利用認知沖突有效教學 落實物理學科核心素養

徐瑞璟 李春密

摘 要：認知沖突是進行概念轉變教學的基礎，隨著物理學科核心素養的提出，利用認知沖突進行有效教學為核心素養的落實提供了一種可行的教學策略.以“自由落體運動”為例，展示如何通過演示實驗、問題引導、追溯物理學史等方法創設認知沖突，激發學生主動學習的積極性，發展學生的物理學科核心素養.

關鍵詞：認知沖突;物理學科核心素養;自由落體;有效教學

中圖分類號：G633.7 ? ? 文獻標識碼：B ? ? 文章編號：1008-4134（2021）11-0048-03

隨著課程改革的深入推進和立德樹人根本任務的落實，物理學科核心素養的受重視程度與日俱增.物理學科核心素養是學科育人價值的集中體現，是學生通過學科學習而逐步形成的正確價值觀、必備品格和關鍵能力.為了落實培養學生的物理學科核心素養，設置認知沖突不失為一條有效的教學策略.認知沖突能夠激發學生的學習內驅力，讓學生集中注意力主動探索問題，促進學生物理認知結構的優化，利于教學的有效落實.因此，利用合理的認知沖突引導學生有目的地探究學習，是發展學生物理學科核心素養重要的教學手段.教師可以通過新穎有趣的演示實驗、批判思辨的問題引導、生動形象的物理學史來創設認知沖突，為物理教學創造良好的條件.

1 認知沖突的內涵

認知沖突是認知發展過程中，學習者原有認知結構與現實情境之間的沖突或矛盾，是已有的知識經驗與新知識不一致而暫時心理失衡的一種認知狀態.皮亞杰在認知發展理論中提出了“同化”和“順應”兩個過程，認為學習是在原有知識和思維基礎上構建認知結構的過程，而認知則是在對知識連續的同化和順應中得以發展，最終達到外界與認知結構的較高水平的平衡.因此，要學習即同化新的知識，就需要對已有的觀念進行調整和轉變.費斯汀格在認知失調理論中提出，當學習者認知失調時，不和諧感會迫使個體去消除這種失調的感受.所以，建立認知沖突就是人為制造認知失調，讓學生產生學習的內在動機，主動去解決認知沖突，有效進行概念轉變，達到高效學習的目的.

學生在正式學習之前并不是一無所知，而是已經具備了一定的生活經驗，對于物理問題有一定的認知和解釋，即被稱為“前概念”.其中部分經驗是正確的，但對于中學生來說，大多數認知并不符合科學知識.科學學習不僅是在頭腦中建構正確概念，更重要的是轉變學生持有的錯誤概念.如何把錯誤的前概念轉變為正確的科學知識，重建學生的知識體系，對教師的教學手段和方法提出了更高的要求.在概念轉變的教學策略中，教師可以利用認知沖突進行教學，以學生為主體，從學生的前概念入手，準確創設基于生活的物理情境，同時挖掘不同于前概念的現象本質引發認知不平衡，真正激發學生的學習動機和興趣，最大化地提高課堂效率，讓學生產生自主學習的欲望，從而加深對科學概念的印象，完成錯誤前概念的轉變，優化學生的物理認知結構，發展正確的物理觀念和科學思維.

2 建構基于認知沖突的物理教學模型

波斯納提出概念轉變的條件為：學習者對原有概念的不滿，以及新概念的可理解性、合理性、有效性.Tsai基于波斯納的概念轉變模型提出了四個解決認知沖突的條件：對科學概念有基本理解;學習過程有批判性事件或解釋;關聯科學概念;找到其他支持性認知.認知沖突的創設要在了解學生前概念的基礎上，教師首先需要充分了解學生學情，精準分析和把握錯誤前概念，基于學情創設物理情境，提出問題讓學生解釋，在討論過程中構建認知沖突的不平衡狀態，從而讓學生在尋求解答中同化新知識，最終構建新的概念.

另外，在創設認知沖突的時候應注意考慮學生的獨立解決問題的現有水平與指導下可能發展水平的差異，即維果斯基提出的“最近發展區”，在學生的能力范圍內，讓學生產生學習的興趣和信心，感受到解決認知不平衡問題的成就感.在此期間，教師引導學生構建模型、關聯概念，啟發學生思維，評估學生的認知并對批判性問題加以修正和解釋，保持學生探索新知識的積極性，培養學生的物理學科核心素養.

2.1 通過演示實驗激發認知沖突

物理演示實驗是為了展示物理現象，揭示物理的發生發展過程，引導學生進行觀察思考，并配合教學內容而由教師操作示范的實驗，它是物理教學中最富有活力的部分.一個好的演示實驗可以對教學起到很好的輔助作用，不僅能豐富學生的生活體驗、加深對物理現象的直觀感受，還有利于激發學生探究問題的積極性和對物理學科的興趣.教師一方面可以利用傳統實驗激發學習興趣，立足教材的演示實驗，培養學生認真觀察、積極思考的核心素養;另一方面可以通過現代化的教育技術深度挖掘和改進教材實驗培養學生的核心素養.其中基于生活現象的物理情境更能引發學生的共鳴，教師可以從學生身邊熟悉的現象著手，得出與學生認知完全不同的現象，通過創設認知沖突，引導學生將注意力集中到所研究的對象和物理現象上，引發學生積極主動的思考.

在新課引入環節，教師可以選擇有趣的演示實驗激發學生的興趣，以一個魔術形式的演示實驗迅速吸引學生的注意力.由于實驗現象出乎意料，與學生的生活經驗不符，從而產生強烈的認知沖突，讓學生對課堂內容產生興趣.從學生有親身感受的一些生活現象導入演示實驗，可以誘發他們探究問題的欲望，加深對該問題的印象.在學過相關內容之后，引導學生對演示實驗進行回顧解釋，發現魔術也是源于科學原理，發展科學思維的同時進行了破除迷信熱愛科學的唯物主義教育.

例如，在自由落體運動的新課教學中，常用的方法是通過列舉生活中物體下落的例子，直接給出落體運動的概念.學生容易受生活經驗的影響，沒有經歷概念轉變的過程.根據認知沖突教學策略，可以選用水和水瓶自由下落的實驗，讓裝滿水的有一個孔的礦泉水瓶自由下落，讓學生觀察漏水的情況.學生根據生活經驗錯誤認為水會一直流出，對此實驗現象感到好奇，實驗中學生注意力集中.對于水瓶下落太快難于觀察的問題，可以在水中添加紅色顏料，以白紙做背景，再用實物投影幫助觀察，亦可利用手機拍下視頻進行慢放，讓全班同學都得到水瓶在空中時沒有水流出的直觀感受，快速調動學生的學習熱情.

還可以讓學生參與其中，如讓學生站在水流正下方，水流一開始越過頭頂下落，然后釋放水瓶，觀察到學生沒有被水淋濕，與學生錯誤的前概念產生沖突.雖然此實驗僅一名學生參與其中，但全班都在注意該生是否會被淋濕的現象，實踐效果很好，也同樣能達到引起認知沖突、激發興趣的效果，為后續分析自由下落時的運動特點埋下伏筆.之后在得出自由落體運動的特點后回顧解釋：由于水瓶和水在自由落體運動過程中運動狀態完全相同，均為初速度從0開始，只在重力作用下做加速度為g的勻加速直線運動，整瓶水內部之間沒有相互作用，因此水不會流出.

2.2 通過問題引導激發認知沖突

在問題引導的情境中，教師可以直接拋出問題，當學生回答一種答案后，做出與回答不符的其他結果，引發課堂沖突，再引導學生研究，借此讓學生主動參與，經歷思考過程，發表自己的見解，教師做出適當鼓勵并加以修正和引導，讓課堂順著學生的思路延伸，提高課堂參與度，體現學生的主體地位.

例如，自由落體運動的概念通常通過實驗解釋，讓學生觀察比較輕重物體的下落情況得出概念.其實對于自由落體現象，學生在生活中已有一定的經驗和認識，只是存在錯誤的前概念.通過對比實驗引入的教學設計屬于通過觀察歸納得出結論，認知沖突不夠強烈，學生認為只是生活中的常見現象，對實驗印象不夠深刻，部分同學仍會從片面的實驗中得出錯誤判斷.

使用認知沖突教學策略，教師可以直接提出問題：輕重不同的物體哪個下落的快？再根據學生的不同回答進行不同處理.學生在初中已經經過學習，大部分同學知道物體下落的快慢與輕重無關，會回答出“一樣快”的答案.高一學生對于初中知識理解有限，對于落體運動的實質并沒有完全掌握.因此需要加深學生對落體運動的體驗，從實驗中體會并探究得出影響物體下落快慢的因素.此時再引導學生進行實驗探究更為有效：使用大小形狀相同的紙片和光盤從同一高度同時釋放，得到“重的物體下落快”的實驗結論;使用紙片和更小的紙片揉成的紙團實驗，得到“輕的物體下落快”的實驗結論.不同的結論顯然與學生一開始簡單的回答不一致，出現了強烈的認知沖突，使得學生思考問題出在哪里，究竟為什么不同情況物體下落快慢不同.最終讓學生能夠通過分析比較，自主猜想推斷出與空氣阻力有關的結論.這時順勢提出使用牛頓管在真空條件下進行實驗，證明的確是空氣阻力影響了物體下落的快慢，得出物體下落快慢與輕重無關的結論，引出自由落體的定義.

這樣在課堂用問題引導學生自主設計實驗方案，培養學生的科學探究能力的同時強調了科學思維，用批判性思維思考問題，學會建立科學模型并設計實驗驗證，最后能夠對實驗結果進行評價和交流.不僅讓學生對自由落體的運動情況理解深刻，而且也培養了學生辯證思考能力以及分析、歸納、概括、總結等邏輯思維能力，養成良好的科學素養.其后的牛頓管實驗作為演示實驗更為合適，可以由學生設計方案，選代表上臺配合完成實驗，同樣能夠調動學生的思考.

2.3 通過追溯物理學史激發認知沖突

在課堂講授時，真實的故事往往對學生有極大的吸引力.生動有趣的物理學史實為物理概念的教學創設了良好的學習情境，同時為創設認知沖突提供了良好的條件.教學中可以利用歷史上的爭論引發學生的思考，通過啟發性的問題引導學生思考并解決認知沖突，強化學生對科學概念的理解，培養學生的科學探究意識，優化學生的物理知識結構，讓學生在潛移默化中向優秀科學家學習，提升核心素養.

例如，自由落體運動中亞里士多德和伽利略關于影響物體下落快慢的因素之爭，可以讓學生在故事中經歷概念的轉變過程，構建正確的認知結構.在學生起初了解亞里士多德的結論時，根據生活經驗認為言之有理，認為體積相同的兩個物體，較重的物體下落得較快，并且能夠舉出大量事實論證.此時告訴學生，正因為這些大量的“事實”，使得這一觀點持續了兩千多年無法反駁，直到16世紀末伽利略提出假設——大石頭要比小石頭下落得快，那如果將兩塊石頭捆在一起，總的重量就比大石頭還要重，因此整個系統下落的速度應該是最大的，但是當兩個石頭捆在一起時，原先下落比較快的大石頭會因為被小石頭“拖累”而“減慢”，反駁了重物下落得快的結論.傳聞伽利略還在比薩斜塔上讓兩個大小一樣，輕重不同的球同時下落，發現兩個球下落的快慢是相同的.

學生聽到不同的觀點感到認知平衡被打破，通過了解伽利略的假設和實驗，逐漸接受了這一反駁的觀點，重新構建認知平衡.接下來，教師可以引導學生思考是否能夠找到反例，啟發學生設計實驗，使用體積相同但質量不同的兩個不同材料的球，從同一高度同時釋放后，觀察發現下落情況相同，證明亞里士多德的說法錯誤，伽利略的說法正確.經歷了物理學家的探索過程，在認知沖突解決過程中加深了學生頭腦中對正確物理觀念的理解，學會辯證看待問題并自主構建模型解決問題，提升科學思維和探究能力.

3 結束語

基于認知沖突模型設置的課堂環節趣味橫生，不斷激發學生自主探究解決問題的興趣，在自發的學習研究中提升核心素養，課堂氣氛活躍且課堂生成內容豐富，不難達到高效課堂的效果.對于類似自由落體現象這種學生在生活中已有一定的經驗和認識卻存在錯誤前概念的課堂教學，可以設計演示實驗、構建問題情境、展示物理學史，給學生豐富的感性材料支撐.在學生對本質不了解的情況下，找出針對性問題進一步設問，造成認知沖突的同時拓展學生思維，不僅讓學生對概念理解深刻，而且培養了學生的辯證思考能力以及分析、歸納、概括、總結等邏輯思維能力，養成良好的科學素養.

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（收稿日期：2021-03-14）