黃國龍

(浙江省鎮(zhèn)海中學(xué) 浙江 寧波 315200)

1 科學(xué)悖論研究中創(chuàng)新個(gè)性品格

很多重大科學(xué)理論的發(fā)現(xiàn)表明，科學(xué)探究始于問題．科學(xué)問題的特征是差異，是矛盾．所謂悖論，就是一種邏輯矛盾，它指的是從某一前提出發(fā)推出兩個(gè)在邏輯上自相矛盾的命題，或從某一理論中推出的命題與已知科學(xué)原理或?qū)嵺`產(chǎn)生的邏輯矛盾．無論是科學(xué)悖論的產(chǎn)生，還是科學(xué)悖論的探究過程以及科學(xué)悖論的消除，科學(xué)悖論的重要作用不僅表現(xiàn)在認(rèn)知層面上創(chuàng)新，而且也體現(xiàn)了科學(xué)家的創(chuàng)新個(gè)性品格重要作用．科學(xué)悖論在認(rèn)知上的創(chuàng)新作用主要體現(xiàn)在創(chuàng)新科學(xué)問題的提出，科學(xué)方法和思維方式的創(chuàng)新，重要理論和認(rèn)識上的創(chuàng)新．例如，“光速悖論”導(dǎo)致一個(gè)劃時(shí)代科學(xué)問題；在探究“光速悖論”過程中實(shí)現(xiàn)了研究方法的創(chuàng)新(愛因斯坦運(yùn)用理想實(shí)驗(yàn)和等效思維的方法)；提出時(shí)空的相對性，實(shí)現(xiàn)了對時(shí)空觀的認(rèn)識上創(chuàng)新；最后創(chuàng)立了相對論，實(shí)現(xiàn)了對牛頓力學(xué)的創(chuàng)新．在科學(xué)悖論探究中，科學(xué)家的創(chuàng)新個(gè)性品格發(fā)揮了十分重要的作用，具體表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面.

1.1 科學(xué)悖論促進(jìn)了科學(xué)家創(chuàng)新意識的發(fā)揮

科學(xué)研究中每一個(gè)科學(xué)悖論的出現(xiàn)，意味著一個(gè)重大科學(xué)問題的提出．科學(xué)家運(yùn)用導(dǎo)致悖論方法揭示原有理論隱含的客觀矛盾，提出具有十分重要意義的科學(xué)探究問題．例如，19世紀(jì)末在研究黑體輻射時(shí)出現(xiàn)的“紫外災(zāi)難”這一悖論，揭示了經(jīng)典物理的局限性，提出了研究量子世界的科學(xué)問題．又如，伽利略自覺運(yùn)用“落體悖論”方法發(fā)現(xiàn)亞里士多德“重的物體比輕的物體下落快”這一落體運(yùn)動(dòng)理論存在的問題．從這一意義講，科學(xué)悖論是發(fā)現(xiàn)問題、提出科學(xué)問題的源泉，促進(jìn)了科學(xué)家創(chuàng)新意識的發(fā)揮．

1.2 科學(xué)悖論是進(jìn)行科學(xué)創(chuàng)新的動(dòng)力

每一激動(dòng)人心的科學(xué)悖論激發(fā)科學(xué)家開始研究一個(gè)新的科學(xué)領(lǐng)域．例如，“紫外災(zāi)難”這一悖論出現(xiàn)，激發(fā)了包括普朗克、愛因斯坦、德布羅意、海森伯等多位物理學(xué)家的探究興趣和熱情，促使他們投入到探究量子世界的科學(xué)探究活動(dòng)中，最后通過團(tuán)隊(duì)努力建立了量子理論．“原子湮滅”悖論的出現(xiàn)，揭示盧瑟福原子核式結(jié)構(gòu)模型存在問題，揭示了包括玻爾、索末菲等物理學(xué)家深化探究原子世界的動(dòng)機(jī)．1935年，在量子力學(xué)研究中，EPR悖論(意指量子力學(xué)不完備或者量子力學(xué)不具備內(nèi)在相容性)的出現(xiàn)，導(dǎo)致愛因斯坦與波爾等人長達(dá)一個(gè)世紀(jì)的爭論．因而，科學(xué)悖論是激發(fā)科學(xué)家科學(xué)研究興趣和熱情的重要力量，是進(jìn)行科學(xué)創(chuàng)新的重要?jiǎng)恿?

1.3 科學(xué)悖論的研究磨練了科學(xué)家的創(chuàng)新意志和創(chuàng)新精神

為了消除悖論，科學(xué)家必須以批判的態(tài)度認(rèn)識原有理論的局限性，以創(chuàng)新精神沖破傳統(tǒng)觀念的束縛，運(yùn)用創(chuàng)新的思維方式和觀念提出新的假設(shè)，經(jīng)過艱辛的研究過程建立新的理論．例如，針對“光速悖論”，愛因斯坦經(jīng)過10年艱辛努力，克服重重困難，提出了狹義相對論．又如，為了研究“紫外災(zāi)難”悖論，通過普朗克能量子假設(shè)→愛因斯坦光子假設(shè)→密立根光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)→康普頓電子散射實(shí)驗(yàn)→德布羅意物質(zhì)波理論→波爾原子模型……等一系列曲折的研究過程，最后建立比較完整的量子理論．從這一層面上講，在科學(xué)悖論研究過程中，既要發(fā)揮物理學(xué)家個(gè)體的創(chuàng)新意志，也要發(fā)揮科學(xué)團(tuán)隊(duì)協(xié)作交流；雖然科學(xué)家經(jīng)歷艱難曲折研究過程，但也體驗(yàn)到研究的艱辛和成功帶來的歡樂；不僅促使了科學(xué)思維方式的創(chuàng)新，而且也磨練了科學(xué)家創(chuàng)新的意志和創(chuàng)新精神．

2 “類悖論”探究教學(xué)與學(xué)生創(chuàng)新個(gè)性品格的培養(yǎng)

培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新素養(yǎng)是培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新人才的重要舉措，是中學(xué)物理教學(xué)的一個(gè)重要研究課題．創(chuàng)新素養(yǎng)是由創(chuàng)新個(gè)性品格、創(chuàng)新思維、創(chuàng)新技法等三個(gè)重要內(nèi)容組成的．創(chuàng)新的個(gè)性品格的自我塑造對創(chuàng)新者而言具有舉足輕重的重要意義，它決定著創(chuàng)新者觀念的形成，支配著創(chuàng)新者傾向性行為習(xí)慣，并最終決定著創(chuàng)新成果的層次和水平．創(chuàng)新個(gè)性品格包括創(chuàng)新意識、創(chuàng)新動(dòng)機(jī)、創(chuàng)新意志，是創(chuàng)新素養(yǎng)中十分重要的組成部分．在科學(xué)悖論研究過程中，由于科學(xué)家具有良好的創(chuàng)新個(gè)性品格，從而能夠發(fā)現(xiàn)和提出科學(xué)問題，揭示原有理論隱含的客觀矛盾，并激發(fā)科學(xué)研究的熱情，進(jìn)而對悖論進(jìn)行深度的研究，實(shí)現(xiàn)重大的科學(xué)創(chuàng)新．

中學(xué)物理教學(xué)中，雖然學(xué)生探究物理的過程與科學(xué)家的科學(xué)研究在目標(biāo)上、難度上是不同的，但他們的認(rèn)知過程和情感體驗(yàn)以及價(jià)值取向在某種意義上是相似的．根據(jù)上述闡述的科學(xué)悖論研究在創(chuàng)新個(gè)性品格方面所發(fā)揮的重要作用以及學(xué)生學(xué)習(xí)物理與科學(xué)研究的相似性．筆者認(rèn)為，根據(jù)科學(xué)悖論的一般性結(jié)合學(xué)生認(rèn)知水平和中學(xué)物理教學(xué)實(shí)際，提出了“類悖論”概念.

中學(xué)物理教學(xué)中“類悖論”的特點(diǎn)是：學(xué)生在學(xué)習(xí)新知識、解決新問題時(shí)表現(xiàn)出來的認(rèn)知結(jié)構(gòu)中原有知識、方法與新的物理情景間的矛盾，認(rèn)知中原有知識、方法之間的矛盾．“類悖論”雖然對現(xiàn)有整個(gè)科學(xué)研究而言不是真正的悖論，似乎沒有多大的科學(xué)價(jià)值，但對于中學(xué)生探究物理知識和物理教育而言卻具有十分重要的認(rèn)識價(jià)值和創(chuàng)新教育價(jià)值．關(guān)于通過“類悖論”探究來實(shí)施認(rèn)知方面教學(xué)(例如培養(yǎng)創(chuàng)新思維等)已有相關(guān)研究，但通過“類悖論”探究來實(shí)施創(chuàng)新個(gè)性品格教育卻研究得較少，因而在“類悖論”探究中實(shí)施創(chuàng)新個(gè)性品格教育顯得十分迫切和重要．另外，科學(xué)悖論與“類悖論”的相似性、科學(xué)悖論研究中科學(xué)家創(chuàng)新個(gè)性品格和物理教學(xué)中創(chuàng)新個(gè)性品格培養(yǎng)目標(biāo)的相似性，為實(shí)施“類悖論”探究教學(xué)培養(yǎng)創(chuàng)新個(gè)性品格提供可能性．

圖1 通過“類悖論”培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新個(gè)性品格框圖

在中學(xué)物理“類悖論”探究中培養(yǎng)創(chuàng)新個(gè)性品格的重點(diǎn)是挖掘適合學(xué)生認(rèn)知水平、情感需要和價(jià)值取向的“類悖論”課程資源，充分發(fā)揮學(xué)生的自主探究和團(tuán)隊(duì)協(xié)作作用，讓學(xué)生在“類悖論”探究中真實(shí)地發(fā)現(xiàn)悖論，經(jīng)歷曲折的探究過程，獲得積極的情感體驗(yàn)，發(fā)揮創(chuàng)新的意志和精神．主要通過導(dǎo)致“類悖論”、創(chuàng)設(shè)“類悖論”情境、探究“類悖論”、消除“類悖論”等途徑來培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新個(gè)性品質(zhì)(如圖1所示框圖)，從而來有效實(shí)施創(chuàng)新素養(yǎng)的培育．

3 實(shí)施“類悖論”探究教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新個(gè)性品格的探索

3.1 運(yùn)用導(dǎo)致“類悖論”方法培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識

創(chuàng)新意識包括發(fā)現(xiàn)、提出問題意識，求證否定的意識．對某些物理問題的錯(cuò)誤解答往往暴露學(xué)生認(rèn)知的局限性和思維上缺陷．中學(xué)物理教學(xué)中，教師要引導(dǎo)學(xué)生自覺運(yùn)用導(dǎo)致“類悖論”方法來揭示原有解答的錯(cuò)誤，發(fā)現(xiàn)原有解答和認(rèn)知存在的問題，并提出新的探究問題，從而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識．

案例1：特殊阻力導(dǎo)致“最大速度”類悖論，提出探究問題.

圖2

【例1】如圖2所示，水平金屬導(dǎo)軌間距為l，導(dǎo)軌左端接有阻值為R的電阻，質(zhì)量為m的導(dǎo)體棒垂直跨接在導(dǎo)軌上，導(dǎo)軌和導(dǎo)體棒的電阻均不計(jì)．矩形區(qū)域內(nèi)勻強(qiáng)磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，方向如圖．導(dǎo)體棒始終在磁場區(qū)域內(nèi)，當(dāng)磁場以速度v1勻速向右移動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體棒受到大小為f的恒定阻力．試求金屬棒運(yùn)動(dòng)的最大速度．

3.2 創(chuàng)設(shè)“類悖論”情境分析消除“類悖論”激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新動(dòng)機(jī)

創(chuàng)新動(dòng)機(jī)包括創(chuàng)新的求知欲望、創(chuàng)新的興趣和創(chuàng)新熱情．創(chuàng)設(shè)“類悖論”情境、導(dǎo)致“類悖論”有利于激發(fā)創(chuàng)新的欲望和興趣，分析“類悖論”原因、消除“類悖論”能培養(yǎng)學(xué)生持續(xù)的創(chuàng)新熱情．

(1)創(chuàng)設(shè)“類悖論”情境，導(dǎo)致“類悖論”，激發(fā)學(xué)生求知欲望和創(chuàng)新興趣

創(chuàng)設(shè)“類悖論”情境，使教學(xué)信息具有新奇性、不和諧性，能打破學(xué)生原有認(rèn)知平衡，從而使學(xué)生產(chǎn)生好奇性和旺盛的求知欲，極大地激發(fā)學(xué)生探究興趣．中學(xué)物理教學(xué)中可以通過如下途徑來創(chuàng)設(shè)“類悖論”情境：運(yùn)用特殊化方法(讓某些物理量取特殊值揭示推理錯(cuò)誤)創(chuàng)設(shè)“類悖論”情境；運(yùn)用兩種解答方法的矛盾創(chuàng)設(shè)“類悖論”情境；運(yùn)用推理結(jié)果與實(shí)踐矛盾創(chuàng)設(shè)“類悖論”情境；運(yùn)用推理結(jié)果與正確理論矛盾創(chuàng)設(shè)“類悖論”情境．

案例2:創(chuàng)設(shè)“最大高度”類悖論情境，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新欲望和興趣.

圖3

【例2】如圖3所示，一質(zhì)量為m，帶電荷量+q的帶電小球從磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場中A點(diǎn)由靜止開始下落，試求：帶電小球下落的最大高度h和最大速度．

分析：部分學(xué)生解答：小球到達(dá)最低點(diǎn)后沿水平方向做勻速直線運(yùn)動(dòng),如圖4所示．設(shè)小球沿水平方向運(yùn)動(dòng)的速度為v，由動(dòng)能定理和牛頓第二定律列出

圖4

針對學(xué)生上述解答，可創(chuàng)設(shè)如下“類悖論”情境：假若帶電小球做如圖4所示的運(yùn)動(dòng)，則從曲線運(yùn)動(dòng)角度分析，在兩個(gè)運(yùn)動(dòng)軌跡的交接處所受的合力不為零；而從直線運(yùn)動(dòng)角度分析，在兩個(gè)運(yùn)動(dòng)軌跡交接處所受的合力應(yīng)為零．事實(shí)上，在兩軌跡交接處，由于速度沒有突變，所受洛倫茲力也沒有突變，所受的合力不能突變．因而學(xué)生構(gòu)建的小球運(yùn)動(dòng)軌跡是錯(cuò)誤的，從而導(dǎo)致“類悖論”．這個(gè)“類悖論”出現(xiàn)后，學(xué)生感到很驚訝，迫切想知道原有解答與事實(shí)矛盾的原因，激發(fā)了學(xué)生探究“類悖論”原因的欲望和興趣，為探究解答這個(gè)問題注入了動(dòng)力．

(2)消除“類悖論”，探究規(guī)律，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新的熱情

針對中學(xué)物理中出現(xiàn)的“類悖論”，教師要引導(dǎo)學(xué)生積極探究“類悖論”產(chǎn)生的原因，運(yùn)用創(chuàng)新思維方法提出新的解決問題的方法．通過從矛盾到統(tǒng)一，從失敗到成功，在消除“類悖論”、提出新的理論和方法的同時(shí)，使學(xué)生獲得成功感，從而培養(yǎng)創(chuàng)新的熱情．

案例3:消除“最大速度”類悖論原因，培養(yǎng)創(chuàng)新熱情.

例如，針對“最大速度”類悖論，教師引導(dǎo)學(xué)生猜想產(chǎn)生“類悖論”的原因是當(dāng)磁場和導(dǎo)體棒都運(yùn)動(dòng)時(shí)，動(dòng)生電動(dòng)勢計(jì)算公式為E=Blvr(vr為導(dǎo)體棒相對磁場切割速度)，然后進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生論證猜想．

圖5

通過上述“類悖論”原因研究，不僅揭示了錯(cuò)誤原因，消除“類悖論”，使學(xué)生認(rèn)識到原有認(rèn)知的局限性，探究創(chuàng)新導(dǎo)體棒相對運(yùn)動(dòng)磁場運(yùn)動(dòng)時(shí)動(dòng)生電動(dòng)勢的規(guī)律ε=Blvr(vr為相對磁場的切割速度)，更為重要的是使學(xué)生獲得創(chuàng)新的成功感，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新熱情．

3.3 強(qiáng)化“類悖論”探究過程培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意志

創(chuàng)新意志包括創(chuàng)新的自覺性——明確創(chuàng)新價(jià)值，創(chuàng)新的果斷性——及時(shí)的決定并堅(jiān)決執(zhí)行，創(chuàng)新意志的堅(jiān)韌性——有旺盛精力和拼博精神．探究“類悖論”原因、消除“類悖論”、得出新的規(guī)律是一個(gè)艱辛的探索過程，需要頑強(qiáng)的意志和創(chuàng)新的精神．在“類悖論”探究教學(xué)中，教師應(yīng)拓展“類悖論”探究途徑．當(dāng)導(dǎo)致“類悖論”激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新動(dòng)機(jī)后，教師應(yīng)強(qiáng)化“類悖論”的探究過程，在注重學(xué)生自主探究的同時(shí)，應(yīng)給予學(xué)生必要的啟發(fā)，鼓勵(lì)學(xué)生的創(chuàng)新熱情，幫助學(xué)生克服探究過程中遇到的困難，從而培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新的意志．

(1)探究重要理論性“類悖論”，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意志

案例4：探究“加速度”類悖論，培養(yǎng)創(chuàng)新意志.

圖6

【例3】如圖6所示，半徑為R的半球以a的加速度沿著水平面向右運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)從動(dòng)桿AB沿豎直方向上升，O為半球的球心，P為頂點(diǎn)．求：當(dāng)∠AOP=θ,半球的速度為v時(shí)，AB桿的加速度．

分析：教學(xué)中發(fā)現(xiàn)部分學(xué)生解答如下：設(shè)桿AB豎直向上運(yùn)動(dòng)的加速度為a2，把a(bǔ)和a2分別沿著徑向和切向方向分解，a和a2的徑向分量分別為a2cosθ和asinθ，根據(jù)兩物體在徑向方向加速度相同得：a2cosθ=asinθ，解之桿的加速度為a2=atanθ．

圖7

通過“加速度”類悖論探究過程，不僅探索創(chuàng)新二體加速度約束關(guān)系的一般規(guī)律，更重要的是學(xué)生經(jīng)歷艱辛的探究創(chuàng)新過程，遇到了多次失敗，克服了種種困難，從失敗到成功，從錯(cuò)誤到正確，培養(yǎng)了創(chuàng)新的意志和精神．

(2)探究重要方法性“類悖論”，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意志

案例5:探究“最大高度”類悖論，培養(yǎng)創(chuàng)新意志.

例如，案例2中創(chuàng)設(shè)“最大高度”類悖論情境后，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新欲望和興趣．在此基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生分析產(chǎn)生上述“類悖論”的原因是帶電小球到達(dá)最低點(diǎn)時(shí)不可能受力平衡，運(yùn)動(dòng)軌跡可能是如圖8所示．學(xué)生再進(jìn)行如下解答方法的探究創(chuàng)新過程.

圖8

解法2(等效方法)：現(xiàn)構(gòu)建小球有兩個(gè)大小相

結(jié)語：通過上述“類悖論”探究過程，不僅揭示了“類悖論”產(chǎn)生的原因，而且實(shí)施了由錯(cuò)誤解法到正確解法，由正確解法到簡潔解法的創(chuàng)新過程．師生之間、學(xué)生之間相互啟發(fā)，相互幫助，協(xié)作探究，經(jīng)歷了多次挫折，克服了種種困難，樹立了自信心，最后運(yùn)用多種方法創(chuàng)新解答這個(gè)疑難問題，創(chuàng)新的意志得到有效的培養(yǎng)．