探究性教学中的“证伪”及其应用，本文主要内容关键词为：及其应用论文,探究性论文,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。
探究性教学中，假说是对事物或现象所作的假设性解释，其正伪必须接受理论和实践的检验。检验的结果有“证实”和“证伪”之分。“证实”是指收集到的实验材料或进行的理论分析对观点作出肯定性的判断，而“证伪”则是作出否定性的判断。从教育的角度看，“证伪”比“证实”更重要、更接近科学研究的本质，而“证实”只能说明观点和假说的学术价值。“证伪”在探究教学中有什么意义和价值？有些什么样的形态？如何开展“证伪”性教学？本文就这些问题谈谈笔者的认识。
一、探究性教学中“证伪”的意义和价值
1.有助于学生正确地理解科学的本质和形象
化学家戴维说：“我的那些最重要的发现是受到失败的启示而做出的”。凭着一两个事实就使假说得到证实而上升为理论，不见证伪性实验的踪迹，这是不符合科学研究真实的。事实上，在向科学进军的道路上，大多数的人和大多数的时间都花费在证伪性实验引发的对实验、假说的检讨、修正上。因此，只有证实的探究教学会使学生产生科学的道路是平坦的，发现科学理论是一帆风顺的错觉，从而曲解科学的本质，形成不正确的科学形象；而证伪性实验的设计与探究是对科学研究历程的模拟，有利于学生体验科学探究的曲折历程，从而正确理解科学的本质和形象。
2.有助于激发认知兴趣和产生认知内驱力
情感心理学指出，客体与预期的关系在很大程度上决定情绪发生的强度，当个体需要的有关事物出乎预期地发生时，几乎都能引起明显的情绪，且强度与超出预期的程度相关。在验证的两种可能结果——“证实”与“证伪”并存的背景下，证实才是对思维的最高“奖励”，成为学习动机的正强化物，但如果离开了这个背景，检验的结果总是证实，不出所料，没有悬念，就不会引起明显的情绪反应。因此，探究教学中适当设置物理观点、假说被证伪的情况，增加验证结果在学生心理的“事前未知性”，强化对检验必要性的认识，能有效激发学生的学习情绪（认识兴趣）。同时，由于“证伪”产生认知冲突，导致认知失衡，产生心理震惊和紧张感。为了解除这种“紧张感”，使认知结构重新平衡，学习者就会产生认知内驱力。这种认识兴趣和认知内驱力是学习内在动机中最现实、最活跃的成分，将鼓励学生充满热忱地从事学习和探究。
3.有助于培养学生的科学研究能力
证伪性实验所创设的问题情境往往有趣味性并与学生学习任务相联系。学生通过对证伪性实验所呈现现象的感知，成为问题发现者；由于强烈的认识兴趣和认知内驱力的推动，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。
4.有助于知识理解与创新
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。证伪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。因此，将证伪性实验融合在物理探究性教学中有助于学生对已有知识和习得知识的深刻理解，有利于开展知识创新的学习活动。
二、探究性教学中“证伪”的形态
如上所述，“证伪”是指在一定的情境里对观点、假说进行检验，而作出否定性判断。证伪可分为：理论型证伪，即通过理论分析的方法证明假说是错误的；实验型证伪，即通过实验的方法证明假说是错误的。从否定性判断的性质看，“证伪”又可分：“真证伪”，即由于观点、假说本身的问题，真的被推翻了；“假证伪”，即由于采用的实验、理论或使用方法本身的原因，导致未出现预期结果，造成假说被否定的假象。因此，综合两类标准可将证伪细分为四种形态：理论型真证伪，理论型假证伪，实验型真证伪，实验型假证伪。
1.理论型真证伪
根据一定的物理知识对一定的物理情境进行理论分析与推导，得到不同于假说或假说推论的结论；或先假定待证的观点是正确的，然后以此为据，再结合一定的物理知识进行逻辑推理，得到互相矛盾或与其他物理知识、事实矛盾的结论。
例如，伽利略根据观察经验提出“落体观点”：重物比轻物下落得快。他又运用理想实验揭露这一论断的内部矛盾——假设落体运动的情况正如亚里士多德所说，那么当将一个重物和一个轻物绑在一起时，既可以说因为重物比轻物下落得快，轻物就对重物有一个阻碍作用，所以重物要比原来下落得慢；又可以说，两个物体组成的系统比原来都要重，所以重物要比原来下落得更快。这是互相矛盾的两个结论，从而证伪了亚氏落体运动观点。
2.理论型假证伪
正确地应用不完全正确的物理知识观念或不完全正确地应用正确的物理知识观念进行理论分析与推理，得到不同于假说或假说推论的物理结论，从而对观点的正误性作出错误的判断。
例如，在光的波动说和微粒说的矛盾发展到最高潮，主张微粒说的数学家泊松根据波理论进行分析计算，得到结果：如果光是波，那么在传播路径上放一个圆盘状障碍物，在形成的黑影的中心应当有一个亮斑。泊松认为这是不可思议的，所以波动说是不可能正确的。这里泊松根据波理论所作的计算及得到的“亮斑”结论都是正确的，但“不可思议”的观念却是不正确的，导致光的波动说的“证伪”实则是一种假证伪。后来随着实验技术的发展，人们在实验室观察到“不可思议”的“泊松亮斑”时，无疑便成了光的波动说的最有力证据。
3.实验型真证伪
依据一定的物理原理有目的地设计实验，实施对“假说”或“观点”进行检验，得到不同于假说内容的结论，从而判断假说或观点是错误的。例如高中物理“单摆周期”教学，学习之前大部分学生认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）。教师可以利用证伪性实验引发学生探究学习，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。
4.实验型假证伪
依据一定的物理原理有目的地设计实验对“假说”或“观点”进行检验，由于实验本身的问题（如实验误差、精度或仪器设备等方面的原因），导致未出现预期结果，造成假说被否定的假象。例如，在“自感现象”教学中，验证学生关于“当线圈中电流变小时线圈中会产生自感电动势”的猜想，进行的如下假证伪实验。图1所示为“自感示教板”，图1(a)用来演示电流变大时产生自感现象，图1(b)是用来演示电流变小时产生自感现象，线圈A、B为变压器的两个原、副线圈。取
，变阻R=0。先闭合图1(b)中S，当打开S瞬间，发现灯
立即熄灭，这一实验结果与学生猜想预言“矛盾”（打开S后，线圈中电流变小，产生感应电动势，线圈与电灯相连，电灯应延迟熄灭）。
图1 自感示教板
三、“证伪”实验设计的原则
证伪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，证伪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。
1.内容“科学性、适应性”原则
证伪性实验的设计本身首先也要注意科学性，即使是对假证伪实验的设计。证伪性实验设计、操作、对实验现象的解释等不能有科学性的错误。例如观察扩散现象，往往用在盛水容器中滴入墨水来演示分子扩散现象。如果用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。因为扩散是两种物质仅仅由于分子的微观运动而造成的互相渗透的现象，用加热的办法，对流的作用可能就是主要的了。另外，还要考虑实验的内容是在学生的“最近发展区”内难易适度的内容，任何过深过难或过浅过易的所谓证伪性实验是不符合学生认知规律的，也难以起到证伪性实验的教学作用。
2.结论“差异性”原则
“认知冲突是概念改变过程的起点”。证伪性实验应暴露出学生原有的认知结构与实验结论之间的差异。因此，要先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证伪性实验。例如，在学习“电功率和电流、电压之间的关系”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25 W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。而证伪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。
3.目标“针对性”原则
在中学物理教学中，要有针对性地利用证伪性实验。要利用证伪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证伪性实验。例如在学习“电源的电动势和内阻”时，学生对电源内阻对电路的影响的感性知识很缺乏。为此可做证伪性实验：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。设计和运用证伪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。
证伪性实验的设计还要遵守趣味性原则和简易性原则。设计的证伪性实验要充分考虑学生学习的心理特点和认知结构，在设计证伪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，证伪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。
四、“证伪”在探究教学中的应用
根据物理学和物理教学的特点、证伪性实验的特点和功能，以及科学探究的特点，可以把证伪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。
1.运用证伪性实验的物理探究教学步骤如下
(1)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，选择并进行证伪实验。
(2)引导学生或师生共同提出问题。在运用证伪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证伪性现象，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。
(3)根据证伪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。
(4)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。
(5)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。
(6)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。
2.把证伪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；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；要引导学生参与证伪性实验，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。
例如，在“牛顿第二定律”教学中，验证学生关于“物体加速度与外力成正比”的猜想时，进行如下证伪性实验教学。
［证伪性实验］设计如图2所示实验验证“加速度与外力成正比”猜想。作用于小车上的拉力F=mg，m为钩码的质量，M=200g为小车的质量，木板水平。实验中，保持小车质量不变，通过改变钩码的个数来改变作用于小车上的外力，用打点计时器测出小车加速度（限于时间，只做两次实验进行比较）。
图2
［数据及处理］收集实验数据并作
形式处理，如表1、表2。
表1
表2
［评估与结论］由表可知，两次测量中不同，表明小车加速度与所受力不成正比，实验结果与学生猜想矛盾。
［猜想与假设］针对这一矛盾，教师引导学生从实验原理角度进行分析讨论，在教师的启发下，学生通过独立思考、交流讨论给出如下两个原因：(1)小车与平板间有摩擦力；(2)钩码做加速运动，钩码受到绳子的拉力一定比钩码的重力小，从而导致绳子作用在小车上的力小于钩码的重力。
［实验创新］师生共同探讨，对原有实验方案进行创新设计：(1)让平木板倾斜，运用小车的重力分力与小车受到的摩擦力平衡（要求细线不挂钩码时，小车在乎木板上做匀速运动）；(2)减小被挂重物的重力（即把钩码改为砝码），减小小车运动加速度。
［证实性实验］运用新的实验方案进行实验，得到如表1、表2所示实验数据及处理结果，两次近似相等，验证了“物体加速度与外力成正比”的猜想。