物理演示實驗教學中認知沖突策略的實踐研究

汪穎 彭曉春

【摘要】學生如何學習新知識呢？往往會嘗試運用已有認知結構去理解新知識，當無法用已有知識結構解釋新知識時，就會產生認知沖突。在物理課堂教學中教師可以通過演示實驗引導學生進入到認知沖突的狀態，又通過演示實驗走出了認知沖突的迷茫。演示實驗是揭示學生原有認知結構與新觀念對立的重要手段，“演示實驗是在學習者的面前引起日常生活中不可能經驗到的現象，違背學習者常識的實驗結果，將造成學習者意識中的認知失衡狀態，擺脫這種認知矛盾狀態求得解放的需求，就成了學習的動機”。課堂需要認知沖突，憤、悱狀態是學生處于最佳的認知和最強求知欲的時刻。演示實驗展現教材中新、舊知識點呈現的“矛盾”引發認知沖突;演示實驗展現學生猜想與實驗事實的“矛盾”引發認知沖突;演示實驗展現日常經驗性知識與科學知識的“矛盾”引發認知沖突。

【關鍵詞】物理演示實驗;認知沖突;實踐研究

一個人已建立的認知結構與當前面臨的學習情境之間暫時的矛盾與沖突就是認知沖突，是學生已有的認知與對新知識的理解之間存在某種差距而導致的意外與心理失衡。就高中物理教學而言，即學生原有物理知識結構與新知識之間存在的差異而產生的一種無法理解的心理茫然狀態。學生在學習新知識的過程中，往往會嘗試調動已有知識結構去理解新知識，當無法用已有知識結構解釋新知識時，就會產生認知沖突，就會產生解決新問題的渴求和欲望。教師應善于引發并利用學生的認知沖突，激發學生的求知欲，調動學生的學習積極性，重新建構已有的知識結構，打通“任督”二脈，走出茫然無措的狀態，讓新的知識精彩呈現，使課堂教與學的效果提升。

演示實驗是學生獲得感性材料的重要源泉，成功的演示實驗，讓學生印象鮮明而深刻，教師利用演示實驗引導學生進入到認知沖突的狀態，又通過演示實驗走出了認知沖突的迷茫。在物理教學中，揭示學生原有認知結構與新觀念對立的重要手段是演示實驗，“通過演示實驗在學習者的面前引起日常生活中不可能經驗到的現象，違背學習者常識的實驗結果，將造成學習者意識中的認知失衡狀態，擺脫這種認知矛盾狀態求得解放的需求，就成了學習的動機”。課堂需要認知沖突，憤、悱狀態是學生處于最佳的認知和最強求知欲的時刻。

1.演示實驗展現教材中新、舊知識點呈現的“矛盾”引發認知沖突

要展現物理教材中新、舊知識的矛盾，就一定要對新舊知識有充分的了解，使學生的新舊知識發生有效的聯系。

【案例】在上物理選修3-1時遇到這樣一個練習題（有刪減內容），

如下圖所示，電源電壓保持不變，小燈泡L1、L2、L3是相同的三只燈泡，當S 與S1閉合時，燈L1能夠正常發光，當S2、S3都閉合，燈泡L1亮度會如何改變？

學生認為：燈L1依然能夠正常發光，亮度不變。

原因分析：在初中物理所學的電路，主要是恒壓源，即總是認為電源的電壓是一個定值，所以當S2、S3都閉合，學生們此時還是認為加在燈泡L1兩端的電壓沒有改變，燈泡電阻不變，因而L1亮度不變。其根本原因是沒有考慮電源的內阻。

于是設計了如右圖所示的演示實驗：

1）閉合干路電鍵和某一支路電鍵，燈泡發光。

2）閉合干路電鍵和某兩支路電鍵，兩燈泡發光變暗了。

3）閉合干路電鍵和某兩支路電鍵，三燈泡發光明顯變暗了。

學生所觀察到的演示實驗的現象，與學生所得到的結論不相吻合，學生解釋不了，陷入迷茫。引入學生對閉合回路歐姆定律的研究與學習之中。利用演示實驗呈現了新、舊知識之間的矛盾，產生了認知沖突，引導著學生積極的思考，關注老師進一步知識的講解。

【案例】在講圓周運動的應用時，將“水流星”這個雜技表演節目搬到了教學課堂上，進行實驗演示。給杯子中裝水，周邊套上繩，讓杯子快速地在豎直面內作圓周運動，水流星在演示的過程中，學生紛紛躲閃，擔心水從杯中流出，結果快速轉動一會兒，發現即使經過圓周運動最高點時，水也沒有從杯子中流出。

老師引導發問：裝水的杯子經過最高點時，杯口朝下，為什么水不會漏出來呢？學生們陷入思考，并且放松了對水杯的戒備。老師逐漸降低水杯轉動的速度，一下子水又漏了出來，附近學生驚叫起來。老師再次發問：為什么現在水杯的水會漏出來呢？老師邊演示實驗邊引導學生思考。在以往舊知識中倒轉水杯，水是會漏出來的。可現在快速轉動水杯，水杯倒掛時不漏水，而緩慢轉動時，水杯倒掛水還是會流出。此時利用演示實驗展現教材中新、舊知識點呈現的“矛盾”引發學生的認知沖突。然后引導學生對最高點水的受力分析，揭開水流星的秘密。

2.演示實驗展現學生猜想與實驗事實的“矛盾”引發認知沖突

在物理學習的過程，學生利用已擁有的知識，對一些物理現象進行了猜想，可是結果卻“不可思議”。

【案例】在講《力的分解》時，“一指斷鋼絲”演示實驗，引導學生掌握力的分解規律。

師：上課前我們先來做個實驗。（展示鋼絲）這是一根鋼絲，請一位學生來試試能否將鋼絲拉斷，男生勁大，請一位男生來做這個實驗。（示意一男生甲）

男生甲：（戴上準備好的棉手套，使了很大的勁，臉漲紅了，可是鋼絲沒有拉斷）

師：（教師微笑著出招，按照上圖所示將鋼絲固定在A、B兩）下面我們請一位女生上來拉斷鋼絲。（示意女生乙）

女生乙：（女生在老師的引導下，從中部壓下，鋼絲瞬間斷裂）

全班學生：驚呼。（該現象超出了學生猜想結論之外）

師：太不可思議了，這位女生完成了剛才那位男生無法完成的事，這是什么原因呢？要揭開這個謎底，需要學習“力的分解”。

該實驗操作過程簡單明了，實驗現象清晰直觀，具有較強的視覺沖擊力，讓學生在“不可思議”中產生認知沖突，鋼絲是很難斷的，這是已有的認識，為什么現在用了這樣的方式，一位手無束雞之力的女生就能拉斷鋼絲呢？由此激發了學生學習的興趣，使學生處于憤悱的狀態之中，思維的火花等待著點燃。

【案例】在學習“超重失重”時，為了讓學生認識完全失重狀態，設計了一個演示實驗，一個盛水的塑料瓶兩側有小孔，當塑料瓶靜止放置時，小孔內會有水柱流出。

老師問：同學們，如果現在讓塑料瓶自由下落，小孔內還會有水柱流出嗎？

有學生回答：會啊。

老師演示實驗，學生對小孔進行觀察，學生驚奇地發現小孔內沒有水柱流出了。因為下落太快，學生觀察現象不明顯，于是用手機“慢動作”拍攝下來，然后放給學生們觀看，可以清晰地看到水柱在自由下落開始的瞬間就停止流出。學生感覺到“不可思議”。

老師引導：為什么塑料瓶自由下落時，小孔內沒有水溢出？是因為水對瓶沒有了壓力，如果液體受到重力而使內部存在壓力，小孔以上部分的水對以下部分的水的壓力造成小孔處的水流出。當瓶子自由下落時，瓶中的水處于完全失重狀態，小孔以上部分的水對以下部分的水沒有壓力，小孔沒有水流出。

老師進一步引導：完全失重狀態就是物體對支持物的壓力（或對懸掛物的拉力）為零的狀態。

在對完全失重狀態的認識過程中，先通過演示實驗打破學生認知平衡，讓學生處于驚異于現象而又難以理解的狀態，在老師引導重新建構了對完全失重的理解，使得學生的認知達到新的平衡，使認知得到了發展。

3.演示實驗展現日常經驗性知識與科學知識的“矛盾”引發認知沖突

有的學生在學習物理時是經驗主義，依據日常的經驗去思考問題，通過演示實驗展現“出乎意外”的結果，引發學生的認知沖突。

【案例】在講授牛頓第三定律時，找兩名同學做拔河游戲，其中一個是高大結實的男生，一個是瘦弱體重很輕的女生。結果男生輕松就贏了。

老師問：男同學為什么能贏女同學？

學生答：當然是因為男同學的力氣比女同學大，男生拉女生的力大于女同學拉男生的力。

老師接著做實驗，讓男同學穿上了溜冰鞋和女同學再進行拔河比賽，結果女同學輕松地獲勝了。

老師接著引導：男生拉女生的力大于女同學拉男生的力，那為什么女生獲勝了呢？

這時候，學生腦海里就產生了眼前的現象與自己頭腦中的預設不一樣的認知沖突。學生們會繼續思考決定拔河輸贏的因素究竟是什么？男生拉女生的力大于女生拉男生的力這個原因不正確嗎？帶著疑惑，學生們嘗試著通過努力學習解決疑難的問題。

【案例】在講“自感現象”時，通過“閉合電路后燈才‘逐漸亮，而斷開電路后燈卻‘不會立即熄滅”產生認知沖突，引導學生認識：“當導體中的電流發生變化時，導體本身就產生感應電流，這個電流總是阻礙導體中原來電流的變化”。

演示實驗一：通電自感現象

依據上圖電路圖連接實物，并逐一介紹給學生，清晰展示給學生。

觀察：開關接通時，可以看到什么現象？

現象：L2立刻亮，L1逐漸變亮。

認知沖突原因：為什么電鍵閉合后，L1沒有立刻變亮？以往的知識經驗是電鍵閉合燈就亮，與以往的知識產生了沖突。

演示實驗二：斷電自感現象

同樣依據上圖電路圖連接實物，并逐一介紹給學生，清晰展示給學生。

觀察：開關斷開時，可以看到什么現象？

現象：燈泡沒有馬上熄滅。

認知沖突原因：以往的知識經驗是電鍵斷開，電燈就熄滅，而現在開關斷開，燈泡沒有馬上熄滅，甚至比原來更亮了一些。

“通時不亮斷時亮”，通過演示實驗讓學生產生認知沖突，使學生更加明確了“阻礙”的含義：當通過螺線管中原來的電流I增大時，螺線管中產生的自感電動勢阻礙I 變大;當通過螺線管中原來的電流I減小時，螺線管中產生的自感電動阻礙I減小。

【案例】在研究沸點與什么因素有關時，準備好演示實驗器材：燒杯及內裝90℃以上的熱水、陶瓷杯、橡膠手套。

演示實驗：首先準備一燒杯溫度大于90℃的水，然后往針管中吸入些許熱水，戴上手套，用手堵住小口處，用力向外拔針管的活塞，發現針管中的水竟然沸騰了，熱水在沸騰冒泡。學生感覺到非常吃驚。

認知沖突原因：水的沸騰在學生以往的經驗知識中，往往需要對水進行加熱才能使水沸騰。而此時并沒能對水加熱，水卻沸騰起來，讓學生感覺到茫然。

通過老師引導，使學生明了，水要沸騰，必須要達到水的沸點，在標準大氣壓下，水的沸點約為100℃，但沸點會隨外界壓強變化而改變，壓強變低沸點也會隨之降低。在以上演示實驗中針管中加入未沸騰的熱水之后，堵住一頭，將活塞用力外拉，針管內的空氣體積變大，壓強變小，從而導致水的沸點降低，于是針管內的水開始沸騰了。

學生在學習新的知識之前，頭腦里已具有一定的認知結構，學生會利用已有的知識結構來分析理解新的知識。如果是原有的認知結構無法解釋新知識，那就會產生認知沖突。認知沖突打破了學生原有的認知平衡，促使學生的認知結構得到發展而達到新的平衡。要有效引發學生的認知沖突，就得了解學生已有的認知結構或者認知經驗。

參考文獻：

[1]薛燕敏.基于認知沖突下的物理課堂教學[J].中學物理，2014（2）：12-13.

[2]季渴.物理教學中認知沖突策略研究[D].大連：遼寧師范大學，2011.

[3]趙緒昌.認知沖突的教學意義及其實踐策略[J].課程教學研究，2014（10）：57-61.