激發“認知沖突” 促進“概念轉變” 實現“深度學習”

馮林峰 穆艷君 彭朝陽

【摘 要】深度學習是提升學生核心素養的重要途徑。本文基于新課標對學科核心素養的要求，以“伽利略對自由落體運動的研究”的教學為例，以學生為主體，教師為主導，激發學生前概念和現有知識的認知沖突，利用概念轉變策略，糾正學生在自由落體這一章節內容的錯誤前概念，引導學生在“概念轉變”的過程中進入深度學習的狀態，從而培養學生從生活問題走向建構物理問題模型的意識，達到提升學生物理核心素養的作用。

【關鍵詞】認知沖突;深度學習;概念轉變策略

【中圖分類號】G633.7? 【文獻標識碼】A? 【文章編號】1671-8437（2021）16-0251-03

奧蘇貝爾有這樣一句名言：“影響學習的唯一最重要的因素，就是學習者已經知道了什么，要探明這一點并應根據此進行教學[1]。”“學習者已經知道了什么”便是學習者的前概念，概念轉變策略可以有效幫助學生在已有前概念和即將學習的新知識之間建立關聯，促進其對新知識的深度理解和學習，從而使學生掌握科學的學習方法，提升其核心素養。

“伽利略對自由落體運動的研究”這一節內容，第一次在高中物理知識體系中展現科學家發現物理規律的過程，對培養學生積極的物理情感、深化學生對自由落體運動的理解以及促進學生知識遷移有重要作用[2]。

1? ?創設情境，提出問題，引出學生的前概念

筆者在教學時，通過設問引導學生進行思考，創設物理情境，激發學生思維，培養學生通過生活中的物理現象發現物理規律的能力。

師：在同一高度同時無初速度放下一根羽毛和一個彈珠，誰先落地？

生：彈珠先落地。

師：說明什么問題？

生：質量大的物體下落速度更快。

師：我們可以借助哪個物理量描述物體運動的快慢？

生：速度。

師：對，由此能得出什么猜想？

生1：彈珠的質量與羽毛的質量不一樣，所以物體下落速度可能與物體的質量大小有關。

師：很好，除了質量不同，它們還有什么物理屬性不相同呢？

生：物體的體積、形狀、種類。

師：由此還能得出什么猜想？

生2：物體下落速度可能與物體的體積有關。

生3：物體下落速度可能與物體的形狀有關。

生4：物體下落速度可能與物體的種類有關。

師：好，接下來我們一起通過實驗來驗證同學們的猜想。

設計意圖：根據學生的回答，分析學生的前概念，創設情境，提出問題，為教學設計提供依據。同時引導學生暴露其前概念，使學生在建構模型的過程中逐漸發展并形成科學的探究思維，為深度學習奠定基礎。

2? ?實驗驗證，明確建立概念的事實依據

2.1? 采用“腳手架”策略，通過實驗驗證猜想

師：怎么驗證實驗猜想呢？

生：通過控制變量來做對比實驗，觀察并記錄數據，再分析得到的數據，進而得出結論，驗證假設。

實驗設計：

實驗1：將體積和形狀相同、質量不同的物體在同一高度無初速度釋放，觀察并記錄物體下落的時間。

實驗2：將質量和形狀相同、體積不同的物體在同一高度無初速度釋放，觀察并記錄物體下落的時間。

實驗3：將質量和體積相同、形狀不同的物體在同一高度無初速度釋放，觀察并記錄物體下落的時間。

實驗所用物體：形狀和體積相同的正方體鐵塊和紙塊1（鐵塊質量大）、質量與紙塊1相同的正方體塑料塊（塑料塊體積小）以及體積和質量與紙塊1相同的長柱狀紙塊2。

在教師的引導下，教師與學生利用實驗器材做以上三個實驗，觀察并記錄實驗現象。

師：同學們在實驗1中看到了什么實驗現象？

生：鐵塊與紙塊1同時被釋放，質量較大的鐵塊先

落地。

師：根據此現象可以得出什么結論？

生：體積和形狀相同時，物體質量越大，下落時間越短，下落速度越快。

師：在實驗2中觀察到了什么實驗現象？

生：塑料塊與紙塊1同時被釋放后，體積較小的塑料塊先落地。

師：由此可以得出什么結論？

生：質量和形狀相同時，物體體積越小，下落時間越短，下落速度越快。

師：很好，在實驗3中觀察到什么實驗現象？

生：紙塊1與紙塊2同時被釋放后，長柱狀的紙塊2先落地。

師：兩紙塊有何區別？

生：它們的下表面面積不同，長柱狀的下表面面積

較小。

師：非常正確，那是不是就能說明下表面面積越小，下落的速度越快呢？

師：我們一起進行一個簡單的實驗探究解決這個疑惑。為節約紙張，同學們分成三組，每組撕下兩張大小相等的草稿紙，一張對折一次，一張對折四次，將兩張紙分別平鋪在雙手上，在同一個高度同時無初速度釋放，同學們觀察到了什么現象？

生：折疊四次的紙片比折疊一次的紙片先落地。

師：這兩張紙片有何相同點與不同點？

生：質量和體積相同，形狀不同。

師：對，形狀不同表現在什么地方？

生：下表面面積不同。

師：很好，也就是說兩張紙片下落時與空氣的接觸面積不同，由此可以得出什么結論？

生：與空氣的接觸面積越大，下落的時間越長，對應的速度就越小，與剛剛實驗3的結果類似，所以影響紙塊1與紙塊2下落速度的因素也可以歸結于與空氣的接觸

面積。

師：很好，同學們的思路很清晰。

分析比較實驗記錄后，得到物體下落的速度會受到物體的體積、質量和形狀等因素的影響，結論與學生的前概念一致，學生可以直接吸收新知識，此教學過程體現的便是概念轉變策略中的“腳手架”策略。

設計意圖：通過建構直觀的對比實驗，讓學生在模型建構的過程中科學推理，在教師的引導下分析現象、提出假設、設計實驗、收集數據、分析數據、得出結論，得到物體下落速度與質量、體積、形狀以及與空氣接觸面積的關系[2]，驗證實驗猜想，訓練科學思維，讓學生在教師的引導下逐漸進入深度學習狀態。

2.2? 采用認知沖突策略，引出探究實驗并驗證猜想，得出結論

師：剛剛我們驗證了物體下落速度和物體與空氣的接觸面積有關，那么與空氣接觸的面積為什么會影響物體的下落速度呢？會不會是因為與空氣的接觸面積不同，所以受到的空氣阻力不同，從而影響物體下落速度？

師：用什么方法可以驗證這個猜想？

生：可以使用反證法的思想進行驗證，可在沒有空氣的環境下實驗，若實驗結果與之前一致，那么物體的下落速度就與空氣的接觸面積無關。

筆者做演示實驗，準備一個可以將內部抽成近似真空狀態的牛頓管、羽毛和軟木塞。實驗儀器準備完畢后進行實驗，將玻璃管內部空氣狀況分為正常狀態、空氣稀薄狀態和近似真空狀態。將兩個物體放置于牛頓管底部，再迅速反轉玻璃管至豎直狀態，近似認為兩個物體同時從最高點無初速度釋放，學生觀察和記錄實驗

現象。

師：同學們看到什么現象？

生：正常狀態、空氣稀薄狀態下，都是軟木塞最先落到管底，只是空氣稀薄狀態兩者落到管底的時間間隔較小。近似真空狀態時，羽毛和軟木塞幾乎同時落到管底。

師：由此得出什么結論？

生：物體在近似真空環境下，空氣阻力幾乎可以忽略，物體只受到重力作用，所以在相同高度無初速度釋放的物體，下落時間相同，下落速度也相同。

師：對，同學們總結得很好，那么這個現象與之前實驗的差別在哪兒？

生：實驗環境發生變化，之前的實驗存在空氣阻力，而之后的實驗環境為近似真空狀態，可以忽略空氣阻力對實驗的影響。

師：所以同學們在做實驗前要關注什么？

生：先關注實驗環境以及條件。

經過一系列的科學探究討論后，得出實驗結論。

結論1：外部有空氣且物體的體積和形狀相同時，物體的質量越小，空氣阻力對其下落的運動阻礙效果越明顯，其下落速度越慢。

結論2：外部有空氣且物體的質量相同時，物體下落時與空氣，接觸面積越大，空氣阻力對其下落的運動阻礙效果越明顯，其下落速度越慢。

結論3：在真空環境中，不存在空氣阻力，物體只受到自身重力的作用，所有物體下落的速度都相同。

師：老師再提一個問題，既然下落的時間、高度、速度都相等，那么，還能推出什么物理量相等？

生：物體下落的加速度。

師：對，老師補充一個推論，在真空環境下，物體只受到重力的作用，無論什么物體下落的加速度都相等，其大小都為g，而此時的運動便是自由落體運動。同學們理解了嗎？

生：理解了。

學生學習的新知識與在生活中所遇到的物理現象以及從實驗中總結的實驗結論發生沖突，在教師的引導下，學生重新建構知識框架，從而對新知識的理解更加深刻，此過程中采用的教學策略便是認知沖突策略[3]。

設計意圖：先通過折紙實驗引導學生將影響物體下落速度的因素歸結到空氣阻力上，再提出猜想并設計實驗驗證，得出在不存在其他外力的情況下，物體下落的速度和加速度都相同，從而引出自由落體運動這一概念。在此過程中，學生再次歷經科學探究過程，進而促進學生深度理解物體的加速度會受到外力的影響。

3? ?還原物理學史，培養學生對物理學的積極情感

回到教材中的物理學史，伽利略敢于質疑亞里士多德提出的物體質量越大，下落速度越快的說法，并且做了大量的斜面實驗驗證猜想。如圖1，伽利略通過增大斜面的角度以及改變小球的質量和小球的高度，記錄和分析數據后得到結論，只要實驗的斜面角度一定，無論小球的質量改變與否，小球的加速度都相同，當增大斜面角度時，小球的加速度隨之增大。從而推理得出，當角度增大到90°時，所有物體的加速度都相同，小球的運動便是自由落體運動。伽利略將日常生活中質量較大的物體下落的速度更快的現象，歸因于不同的物體所受的空氣阻力不同。他寫到：“如果能排除空氣阻力的影響，那么所有的物體下落速度都相同。”所以，伽利略特意指出，在科學研究中，懂得忽略什么，有時與重視什么同樣重要。

伽利略對運動的研究，不僅確立了很多用于描述運動的基本概念，還創造了一套對近代科學發展極為有益的科學方法，其核心便是把實驗和邏輯推理（包括數學推演）有機結合起來，得到需要的實驗結果、科學思維以及科學研究方法。

設計意圖：學習和體驗伽利略對實驗的探究過程，再次回顧前面的學習過程，幫助學生養成良好的實驗習慣，訓練學生的邏輯推理能力和數據分析能力以及團隊協作能力。借助教材還原伽利略做實驗和推理的過程，進一步加深學生對教學內容的理解，使學生體會發現物理學規律的艱辛過程，進而培養學生對物理學的積極情感。

總之，利用概念轉變策略引導學生學習自由落體運動相關知識，能加深學生對運動與相互作用的認識，讓學生歷經科學探究過程，明白科學探究過程中需要重視什么條件、忽略什么條件，需要秉持求真務實的科學態度。學生通過學習伽利略在研究時用到的邏輯思維和推演方法，培養觀察現象、發現問題、敢于提出問題、勇于實踐解決問題的科學思維。在課堂教學中，學生在教師的引導下進行深度學習，歷經科學探究過程，訓練科學思維，培養求真務實的科學態度和對物理學的積極情感，從而提高物理核心素養。

【參考文獻】

[1]閻金鐸，郭玉英.中學物理教學概論（第三版）[M].北京：高等教育出版社，2011.

[2]惠廣俊.以深度學習為階梯 落實學科核心素養——以“伽利略對自由落體運動的研究”的學習為例[J].物理教學探討，2020（6）.

[3]賈澤皓，申亞琴，張萍.關于紙質圓柱形電容器的錯誤概念及其轉變策略[J].物理教師，2019（7）.

【作者簡介】

馮林峰（1998～），男，云南昭通人，云南師范大學物理與電子信息學院2019級碩士研究生。研究方向：物理學科教學。

穆艷君（1997～），女，甘肅隴南人，云南師范大學物理與電子信息學院2018級碩士研究生。研究方向：物理學科教學。

【通訊作者】

彭朝陽（1971～），男，江西安福人，云南師范大學教授。研究方向：物理課程教學論和天體物理。