曾文峰 肖 洋 熊建文

差異性實驗在物理課堂教學中的應用

曾文峰 肖 洋 熊建文

（華南師范大學物理與電信工程學院，廣東廣州 510006）

差異性實驗是指實驗現(xiàn)象或結果是人們意想不到的，違反直覺的實驗．本文闡述了差異性實驗的含義及特點，提出了差異性實驗在物理課堂教學中的運用流程，并結合教學案例分析了差異性實驗在不同教學環(huán)節(jié)中的應用．

差異性實驗；運用流程；物理課堂教學；教學環(huán)節(jié)

1 引言

在物理教學中運用物理實驗，特別是實驗現(xiàn)象或結果出乎學生意料之外的實驗，可以激發(fā)學生的學習興趣．［1］而這一類實驗在物理教學中正是差異性實驗．差異性實驗作為差異性事件在物理課堂中的主要呈現(xiàn)方式，它具有造成學生的認知沖突、激發(fā)學生學習動力的作用．［2，3］因此不少物理教師在課堂教學中傾向于演示差異性實驗，于是差異性實驗就逐漸成為演示實驗的重要組成部分．但是研究表明，目前物理實驗教學的效果往往并不理想，為了提高物理實驗教學的效果，教師需進一步加強實驗教學方法的學習．［4］同理，為了提高差異性實驗的教學效果，有必要為教師運用差異性實驗給予方法論方面的指導．因此，本文在介紹差異性實驗的含義及特點的基礎上，提出差異性實驗在物理教學中的運用流程，再結合具體的教學案例探討如何有效地在物理課堂的不同教學環(huán)節(jié)中運用差異性實驗．

2 差異性實驗的含義及特點

差異性實驗（Discrepant Experiment）是指實驗現(xiàn)象或結果是人們意想不到的，違反直覺的，與“常識”有較大差異的實驗，是差異性事件的其中一種呈現(xiàn)方式．［5］例如，在“向心力”的教學中，教師往往會演示差異性實驗“水流星實驗：水桶在豎直平面做圓周運動，而且水桶中的水并沒有撒出來．”實驗現(xiàn)象與學生的直覺“水桶中的水在運動過程中會撒出來”不相符合，造成了認知沖突，激發(fā)了學生的學習動力．可見，差異性實驗能引發(fā)強烈的認知沖突，進而激發(fā)學生產(chǎn)生一種“要知道”的動機．

差異性實驗之所以具有引發(fā)認知沖突、激發(fā)學習動力的作用，與其特點密不可分．差異性實驗主要有3個特點：濃厚的趣味性、強烈的認知沖突和證偽的功能．濃厚的趣味性指的是教師在了解學生生活經(jīng)驗的基礎上，演示差異性實驗的現(xiàn)象或結果違反學生的直覺，所以會產(chǎn)生強烈的趣味性；強烈的認知沖突是指差異性實驗中的新奇、“反常”的現(xiàn)象與學生的已有的知識經(jīng)驗不符合時所引發(fā)的認知沖突；證偽功能則是指通過差異性實驗現(xiàn)象或結果與學生的猜想及假設不相符而起到了證偽的功能．［5］

3 差異性實驗在物理課堂教學中的運用流程

差異性實驗的運用流程是實施差異性實驗的關鍵，決定了差異性實驗教學的有效性．對差異性實驗的運用流程的探討，可追溯到美國學者Friedl（1986）提出差異性事件教學的“三步曲”教學流程：（1）設置差異性事件——激發(fā)學生的學習動機；（2）引導學生參與解決差異性事件——學生自主進行科學探究活動；（3）解決差異性事件引起的問題并學習相關的科學知識——由學生自主或由教師引導解決問題并總結．［6－8］

在科學概念教學中，Mancuso（2010）等人認為在運用差異性事件促進概念轉變的過程中，可以采用POE演示策略：［9］（1）在演示差異性事件之前，教師可以讓學生對現(xiàn)象進行預測并解釋；（2）學生觀察現(xiàn)象并記錄；（3）學生對預測與實驗之間的差異進行討論、解釋．通過分析上述運用流程，可以發(fā)現(xiàn)這些運用流程強調(diào)的是通過探究方式開展教學，但并不是所有內(nèi)容都適合探究的．物理教學中根據(jù)教學內(nèi)容不同，需要靈活運用多種教學方式，并將它們有機融合到課堂教學中，才能充分發(fā)揮它們各自的優(yōu)勢．

筆者嘗試在兼顧接受式學習和探究式學習的基礎上，整合國內(nèi)外學者提出的差異性事件運用流程，同時按照物理課堂教學的要求，提出差異性實驗在物理課堂教學中的運用流程（如圖1所示）．

圖1

第1步是引出觀念．采取演示實驗凸顯學生的已有觀念，或者讓學生對差異性實驗的現(xiàn)象或結果進行預測并說明理由，即闡述已有觀念．

第2步是觀察實驗．呈現(xiàn)差異性實驗，學生觀察差異性實驗．

第3步是解決問題．教師引導學生對差異性實驗進行分析，提供解決方案并解決相應問題；或者學生自主分析差異性實驗，自行設計解決方案并進行相應的探究活動解決相應問題．在解決問題的過程中，學生學習相應的科學知識．

第4步是解釋原因．教師提供完整的分析思路，解釋差異性實驗的原因；或者由學生自行解釋原因，教師負責審核這些解釋是否到位，并適時針對學生解釋的不足點進行補充說明．

差異性實驗的運用流程與Friedl的“三步曲”教學流程相比有3點不同：（1）增加“引出觀念”環(huán)節(jié)，目的是為了凸顯學生的已有觀念，利用其與差異性實驗形成對比，造成學生的認知沖突．（2）將“學生參與解決差異性事件”進一步細分為“教師主導型”和“學生自主型”，目的是為教師提供多種教學途徑，便于教師應對不同類型的教學內(nèi)容．（3）將“三步曲”教學流程后兩個環(huán)節(jié)的內(nèi)容進行調(diào)整，將最后一個運用環(huán)節(jié)進一步明確為“解釋原因”，并同樣細分為“教師解釋型”和“學生自主解釋型”，目的是便于教師根據(jù)不同難度的問題，選擇合適的解釋途徑．教師可以結合實際課堂選擇差異性實驗運用流程的具體路徑，靈活運用講授式教學和探究式教學，實現(xiàn)教學效果的最優(yōu)化．

4 差異性實驗在物理課堂不同教學環(huán)節(jié)中的應用案例

物理課堂一般包括3個基本教學環(huán)節(jié)：新課導入、新課教學和課堂結束，不同環(huán)節(jié)的教學目的和要求不同．在物理課堂的不同教學環(huán)節(jié)運用差異性實驗，需要符合相應環(huán)節(jié)的教學目的和要求，其具體運用流程會稍有差異．為此本文結合案例闡述差異性實驗在物理課堂基本教學環(huán)節(jié)中的運用流程，一方面凸顯不同教學環(huán)節(jié)對運用流程的側重點不同，另一方面通過案例闡述差異性實驗的應用目的與相關實驗設計．

4．1 新課導入，激發(fā)學習興趣

在設計新課導入時，教師必須考慮如何激發(fā)學生對新知識的學習興趣．在新課導入環(huán)節(jié)運用差異性實驗，主要是利用呈現(xiàn)的結果與學生常見的現(xiàn)象不一樣，造成認知沖突，激發(fā)學生的學習興趣．這里的案例1闡述了如何在新課導入環(huán)節(jié)運用差異性實驗，節(jié)選自第6屆大學生與研究生物理教學技能展評曾文峰主講的課題“靜摩擦力”．

（1）引出觀念．教師展示實驗器材：塑料袋、水杯、藍墨水，引導學生回顧生活中的經(jīng)歷“平時我們是把杯子放進塑料袋中，就可以把杯子提起來”．此時，教師反問“那把塑料袋放進杯子中，提起塑料袋的同時還能提起杯子嗎？”學生回應“不能”．接著教師演示實驗，學生觀察到“將塑料袋放進杯子中，提起塑料袋的同時不能提起水杯”．

（2）觀察實驗．教師提問學生“將塑料袋放進杯子中，怎樣才能在提起塑料袋的同時把杯子提起呢？”然后，教師演示實驗“將塑料袋放進杯子中，然后往塑料袋中加入適量的藍墨水，在提拉塑料袋的同時就將杯子提起了”（如圖2所示）．教師分析實驗現(xiàn)象，并提出問題“杯子沒有掉下來，處于靜止狀態(tài)，說明有豎直向上的力與重力平衡，這個力是什么力呢？從而引出課題“靜摩擦力”．

案例分析：案例1在“靜摩擦力”的新課導入環(huán)節(jié)運用了差異性實驗，其目的是為了激發(fā)學生的學習興趣．考慮到學生日常生活經(jīng)驗“把杯子放進塑料袋中才能提起杯子”，結合新課的知識內(nèi)容，采用逆向思維設計差異性實驗“提杯實驗”，而學生現(xiàn)有的知識基礎尚不能合理解釋“提杯實驗”，造成思維沖突，激發(fā)學生的學習興趣并引出課題．

在新課導入環(huán)節(jié)運用差異性實驗，主要體現(xiàn)了差異性實驗運用流程的前兩個環(huán)節(jié)，但是這并不意味著該環(huán)節(jié)不重視后兩個環(huán)節(jié)．為了引入新課后能夠更好地與即將學習的內(nèi)容銜接，筆者認為，在新課導入環(huán)節(jié)結束后，教師可以引導學生對差異性實驗進行進一步的思考與分析，或者由學生自主思考并進行探究活動解決相應問題，讓學生可以在“解決問題”環(huán)節(jié)學習知識．引導學生在“解釋原因”環(huán)節(jié)運用所學的新知識解釋導入實驗．

圖2

4．2 新課教學，促進概念轉變

學生的前概念可以作為其認知發(fā)展的“踏腳石”，但是錯誤的前概念存在負面作用，若不及時糾正學生錯誤的前概念，會影響新課教學的效果．在新課教學環(huán)節(jié)，教師可以利用差異性實驗現(xiàn)象與學生錯誤的前概念不相符，造成學生的認知沖突，促進概念轉變．下面的案例2闡述了如何在新課教學環(huán)節(jié)運用差異性實驗，節(jié)選自第4屆“東芝杯”教師技能比賽物理組李支軍主講的課題“牛頓第三定律”．

（1）引出觀念．教師選擇“拔河”作為例子，讓學生參與活動“男生與女生站在水平地面上進行拔河比賽”，比賽結果與學生的判斷一致，從而暴露學生錯誤的前概念“作用力與反作用力不相等”．

（2）觀察實驗．教師提問“難道男生的拉力大于女生的拉力？”然后，引導男生與女生同樣站在水平地面上，用兩個大彈簧測力計對拉，進行拔河比賽，學生可以觀察到出乎意料的實驗現(xiàn)象“彈簧測力計的示數(shù)同時變化，示數(shù)差不多相等”．

（3）解決問題．教師引導學生利用兩個力學傳感器對拉參與“拔河”比賽，精確測量拉力的大?。ㄟ^對比分析Dislab中兩力的曲線圖（“關于時間軸對稱”），認識到“拔河比賽中雙方的拉力大小相等，方向相反”．接著，由教師提供器材，學生動手實驗自主探究其他性質的相互作用力之間的關系，在實驗結束后由學生講解實驗方法及總結實驗結論．在解釋拔河比賽之前，教師再次讓男女學生進行“拔河比賽”，只是男生站在推車上，女生站在水平地面上，比賽結果是“女生輕松獲勝”．進而采用提問法，引導學生發(fā)現(xiàn)影響拔河比賽的因素“摩擦力”．

（4）解釋原因．教師通過課件展示拔河比賽雙方的受力分析圖，講解原因“當拉力大于摩擦力時，就會被對方拉動；當男生站在推車上整體的摩擦力小于站在水平地面時的摩擦力，從而被女生拉動”．

案例分析：案例2是在“牛頓第三定律”的新課教學環(huán)節(jié)運用了差異性實驗，其目的是為了消除錯誤的前概念“拔河比賽情境下作用力與反作用力的大小不相等”．教師利用“男生與女生拔河比賽”，暴露了學生錯誤的前概念，然后教師針對錯誤的前概念設計差異性實驗，讓學生用彈簧測力計進行拔河比賽，學生觀察到與前概念存在差異的實驗現(xiàn)象“示數(shù)基本相同”，造成認知沖突．由此激勵學生進行后續(xù)的探究活動，從而糾正學生錯誤的前概念，幫助學生全面理解“相互作用力的大小關系”，促進概念轉變．

在新課教學環(huán)節(jié)運用差異性實驗，體現(xiàn)了差異性實驗運用流程的4個環(huán)節(jié)，在引出觀念環(huán)節(jié)，暴露學生的前概念．在觀察實驗環(huán)節(jié)，利用差異性實驗造成學生的認知沖突．在解決問題環(huán)節(jié)，教師可以結合使用“教師主導型”與“學生自主型”的流程，由學生自主參與探究活動，或者教師演示實驗及分析現(xiàn)象．在解釋原因環(huán)節(jié)，教師對實驗現(xiàn)象的進行完整解釋或學生自主解釋，糾正錯誤的前概念，促進概念轉變．

4．3 課堂結束，拓展延伸

良好的結束是一節(jié)優(yōu)秀課的重要組成部分，教師可以在課堂結束環(huán)節(jié)利用差異性實驗置疑生趣或引導應用，從而引起學生更濃厚的研究興趣，擴寬學生知識面，培養(yǎng)學生運用所學知識解決實際問題的能力．［10］我們用案例3來說明如何在課堂結束環(huán)節(jié)運用差異性實驗，這里改編自第2屆全國中學物理名師教學大賽代虹主講的課題“力的分解”．

（1）引出觀念．教師展示一輛小車和吹風機，用小車模擬帆船，車的上面用紙板做帆，提出問題“若想讓小車向右運動，吹風機應該向哪邊吹風？學生回答“向右吹風，小車向右運動”．

（2）觀察實驗．教師演示“用吹風機對帆斜向右吹風，小車向左運動”，學生觀察到“小車逆風前行”（如圖3所示）．接著教師布置課后作業(yè)，要求讓學生將帆船逆風航行在課后做一個研究性課題進行研究．

案例分析：案例3是在“力的分解”結束的環(huán)節(jié)運用了差異性實驗，其目的是為了引起學生的疑問，引導學生運用所學知識解決實際問題．考慮到學生已有的生活經(jīng)驗“帆船是很難在逆風的情況下前進”，教師結合“力的分解”在帆船比賽中的應用， 設計差異性實驗“帆船逆風前行”，進一步激勵學生運用“力的分解”的相關知識解決疑問．但教師沒有對原因進一步說明，而是讓學生課后結合所學知識動手操作進行分析，將“力的分解”的學習延伸至課后活動．

在課堂結束環(huán)節(jié)運用差異性實驗，同樣主要體現(xiàn)了差異性實驗運用流程的前兩個環(huán)節(jié)，可以將后兩個環(huán)節(jié)延伸至課堂之外．注重運用解決問題環(huán)節(jié)中“學生自主”的流程，旨在提高學生的實驗能力．要求學生撰寫課題報告，即貫徹解釋原因環(huán)節(jié)，讓學生以書面語言解釋原因，通過查看學生的實物作品與書面報告，在課題的結題匯報中，教師可以了解學生對知識的掌握程度．

4 結語

教師將差異性實驗運用于物理課堂中，可以增強學生的學習興趣，提高課堂教學效率．教師在不同環(huán)節(jié)運用差異性實驗，首先應根據(jù)不同教學環(huán)節(jié)的教學目的，確定差異性實驗的應用目的．其次，教師以應用目的為基礎，結合不同環(huán)節(jié)的知識內(nèi)容采用逆向思維設計差異性實驗．最后，差異性實驗在不同教學環(huán)節(jié)的運用流程側重點不同，應該根據(jù)不同教學環(huán)節(jié)的教學要求側重于運用流程中的若干環(huán)節(jié)．但學生必須經(jīng)歷一個完整的流程，不能只利用差異性實驗引起學生的疑惑，而不解決學生的疑惑，反而會增加學生的認知負荷．所以，在保證學生可以經(jīng)歷完整流程的前提下，教師可以在不同教學環(huán)節(jié)對差異性實驗的運用流程進行調(diào)整，優(yōu)化該環(huán)節(jié)的教學程序并促進教學效果．教師在呈現(xiàn)差異性實驗過程中，還需做好引領者的角色，［11］引導學生參與差異性實驗的分析與解釋，避免學生思維發(fā)散的方向偏離課堂知識，影響教學進度．

1 李新鄉(xiāng)．物理教學論［M］．北京：科學出版社，2009：255－278．

2 J Wilson，Goz lez－Espada，B Jennifer，B Ignacio．Discrepant Events：A Challenge to Students Intuition［J］．The Physics Teacher，2010，48（8）：508．

3 A G Rauch，M S Schiering．Linking Cognition to Cognitive Dissonance through Scientific Discrepant Events［J］．Journal of Systemics Cybernetics ＆Informatics，2010，8（5）．

4 王宇辰．新課程標準下高中物理實驗教學現(xiàn)狀的調(diào)查研究［D］．華中師范大學，2015．

5 朱鐵成，胡曉娟．差異性實驗及其在物理探究教學中的運用［J］．課程·教材·教法，2008（10）：64－67．

6 胡曉娟．差異性事件在物理教學中的運用［J］．物理實驗，2005（12）：26－27，29．

7 C Chin．The use of discrepant events in teaching and learning science［J］．Teaching and Learning，1992，13（1）：51－57．

8 熊耀華．差異性事件在力學課堂問題導學中的應用設計［J］．物理教師，2013（5）：27－29．

9 Mancuso，J Vincent．Using discrepant events in science demonstrations to promote student engagement in scientific investigations：An action research study［J］．Dissertations＆Theses－Gradworks，2010：263．

10 張軍朋．中學物理微格教學教程［M］．北京：北京大學出版社，2009：225－236．

11 裘指揮，張麗．差異事件教學的角色定位與發(fā)展策略［J］．教育研究，2011（7）：95－98．

圖3

2016－06－19）