基于認知沖突培養學生的科學思維

周潔

[摘 ? 要]在教學過程中，通過情境創設引起學生一定的認知沖突，可以幫助學生理解教材，并駕馭教材。文章以“揭秘重心奧秘”為例，通過情境創設、問題產生、質疑評價、內化提升這四個步驟，探討基于認知沖突的學生科學思維的培養策略。

[關鍵詞]認知沖突;科學思維;重心奧秘

[中圖分類號] ? ?G633.7 ? ? ? ?[文獻標識碼] ? ?A ? ? ? ?[文章編號] ? ?1674-6058（2020）32-0056-02

教師在教學過程中要以學生原有認知為基礎，設置對學生來說具有一定的情感特征的，能夠激起學生認知沖突的外部環境，【1】以幫助學生認識概念及規律，進而駕馭基本知識，掌握相關技能，而不是被知識牽著鼻子走。在初中物理教學過程中，如果能夠在情感上激起學生認知沖突，形成科學的認知結構，最終使學習的概念及規律得以科學建構，就能使學生的身心得到發展，進而培養學生的科學思維，提升學生的核心素養。

一、產生認知沖突的幾種情形

認知沖突是指學生學習的新知識或新情境與已有認知結構不能相互融洽，導致學生對將要學習的新知識存在不同想法的客觀現象，如果能夠有效利用學生的認知沖突，將會使教學產生事半功倍的效果，因為學生在這種情況下記憶猶新，理解深刻，產生新的思維。生活中使學生產生認知沖突的幾種情形。

1.對學生認知結構掌握不深刻

教師在備課時要充分考慮學生的原有認知結構，新授課的內容是否能夠利用原有認知結構，幫助新授課順利進行，不能僅僅考慮知識與分數，讓知識孤立于原有認知之外，這樣的物理課堂是一種機械式宣講，談不上什么科學思維，這樣的教學何談核心素養的培養。

2.創設的情境與學生認知結構不匹配

現在物理課堂教學引入的方式之一就是創設情境，然而創設的情境一定要考慮學生的認知結構，不與學生的認知相匹配的情境將不利于課堂教學的開展，只能是單純地教授知識，這樣的學習，會使學生產生厭學情緒，使學生失去學習興趣。

3.學生認知結構與思維發展不相適應

初中階段，是學生由形象思維向抽象思維過度的階段，教師應認清學生的認知結構，將課堂教學與學生的抽象思維相結合，通過適量訓練，培養學生的科學思維。

二、認知沖突下學生科學思維的培養

培養學生思維能力的教學流程如圖1所示。

【創設情境】

雜技演員在表演時，手拿一根細竹竿，在竹竿的尖端頂著一個旋轉的瓷盤，演員在做各種動作時，盤子卻不會掉下來，這是為什么呢？

【產生問題】

倘若我們在欣賞雜技演員精湛的藝術表演的同時，思考相關問題，仔細琢磨其中的物理原理，揭開“雜技之謎”，會更加覺得趣味無窮。

選用細且較長的竹竿，主要是控制竹竿的重心位置，使竹竿的重心處于較高位置。

關于物體的重心，涉及以下幾個問題。

（1）如何確定重心的位置？

重心是重力的作用點，質量分布均勻、形狀規則的物體的重心就在它的幾何中心上。形狀不規則的物體的重心可以用懸掛法來確定，如圖2所示是懸掛法尋找重心的方法;也可以采用支撐法來確定物體的重心，即將形狀不規則的物體按如圖3的兩種方法確定重心O。

（2）重心是否一定在物體上？

重心是重力的等效作用點，是力的三要素之一，根據物體的形狀、質量分布等可以判斷出重心可以在物體上，也可以不在物體上。例如均勻規則的圓環，重心在其圓心處，不在圓環上;均勻規則的直角三角形，重心也在略靠近中心的空心處。

（3）重心的位置一定不變嗎？

一般情況下，靜止不動的物體重心的位置是不會變化的，但是，如果物體的位置發生變化，重心的位置是可能會發生變化的，如人在走路時，重心的位置是會時高時低的，即單腳著地時重心的位置高點，雙腳著地時重心的位置低點;彎腰時重心的位置會變低。

（4）重心的位置對物體的穩定度有影響嗎？

改變重心位置，可以改變物體的穩定度，比如一般大型卡車在運載貨物時，往往會將較重的物體堆放在卡車的下部，而將較輕的物體堆放在較重物體的上方，這樣可以降低卡車運載貨物的重心，提高卡車在運行過程中的穩定性。

【質疑評價】

李吉林老師認為“情境教學就是創設典型情境，激發學生強烈的求知欲，把情感活動和認知活動結合起來的一種教學模式”。這種教學模式能夠在一定程度上激發學生的情感，在學生原有經驗知識與現有認知水平之間產生認知沖突，進而解決師生、生生與生本之間無法科學有效建構的問題。這就要求教師在教學過程中充分認清學生原有的認知結構，創設適合學生的情境，這種情境既能激起學生對新知識的探究欲望，引發學生的認知沖突，又能提升學生自主學習與終身發展相一致的核心素養，如圖4所示，這樣基于情境創設，激發學生認知沖突的教學策略，提升了學生的學習興趣。

如圖5是玩具“不倒翁”，被扳倒后會自動立起來的奧秘是重心較低，不易傾倒，原因是當傾斜相同的角度時，重心低的物體不易超出它的底部支撐范圍，因而不易傾倒，所以重心越低越穩定。然而，在竹竿頂碟的雜技表演情境中，雜技演員需要選用細且較長的竹竿來表演雜技，細且較長的竹竿重心較高，雜技演員怎么能輕松自如地控制竹竿來表演雜技呢？這不是與“重心越低越穩定”相矛盾嗎？

【內化提升】

重心的高低對物體的穩定度是有影響的，其實重心越低越為穩定，重心越高越容易控制平衡，即改變重心位置，提高物體的穩定程度，即重心位置越高，越容易控制平衡。如雜技表演，一個演員頭頂一根竹竿，竹竿頂端上還有一個人，由于重心很高，如果發生傾斜，倒下的時間較長，下面的人就有較多時間調整，反之，如果竹竿很短，下面的人就很難控制，這就像用手指頂根鉛筆，鉛筆很難被頂立起來的一樣。

比如，在如圖6所示的情境中，旅游登山時背囊中的物品有輕有重，應該怎樣擺放才能使人不易向后傾倒，應該怎么辦？

旅游登山時由于背囊中的物品受重力作用，這時人有向后傾倒的趨勢，為了不使人向后傾倒，人要稍微向前彎曲，這時為了使人能夠保持平衡，就應使物品的重心與人的重心在一條直線上，如圖6是作出人的重力示意圖，這里需盡可能使物品的重心在人的重力作用線上，即把重的物品放在背囊上部，如果把重的物品放在背囊下部，此時物品的重心離重力作用線距離偏大，人容易傾倒。

這種情況就如同一位學生站在墻邊，身體豎直靠緊墻壁，將外側的腳抬起，如圖7所示，這位學生將會傾倒，也是由于人的重心偏離平衡位置，在重力作用下產生傾倒現象的原因。

揭秘重心奧秘：基于情境創設揭秘重心的奧秘可以歸納為以下三點：（1）重力的等效作用點是重心，均勻規則直棒的重心在棒的中心處;不均勻物體重心的位置，與物體的形狀、質量分布等有關，可以通過懸掛法找到其重心位置;（2）物體的重心可以在物體上，也可以不在物體上，比如質量分布均勻的圓環重心在圓心處，不在圓環上;（3）重心的高低對物體的穩定度是有影響的，重心越低越穩定，重心越高越容易控制平衡，即控制物體的穩定程度需要降低重心，保持物體的平衡程度需要提高重心。

情境創設對激發學生認知沖突有著不可替代的作用，更為教師的教與學生的學架起一座連心橋。因此，教師在教學過程中應創設適合學生的情境，激發學生的認知沖突，使學生成為主動學習的研究者和尋覓人，進而為學生的終身學習打下良好的基礎。

（責任編輯 南 賓）