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例谈物理概念教学的对比实验途径

摘要：要让学生深度理解与掌握物理概念,必须立足于相应表象的建立.通过适切的对比实验来引发认知冲突,“启思引探”,是促进学生深度建构物理概念的有效举措.主要途径有：创设反常性对比实验,调动学生思维的积极性；创设易混性对比实验,优化学生思维的品质；创设同质性对比实验,挖掘学生思维的深度；创设类推性对比实验,发展学生思维的广度.

关键词：对比实验反常易混同质类推

物理概念是大量物理事实及复杂物理现象本质属性的反映.物理概念的建立首先是对客观世界的观察或实践的感知；然后,知觉在思维活动的参与下内化为表象,进而通过思维活动的反复作用建构物理概念.因此,要让学生深度理解与掌握物理概念,必须立足于相应表象的建立.中学生的思维正处于由具体运演向形式运演的过渡阶段,他们习惯于借助实物操作来思考问题.因此,通过适切的对比实验来引发认知冲突,“启思引探”,是促进学生深度建构物理概念的有效举措.其主要途径如下：

一、反常性对比实验：调动思维积极性

反常性对比实验是指与学生前概念相悖的实验.在教学中设置反常性对比实验,通过意料之外的反常现象“煽风点火”,调动学生思维的积极性,引发学生探究的.久而久之,学生就可逐渐形成一种勤于思考、乐于探索的优秀学习习惯.

例如,教学“失重现象”时,教师演示：在矿泉水瓶的底部侧面开两个小孔,用手堵住小孔后在水瓶中装满墨水,打开小孔后让墨水喷射而出.然后提问：墨水为什么能喷出？学生回答后,教师指名两位学生到讲台上,正对着站立,然后让装满墨水的矿泉水瓶在两人中间下落,参与的学生有点紧张.但水瓶从高处下落过程中,小孔竟然不漏水.这一反常现象极大地冲击了学生的认知,让他们开始不由自主地讨论起来.教师不失时机地发问：墨水为什么不漏了?是什么“堵”住了小孔?其中有何奥秘?顺势展开教学.

二、易混性对比实验：优化思维品质

奥苏伯尔指出：“教学的艺术大部分在于使新问题的困难程度大到足以激发思想,小到加上新奇因素自然地带来的疑难,足以使一部分学生得到一些富于启发性的立足点,从此产生有助于问题解决的建议.”易混性对比实验是指条件及操作过程表面上相同但本质各异,而结果大相径庭的两个实验.这样的对比实验常常会使容易粗心的学生置身于“云”里“雾”中.要想跳出思维的迷惘,打破旧的思维模式,就得重新审视实验条件、操作过程、推理依据和思考过程.这样一来,便可以优化学生的思维品质.

例如,教学“电流表内、外接法”时,教师提出课题：如何测量电阻？学生设计实验,呈现两种方案：电流表外接（如图1）和电流表内接（如图2）.教师据此将学生分为甲、乙两组,让各组学生分别按照自己设计的电路图连接好电路.第一次实验,测量10Ω的定值电阻（事先未告知电阻值）,甲组的测量值为9.9Ω,乙组的测量值为14Ω.对比后,学生发现有点差异.为什么呢?很多学生心里已经打上了大大的问号.第二次实验,测量10kΩ的定值电阻（同样未告知电阻值）,甲组的测量值为5.5kΩ,乙组的测量值为10kΩ.学生不由得提出质疑：“初中物理学习中,不是内、外接法都可以吗?为什么现在的测量结果会相差如此悬殊?”此时,教师组织学生对测量数据和测量电路进一步分析讨论,最后达成共识：初中物理学习中,并没有考虑电表内阻的影响；而实际上,电表的电阻对测量结果有较大的影响.当被测电阻远小于电压表内阻时（如第一次测量实验),应选择电流表外接,此时由于电压表的分流作用,电阻测量值小于真实值；当被测电阻远大于电流表内阻时（如第二次测量实验）,应选择电流表内接,此时由于电流表的分压作用,电阻测量值大于真实值.

三、同质性对比实验：挖掘思维深度

物理概念教学要引导学生进入概念的深处,使其能够透过事物错综复杂的表面现象洞悉内在本质.同质性对比实验教学指的是向学生展示一类表面现象由几种因素决定,而且反映本质特征的现象与反映非本质特征的现象纠缠在一起,甚至反映非本质特征的现象比反映本质特征的现象更为明显的实验,让学生由观察现象来分析原因；然后根据学生可能出现的判断困难或判断错误,再向学生演示另一类表面现象不同但内在本质一致的实验,让学生进一步比较辨析,去伪存真,从而把握实验所反映的事物的本质属性,挖掘学生思维的深度.

例如,教学“摩擦力产生的条件”时,教师先让磁性黑板擦沿墙壁下滑,提问学生黑板擦和墙壁之间是否有摩擦力,然后将黑板擦吸在黑板上,提问学生黑板擦和黑板之间是否有摩擦力（如图3）.有学生说：都有摩擦力,且前者摩擦力比后者小一些,因为摩擦力产生的条件是表面粗糙、相互接触、有相对运动或相对运动的趋势,且压力越大,摩擦力就越大.这说明了学生的前概念是片面的.此时,教师没有直接纠错,而是出示一个装满水的雪碧瓶,让学生不提瓶口,不托瓶底,单手握瓶身,将瓶提起,并做到水不溢出（如图4）.学生参与活动后,纷纷表示“做不到”；交流原因后,充分明确“没有挤压（压力）,就不可能有摩擦力”.教师再回过头来提问：现在请同学们思考,老师第一次实验的黑板擦有没有受到摩擦力呢？从而使学生深刻了解摩擦力产生的条件.

四、类推性对比实验：发展思维广度

类推性对比实验是指由指向学生“最近发展区”的原始问题情境设计一个研究视角,即根据学生的认知特点,针对同一物理过程设置几个逐渐接近其本质特征的实验,使学生的思维在实验的引导下由浅入深、层层推进,最终养成对物理事件刨根究底、追本溯源的思考习惯,提升触类旁通的迁移学习能力.

例如,教学“互感现象”时,教师将变压器的输入端接在稳定直流电源的输出端,连接好电路（如图5),然后提出问题：闭合开关,变压器输出端的小灯泡是否会发光？为什么？学生预测：副线圈中没有变化的磁场,小灯泡不会发光.教师闭合开关,小灯泡真的不亮.学生很高兴.接着,教师反复闭合与断开开关,小灯泡又亮了起来；加快闭合与断开开关的频率,小灯泡变得更亮.学生很诧异,师生展开讨论后达成共识：当一个线圈中电流变化时,在另一个线圈中产生感应电动势的现象,称为互感现象.此时,教师提出类推性实验（如图6）：音箱与手机不直接连接,音箱能响起手机中的音乐吗？为什么？帮助学生理解“互感”的本质,发展思维的广度.

*本文系江苏省教育科学“十三五”规划重点课题“高中物理概念学习的深度教学实践研究”（编号：B-b/2016/02/51）的阶段性研究成果.

参考文献：

［1］【美】奥苏伯尔等.教育心理学——认知观点［M］.佘星南,宋钧译.北京：人民教育出版社,1994.

［2］李松林.深度教学的四个基本命题［J］.教育理论与实践,2017（20）.

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