引發認知沖突發展科學思維

2018-06-14 04:54:08田成良

物理教師 2018年5期

田成良

(北京市海淀區教師進修學校，北京 100080)

隨著新一輪課程改革的推進,我國頒布了《中國學生發展的核心素養》框架,其中物理學科核心素養明確提出,發展學生科學思維的要求,要求從物理學科視角對客觀事物的本質屬性,掌握內在規律及相互關系,要基于事實證據和科學推理對不同觀點和結論提出質疑、批判,進而提出創造性見解的能力與品質．與此同時,教育部也在全國推廣“深度學習”項目,深度學習也是指向學生思維的發展,研究如何讓學習真正發生的問題．如何發展學生的思維,讓學生開展深度學習呢?筆者認為,引發認知沖突是激發學習欲望、發展學生思維的重要手段和途徑．

認知沖突是一個人已建立的認知結構與當前面臨的學習情境之間產生的無法同構的矛盾與沖突,是已有知識和經驗與新知識之間存在某種差距而導致的心理失衡．學生在學習新知識之前,頭腦中并非一片空白,而是具有不同的認知結構,學生總是試圖以原有的認知結構來同化對新知識的理解．當遇到不能解釋的新現象時,就會打破之前低層次的“平衡”產生新的“沖突”,通過“沖突”不斷化解實現新的平衡與發展．引發認知沖突的策略有哪些呢?筆者通過對自己的教學經驗和優秀案例梳理,整理如下.

1 鏈接新舊知識,引起認知沖突

學習物理之前,學生通過已有知識,以及對日常生活的觀察,對很多物理現象便已有了自己的認識,這就是前概念．教學中,若能抓住學生已有知識,基于這些前概念,提出一些出乎學生意料的物理問題,往往會引發學生強烈的認知沖突,從而帶來很好地教學效果．

圖1

例如學習“閉合電路歐姆定律”一節時,學生在初中已經學過歐姆定律,并且已經運用得很嫻熟了,所以一開始要讓學生對新的學習的課題抱有求知欲.那么，怎么產生求知欲呢?把如圖1所示的元件放在黑板上,臨時組裝一個簡單的電路．燈泡正常發光,然后又加了第二節干電池,開關先不閉合,先問學生:“如果把開關閉合,這個小燈泡的亮度會有什么變化”?學生認為電壓表的示數肯定要比原來更大啊,有的說要燒壞,結果開關一閉合,燈泡卻比原來更暗了,造成了極大的認知沖突,這是為什么呢?并且看到電壓表的指針比原來更小了,為什么兩節干電池,反而比一節干電池更暗呢?原來那么高的電壓,去哪里了呢?這些都是新的問題,根據學生初中已有的知識已無法回答．也就是說學生遇到了一個知識臺階,這種臺階就使他們產生一種學習的需求,心里不平衡,想要消除這種不平衡．這時候需要教師指明方向,原因在哪里?很明顯,只有深入到電源內部去找原因.在初中,我們是不管電源內部情況的,但是高中物理,電源也要在我們研究的范疇里．所以要把整個電路作為我們的研究對象,學習與全電路有關的電學規律．短短幾分鐘一下讓學生意識到新的學習內容對他的意義究竟何在．

2 利用生活素材,引發認知沖突

學生在生活中憑直覺和不夠嚴密的概括形成了原始的認知結構．教師可以把課堂和學生的生活聯系起來,引發學生的認知沖突,使學生意識到新經驗與原有觀念的不一致,從而激發他們產生學習的心理需求．下面事例是預料之外的,但是又在情理之中的,如果能夠產生這樣的效果肯定是很好的一種．

圖2

例如在學習“重心”時,學生在初中就掌握了重心的知識,但經常犯錯,所以針對這種情況設置了一個認知沖突情境,取一段PV管(如圖2所示),問學生它的重心在哪里?學生說:“在中點”,然后把它擱到桌子上,中點剛好在邊緣上,教師接著問:“如果放手后還能保持平衡嗎”?學生說:“可以的”．放手后PV管仍然穩穩地在那里．然后把管子向外拉出一截,大半截在外面,然后再問學生“如果這個時候放手它還能夠平衡嗎”?學生異口同聲答“肯定要倒啊”．結果一放手,管子仍然穩穩地停在那里,這時候大家目瞪口呆．很快有人提出,這個管子里面肯定有東西,果然發現管子根部有一段金屬圓柱體塞在里面．然后再問學生:根據這個實驗你得到什么啟發?通過這個事例,學生自然就理解了重心的位置跟質量分布有關．經常把質量分布疏忽掉,容易犯錯誤.這個現象讓學生掉進了知識陷阱,吃一塹長一智,這是一種認知沖突．

3 通過物理實驗,引發認知沖突

在物理實驗教學中, 常會在學生面前呈現出日常生活中不可經驗得到的或意想不到的新現象．而學習者要用原有認知結構去同化、解釋這些新現象, 往往感到困惑、迷惘,進而引發認知沖突, 使學生產生強烈的探究欲望．

圖3

例如在學習“靜電屏蔽”時,學生已經對靜電平衡有了一定認識,知道靜電平衡時,導體內部電場為0,內部表面沒有電荷,電場線只能在空腔之外．在此基礎上,可以利用實驗進行拓展,引發學生的認知沖突,為使學生加深對靜電屏蔽的認識,進行以下操作:在絕緣支架上放一個金屬罩,把驗電器放在罩內,用導線連接驗電器的金屬球和金屬罩的內側,如圖3所示.用摩擦過的帶電體接觸金屬罩上面的金屬體,發現驗電器的指針不張開,說明靜電屏蔽有效果．然后,把驗電器留在罩內不動,只是把接金屬罩的導線改接在外側,問學生,如果再給金屬罩帶電,驗電器的指針會張開嗎?學生認為,導線接帶電的金屬罩外側,驗電器帶電,指針肯定會偏轉．實驗結果卻發現給金屬罩帶電,指針并不偏轉．為什么不帶電呢?學生發出驚訝的聲音．此時教師不用回答,接下來把驗電器放在外面,用導線把驗電器的金屬球和金屬罩的內側連接,問學生“如果再給金屬罩帶電,驗電器會張開嗎”?學生以為,由于導線接在金屬罩的內側,內部不會帶電,所以驗電器不會帶電,指針不會張開．教師接下來,用實驗驗證猜想,發現指針卻偏轉了,為什么驗電器接金屬罩的內側,還帶電呢?學生一臉滿然．這時教師,再讓大家重新思考,什么是金屬殼的內外?由此,學生會對靜電平衡和靜電屏蔽的知識有一個更深的認識．

4 借助直觀手段,引發認知沖突

在教學過程中, 運用實物、掛圖、模型、投影片、錄像、多媒體課件等提供的直觀形象, 揭示學生的前概念與科學概念之間的差異和矛盾, 也能創設問題情境, 引發學生的認知沖突．

例如在學習“點電荷的電場”時,借助直觀的輝光球即可引發沖突的效果．首先用測電筆接觸教室內火線,氖管發光,然后把氖管取出,問學生,不接觸火線或電源,氖管能否發光?學生認為,氖管不接觸電源不可能發光．這時將高頻、高壓電加在輝光球中心電極上,在很短的時間內可以把它當靜電場處理,然后把氖管放在發光的輝光球附近,發現氖管被“點燃”(如圖4所示),學生發出驚訝的聲音,“不接觸電源怎么能發光呢”?改變氖管與輝光球的距離,看到氖管發光程度不同．教師引導學生從靜電場的角度思考,沿電場線,電勢有什么變化,從而理解氖管發光的原理．

圖4

接下來,教師問:“用泡沫板隔在輝光球與氖管之間,氖管還能發光嗎”?學生有的認為不能發光,有的認為能發光.這時教師演示,用泡沫板擋住,氖管仍能發光．教師問如果用鋁板擋住氖管,還能發光嗎?接下來,教師演示操作,發現氖管不發光了,于是學生認為金屬鋁板能擋住電場．這時教師讓學生上講臺模擬演示,卻又發現氖管仍能發光．到底鋁板能不能隔氖管發光呢?這種矛盾的現象又怎樣解釋呢?學生陷入了迷茫,無法解釋．這時教師揭秘,原來教師操作時,用一只手接觸了鋁板,把板上的電荷導走了,鋁板不帶電荷,氖管一側不會有電場,所以氖管不發光．這種做法,形成了鮮明的對比,實驗現象明顯,激發了學生的求知欲,更深度發散了學生的思維．

5 通過科學魔術, 引發認知沖突

科學魔術是科學和魔術的結晶,依托于自然科學,但它又不同于簡單的實驗

操作,它用獨特的神秘外套將實驗的內容隱藏起來,引人入勝卻又讓人感到深不可測．引發學生的認知沖突,激發強烈的求知欲望,留下深刻的印象．

圖5

在學習“平面鏡成像”一節時,為激發學生的求知欲望,在引課環節,可以對物理實驗進行“包裝”,開發設計成科學魔術．表演過程如下:給學生展示一個空魚缸,向里面加滿水,問學生,我能從空魚缸中變出金魚來,你信嗎?學生半信半疑,目不轉睛地盯著魚缸．接下來,用一塊毛巾蓋住魚缸,然后轉動魚缸讓大家觀察,有無問題．接下來,喊1、2、3把毛巾拿開,水中出現了幾條活潑的金魚,游來游去．此時,學生不僅想問,鮮活的金魚哪里來的呢?教師問:想知道其中的道理嗎?學生異口同聲地說：“想”,此時他們的求知欲已經被激發出來了．最后給大家揭秘,魚缸的結構如圖5所示,中間隔了兩塊平面鏡(背面貼近),先把金魚放在魚缸的內側,由于平面鏡不透明,觀眾在前面看不到金魚,但由于平面鏡成像的原理,誤認為看到的是整個魚缸的空間．用毛巾蓋住魚缸,然后轉動魚缸,把裝有金魚的那側轉向觀眾,拿掉毛巾,金魚就“變出來了”．這樣,不僅能激發學生的學習興趣,拓寬知識的視野,還能加深了對平面鏡成像知識的理解．