認知沖突策略在物理教學中培養科學思維能力的探討

文∣王家山

一、認知沖突概念內涵

認知沖突是指在學習的過程中，學生已有的認知結構與面對的新問題情境之間的矛盾與沖突。學生已有知識經驗與新知識之間存在某種差異，會導致學生心理失衡。皮亞杰認為，認識起因于主客體之間的相互作用，而且是以認知結構為中介，經過“有效的和不斷的建構”形成的，并把認識看作是一種“連續不斷的建構”[1]，認知發展過程是“平衡—不平衡—新的平衡”，新知識與已有知識能夠相互轉化和融合。在課堂教學中，教師如果能巧妙設置認知沖突，就會使學生的學習更加主動、思維更加活躍、認知更加深刻。

二、認知沖突下科學思維能力的培養

培養學生思維能力的教學流程一般如圖1所示。

圖1

(一)創設認知沖突情境，激發學生求知欲

問題創設是情境教學的重要環節。問題設計的成功與否直接關系到學生是否有興趣參與討論，并且關系到學生創造性思維、創新意識等核心素養的培養。學生是否理解并成功掌握教學內容，取決于教師對本節知識重點難點的把握。教師所提的問題應該是經過深思熟慮并能被學生充分理解的，學生經過討論、分析、推理后可自行解決的。如在“電功率”教學中，教師拿出規格為“15 W”和“60 W”的兩只白熾燈泡L1和L2，讓學生猜測當它們接入同一電路中時，哪一只燈泡更亮。學生眾說紛紜，此時教師把兩只燈泡先后接入燈座，燈座所在的電路被紙盒遮蓋，閉合開關。學生發現有時L2燈亮，有時L1燈亮，實驗結果跟猜想有出入。教師接著追問：“這是為什么呢？”各小組開始討論，認為用紙盒遮蓋的電路可能不同。教師啟發學生思考燈泡的亮暗程度在不同電路中與電流和電壓有什么關系。學生帶著問題分小組展開探討。每一個學生興趣高漲，腦洞大開，思維活躍，創新能力得到充分鍛煉，思維得到培養，體驗到學習帶來的快樂。

(二)借助視頻創設情境，新舊概念引發認知沖突，促進物理概念的正確認知

教師應該重視各種情境的設置，逐步引導，在情境中推進課堂教學，使學生一步步走向知識本質的沖突，主動參與其中，自主探索、研究。如在教學“加速度”時，教師通過一系列提問：“正常行駛時，自行車和公共汽車誰的速度比較大？”“在正常啟動過程中誰的速度變化快？”引發學生認知沖突，然后引導學生看一段影片，再來發表自己的觀點。有學生回答：“起初自行車的速度變化快，之后公共汽車的變化快。剛開始自行車明顯已經超越了公共汽車，可是沒多久公共汽車又超越了自行車。”學生內心產生疑惑的時候，正是個體構建新知的最佳時機。通過觀看視頻，學生發現僅用速度的概念已經無法解釋眼前的問題，需要以“速度變化的快慢”來解釋。然后教師自然地引入加速度的概念，并進行新課教學。

(三)精心設計實驗，引發認知沖突，促進深度學習，最終發展思維能力

學習的過程就是“平衡—不平衡—新的平衡”的循環往復狀態。教學中，教師要善于創設認知沖突，帶領學生進入真實的問題情境，讓學生通過產生憤悱的狀態，逐步化解沖突，建構新的認知平衡。教師幫助學生實現超越知識符號表層的學習，在知識理解、思維發展、對話交流和情感體驗等方面獲得深層次的建構與提升，實現真正意義上的深度學習。教師通過實驗可以幫助學生尋找新知識與已有知識的連接。例如在學習“楞次定律”時，教師可以設計如下實驗。

圖2中A和B都是鋁環，A環是閉合的，B環是斷開的，橫梁可以繞中間的支點轉動。用磁鐵的任意一極去接近A環，會產生什么現象？把磁鐵從A環移開，會產生什么現象？磁極移近或遠離B環時，又會產生什么現象？解釋發生的現象。在此情境下通過演示實驗，學生能看到的現象是什么？磁鐵靠近A環時，A環遠離；磁鐵離開時，A環靠近；即“來拒去留”。磁鐵靠近或遠離不閉合的B環時，B環不動。如果做完鋁環實驗，教師緊跟著加一組鐵環實驗，C和D都是鐵環，C環是閉合的，D環是斷開的。會出現和鋁環實驗一樣的現象嗎？學生猜測、討論后再做實驗。通過實驗學生會看到，在磁鐵靠近時不管是閉合的C環還是斷開的D環都會靠近磁鐵。同樣是閉合的金屬環，為什么條形磁鐵靠近時鋁環是遠離的，鐵環是靠近的？同樣是斷開的金屬環，為什么條形磁鐵靠近時鋁環不動，鐵環靠近？實驗現象造成了認知沖突，學生再進行討論、交流，發現鐵是鐵磁性物質，磁鐵對鐵具有很強的吸引力，所以鐵環表現出來的是靠近磁鐵。磁鐵能夠吸引鐵、鈷、鎳這類金屬，這類金屬放在磁場中能自發地被磁化，具有這一性質的物質就叫作鐵磁性物質。而像鋁、銅一類的物質由于內部結構原因，它們不易被磁化，所以沒有受到很強的吸引力，主要表現出來的是感應電流受到的力。

圖2

三、認知沖突引發深度學習，促進科學思維能力的培養

深度學習是發展學科能力，培養核心素養的重要學習方式。傳統課堂教學受課時緊張與升學壓力的影響，無法促進學生將知識進行遷移與深化。在教學中巧設認知沖突，是引領學生走向深度學習的一個有效路徑。當學生遇到新問題時，總是會采取同化或者順應兩種方式來解決問題，形成新的認知結構[2]，從而促進科學思維能力的培養。

(一)有利于學習動力的深度激發

在教學過程中，概念的建構和物理規律的形成過程過于平淡，學生就會失去興趣，覺得學習枯燥無味。有效的認知沖突可以激起學生的學習欲望和學習動力，引起學生新奇、爭辯與思考，為深度學習點燃情感與思維的火種。

(二)有利于物理知識的深刻理解

深刻理解知識是深度學習的基本特征。只有深度學習才能激發思維，而淺層的學習往往是機械、重復的。如果課堂教學沒有充分讓學生思考、探究、爭辯，學生就只是記住了一些概念、原理，或者會解答課本上的幾個典型習題，并沒有真正理解知識的含義。而強調創設認知沖突，就是要豐富學生的課堂經歷，讓學生在有挑戰的問題情境下，主動地思考，從而培養學生利用所學知識解決實際問題的能力。

(三)有利于認知結構的深層建構

建構主義學習理論認為，學生的學習不是教師向學生的傳遞，而是學生自己主動建構知識的過程。這種建構不能由他人代替，學生在原有經驗的基礎上，通過新舊知識經驗之間的反復、雙向的融合，形成和調整自己的認知結構。深度學習強調多感官、多層次、多維度、系統性的認知參與。有意義、連續的認知沖突，能促使學生認知深層建構，可以幫助學生將零碎的知識串聯起來，將新知無痕納入原有認知結構中，實現知識學習的系統化、結構化。

(四)有利于認知沖突建構高階思維

高階思維是在基礎思維的基礎上進行的，但如果沒有一定的觸發機制，基礎思維并不一定會向高階思維發展。認知沖突能觸發這個轉向機制，幫助學生完成基礎思維向高階思維的進階轉變。[3]以“牛頓第一定律”教學為例，教師先演示圖3和圖4。圖3實驗小車不受力時靜止,加推力時運動,再將小車翻轉如圖4進行實驗,演示小車推動后撤去拉力,小車仍會繼續運動一段距離。在此基礎上讓學生討論力與運動的關系，教師對每個小組的觀點和動態課堂中的生成問題適時點撥引導，最終引導學生對力與運動的關系產生正確認識。通過生生之間、師生之間、小組與小組之間，討論、爭論而來的知識有助于學生思維發展。

圖3

圖4

總之,在教學中善于應用認知沖突策略，通過創設物理問題情境、實驗情境來激發學生的認知沖突，實現認知水平在“平衡—不平衡—新的平衡”這一循環中得到提高和發展，有助于學生發展思維，實現知識有意義的建構。