灵、小妖怪。麦克斯韦设想，用隔板隔开的两个盒子内盛有相同温度的气体，隔板上开一小孔，小孔上装一扇可以自由开合且无摩擦的小门，小精灵把门。它只允许快速的分子从左盒进入右盒；只允许低速运动的分子从右盒进入左盒。因此，如果存在这种小精灵，就能使分子动能从左盒转移到右盒，形成温差，建立秩序，实现熵的自发减少，从而似乎推翻了热力学第二定律。这个“妖怪”困扰物理学界几十年，直到20世纪50年代，利用信息熵的概念，才弄清楚麦克斯韦妖并不违背热力学第二定律。而普朗克则进一步利用统计理论推导出了热力学第三定律，从此，热力学的基础——热力学三大定律基本得以完备。
由此可见，在这些“悖论”的产生和解决的过程中，物理学有了长足的进步，有些领域甚至是发生了翻天覆地的变革，同时也涌现出了一大批优秀的天才物理学家，所以这些优美的物理“悖论”，实际上推动了物理学的前进和发展，开辟了物理学新的领域和天地。
二、“悖论”教学情境的创设，能促进学生的思维发展
中学生学习科学知识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，但在认识规律上是相似的。我们从科学家研究“悖论”得到启示：能否在中学物理教学中引入“悖论”呢？其实，中学物理教学中也存在“悖论”，它是指学生在学习新知识、解决新问题时表现出来的认知结构中原有知识、方法、思维与新物理情景间的矛盾，认知中原有知识、方法之间的矛盾。因此，中学物理教学中引入“悖论”教学情境，为我们进行物理探究教学提供了一个很好的教学情景，研究“悖论”教学具有一定的认知价值和创新教育价值。
1.创设新奇的“悖论”情境，实施新课教学
新课教学过程中，教师根据新学知识、方法的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、习惯思维在解决新问题时产生“悖论”，教师引导学生分析这种悖论产生的原因，通过科学的探索，提出新知识、新方法、新思维，给出新结果，然后消除悖论。
【情境1】在上“超重与失重”一节课时，提问学生：“一个人手里拿着一本书，放手后书如何运动？”“做自由落体运动”，学生回答。然后教师放一段杨利伟在神舟五号内做的同样动作，结果书“悬浮”在空中。这时学生的兴趣马上就来了，为什么陆地上书会掉下来，而在太空中就不会呢？“悖论”情境产生，学生的求知欲马上被激发出来。这样一来，新课教学就在学生积极的思考当中顺利展开了。
图1
【情境2】在讲到重心问题时，教师提问学生：“物体的重心一定在物体上吗”？学生不假思索地说“是”。因为在学生的旧知识结构中，讲到物体往往想到的是长方体之类的，所以学生才会有这样的观念：重心都是在物体上的。然后教师拿出一个呼啦圈（图1），问学生：它的重心在哪里？学生马上懵了，应该在圆心，不在物体上啊。这样构造了“悖论”的情境，引起了学生思维上的冲突，强化了概念，深化了知识，也吸引了学生。
【情境3】在讲到玻尔的氢原子模型时，讨论电子到底是围绕原子核做什么运动？（图2）按照经典的力学观点，电子在原子核的电磁力作用下应该作匀速圆周运动，就像月亮围绕地球一样旋转。但是从电磁波理论来看，电子要作匀速圆周运动，必须向外辐射能量，那么它的轨道必然减小，即最后总要“奔”向原子核，但是原子却很稳定地存在着，于是就形成了“悖论”：原子要稳定存在就不会辐射能量，不辐射能量就不会作匀速圆周运动，但这又和经典的力学相矛盾。学生的思维就被充分地调动起来了，那么玻尔的氢原子理论的提出也就顺其自然、水到渠成了。
图2
2.创设“悖论”情境，激活习题教学
对于习题课，在很多学生看来是乏味枯燥的，因为习题课已经没有了上新课时的新奇与激动，学生往往兴趣不大。但是习题课也是物理教学中的重要一环，我们要通过习题课对知识进行梳理，同时还要查漏补缺。那么如何来引起学生对习题课的兴趣，激发学生的学习热情呢？寻找机会，创设“悖论”教学情境，同样可以在习题课上大放异彩。
图3
【情境4】例如讲到传送带上匀速运动的物体有没有受到摩擦力的时候（图3），生硬的判断很难说服学生，那么不妨这样创设“悖论”：假设它受到了摩擦力，那么方向朝哪里？学生一定会说向左或者向右。教师指出，如果水平方向有摩擦，合力为零吗？显然不等于零，然后观察物体的运动状态，因做匀速运动说明其所受力的合力等于多少？零！“悖论”产生后，学生恍然大悟：原来的假设是错误的，即物体没有受摩擦力的作用。这样的设问马上激发了学生的求知欲望，调动起了课堂的教学氛围。
图4
【情境5】如图4所示，一个理想变压器原线圈的匝数
匝，副线圈的匝数分别为
匝，
匝，电阻R=100Ω，已知标有“6V,3W”的灯泡L正常发光。试求变压器的输入功率和电阻R上消耗的功率。
学生在解决此问题前，原有的知识储备是：匝数比等于电压比，也等于电流的反比，想到这两个关系式后马上想着手解决（具体运算省略）：
电阻R上消耗的功率计算为3W，则电灯消耗的功率也为3W，而输出功率为6W，输出功率大于输入功率，这显然与能量守恒相矛盾了。
这时，学生对“悖论”的出现很是惊奇，最后在教师的引导与启发下发现：对于有多组线圈的变压器，电流公式不能适用了，而电压公式仍然成立，并且找到了处理此类问题的方法，那就是采用能量守恒定律来解决。
3.创设“悖论”实验情景，培养学生勇于探索的科学精神
回顾科学发展的历程，我们发现一切科学创新都开始于对问题的研究，而科学实验中出现的“异常”现象常成为科学家们发现和提出问题的源泉，这些“异常”现象极大地激发了科学家们的探索兴趣，通过对这些“异常”现象的分析思考，发现和提出了科学问题，而伴随着对科学问题的探索研究，最终导致科学理论的发现和科学技术的发明。所以，在物理教学中如何培养学生的问题意识，变得至关重要，也是我们现在教育教学面临的严峻挑战之一。在实验教学中创设矛盾的实验现象即“悖论”现象，可以让学生通过探索“悖论”实验现象的成因，养成问题意识和务实的科学态度，进而培养学生实事求是的严谨精神和勇于探索的科学精神。
图5
【情境6】在讲到“楞次定律”的时候，有一个经典的演示实验（如图5），当磁铁穿越闭合铝圈时，让学生猜想会发生什么现象？学生绝大部分会猜想铝圈不动。原因也很好解释：磁铁不吸引铝。教师随即作演示，当磁铁穿过铝圈时，铝圈随之运动。于是产生了一个奇妙的“悖论”：明明铝圈不是铁质的，怎么会运动呢？在教师的启发下，学生联想到用楞次定律来解释此现象，理论就很好地与实践结合起来了。然后换一个有缺口的铝圈，再让学生猜想当磁铁穿过时会发生什么情况？学生肯定认为仍然运动。教师再作演示，学生又大吃一惊：居然怎么也动不了了！思维的积极性又立刻被调动了起来，再尝试用楞次定律来解释时，对于所学知识的理解就加深了，而且印象十分深刻。
图6
【情境7】讲解力的合成和分解时，可创设这样一个问题情境：问学生细棉线下面挂一重物，用一根线时易断，还是用两根线时易断？（图6）学生感到很好笑，认为肯定用一根线时线易断。
教师开始演示，一根线提得起重物，而两根夹角较大的细线提重物时，线断了！为什么两根线效果反而不如一根线呢？立即产生了“悖论”情境，这时生活中的经验与物理原理产生冲突，由于原来的旧知识不能解释这种现象，这一质疑立即引发了学生们的好奇心。可见，创立恰当的“悖论”情境，能引发学生学习的积极性，跟与单纯被动地接受知识相比，主动地探索研究的效果是显著的。
综上所述，“悖论”不仅在科学的发展历程中扮演着重要的角色，而且对于我们中学物理教学也能产生深刻的影响，不论是在新课教学、习题讲评、实验教学等等的环节，设置新奇的“悖论”情境，都能吸引学生的目光，激发他们探究的兴趣与热情，是实施有效课堂教学的重要手段之一。新课程的实施，要求我们物理教育工作者更加关注课堂，关注学生，关注三维目标的具体落实，而创设“悖论”教学情境不失为一种有益的教学探索和尝试。