引發(fā)認知沖突 發(fā)展科學思維

田成良

(北京市海淀區(qū)教師進修學校，北京 100080)

隨著新一輪課程改革的推進,我國頒布了《中國學生發(fā)展的核心素養(yǎng)》框架,其中物理學科核心素養(yǎng)明確提出,發(fā)展學生科學思維的要求,要求從物理學科視角對客觀事物的本質屬性,掌握內(nèi)在規(guī)律及相互關系,要基于事實證據(jù)和科學推理對不同觀點和結論提出質疑、批判,進而提出創(chuàng)造性見解的能力與品質．與此同時,教育部也在全國推廣“深度學習”項目,深度學習也是指向學生思維的發(fā)展,研究如何讓學習真正發(fā)生的問題．如何發(fā)展學生的思維,讓學生開展深度學習呢?筆者認為,引發(fā)認知沖突是激發(fā)學習欲望、發(fā)展學生思維的重要手段和途徑．

認知沖突是一個人已建立的認知結構與當前面臨的學習情境之間產(chǎn)生的無法同構的矛盾與沖突,是已有知識和經(jīng)驗與新知識之間存在某種差距而導致的心理失衡．學生在學習新知識之前,頭腦中并非一片空白,而是具有不同的認知結構,學生總是試圖以原有的認知結構來同化對新知識的理解．當遇到不能解釋的新現(xiàn)象時,就會打破之前低層次的“平衡”產(chǎn)生新的“沖突”,通過“沖突”不斷化解實現(xiàn)新的平衡與發(fā)展．引發(fā)認知沖突的策略有哪些呢?筆者通過對自己的教學經(jīng)驗和優(yōu)秀案例梳理,整理如下.

1 鏈接新舊知識,引起認知沖突

學習物理之前,學生通過已有知識,以及對日常生活的觀察,對很多物理現(xiàn)象便已有了自己的認識,這就是前概念．教學中,若能抓住學生已有知識,基于這些前概念,提出一些出乎學生意料的物理問題,往往會引發(fā)學生強烈的認知沖突,從而帶來很好地教學效果．

圖1

例如學習“閉合電路歐姆定律”一節(jié)時,學生在初中已經(jīng)學過歐姆定律,并且已經(jīng)運用得很嫻熟了,所以一開始要讓學生對新的學習的課題抱有求知欲.那么，怎么產(chǎn)生求知欲呢?把如圖1所示的元件放在黑板上,臨時組裝一個簡單的電路．燈泡正常發(fā)光,然后又加了第二節(jié)干電池,開關先不閉合,先問學生:“如果把開關閉合,這個小燈泡的亮度會有什么變化”?學生認為電壓表的示數(shù)肯定要比原來更大啊,有的說要燒壞,結果開關一閉合,燈泡卻比原來更暗了,造成了極大的認知沖突,這是為什么呢?并且看到電壓表的指針比原來更小了,為什么兩節(jié)干電池,反而比一節(jié)干電池更暗呢?原來那么高的電壓,去哪里了呢?這些都是新的問題,根據(jù)學生初中已有的知識已無法回答．也就是說學生遇到了一個知識臺階,這種臺階就使他們產(chǎn)生一種學習的需求,心里不平衡,想要消除這種不平衡．這時候需要教師指明方向,原因在哪里?很明顯,只有深入到電源內(nèi)部去找原因.在初中,我們是不管電源內(nèi)部情況的,但是高中物理,電源也要在我們研究的范疇里．所以要把整個電路作為我們的研究對象,學習與全電路有關的電學規(guī)律．短短幾分鐘一下讓學生意識到新的學習內(nèi)容對他的意義究竟何在．

2 利用生活素材,引發(fā)認知沖突

學生在生活中憑直覺和不夠嚴密的概括形成了原始的認知結構． 教師可以把課堂和學生的生活聯(lián)系起來,引發(fā)學生的認知沖突,使學生意識到新經(jīng)驗與原有觀念的不一致,從而激發(fā)他們產(chǎn)生學習的心理需求．下面事例是預料之外的,但是又在情理之中的,如果能夠產(chǎn)生這樣的效果肯定是很好的一種．

圖2

例如在學習“重心”時,學生在初中就掌握了重心的知識,但經(jīng)常犯錯,所以針對這種情況設置了一個認知沖突情境,取一段PV管(如圖2所示),問學生它的重心在哪里?學生說:“在中點”,然后把它擱到桌子上,中點剛好在邊緣上,教師接著問:“如果放手后還能保持平衡嗎”?學生說:“可以的”．放手后PV管仍然穩(wěn)穩(wěn)地在那里．然后把管子向外拉出一截,大半截在外面,然后再問學生“如果這個時候放手它還能夠平衡嗎”?學生異口同聲答“肯定要倒啊”．結果一放手,管子仍然穩(wěn)穩(wěn)地停在那里,這時候大家目瞪口呆．很快有人提出,這個管子里面肯定有東西,果然發(fā)現(xiàn)管子根部有一段金屬圓柱體塞在里面．然后再問學生:根據(jù)這個實驗你得到什么啟發(fā)?通過這個事例,學生自然就理解了重心的位置跟質量分布有關．經(jīng)常把質量分布疏忽掉,容易犯錯誤.這個現(xiàn)象讓學生掉進了知識陷阱,吃一塹長一智,這是一種認知沖突．

3 通過物理實驗,引發(fā)認知沖突

在物理實驗教學中, 常會在學生面前呈現(xiàn)出日常生活中不可經(jīng)驗得到的或意想不到的新現(xiàn)象．而學習者要用原有認知結構去同化、解釋這些新現(xiàn)象, 往往感到困惑、迷惘,進而引發(fā)認知沖突, 使學生產(chǎn)生強烈的探究欲望．

圖3

例如在學習“靜電屏蔽”時,學生已經(jīng)對靜電平衡有了一定認識,知道靜電平衡時,導體內(nèi)部電場為0,內(nèi)部表面沒有電荷,電場線只能在空腔之外．在此基礎上,可以利用實驗進行拓展,引發(fā)學生的認知沖突,為使學生加深對靜電屏蔽的認識,進行以下操作:在絕緣支架上放一個金屬罩,把驗電器放在罩內(nèi),用導線連接驗電器的金屬球和金屬罩的內(nèi)側,如圖3所示.用摩擦過的帶電體接觸金屬罩上面的金屬體,發(fā)現(xiàn)驗電器的指針不張開,說明靜電屏蔽有效果．然后,把驗電器留在罩內(nèi)不動,只是把接金屬罩的導線改接在外側,問學生,如果再給金屬罩帶電,驗電器的指針會張開嗎?學生認為,導線接帶電的金屬罩外側,驗電器帶電,指針肯定會偏轉．實驗結果卻發(fā)現(xiàn)給金屬罩帶電,指針并不偏轉．為什么不帶電呢?學生發(fā)出驚訝的聲音．此時教師不用回答,接下來把驗電器放在外面,用導線把驗電器的金屬球和金屬罩的內(nèi)側連接,問學生“如果再給金屬罩帶電,驗電器會張開嗎”?學生以為,由于導線接在金屬罩的內(nèi)側,內(nèi)部不會帶電,所以驗電器不會帶電,指針不會張開．教師接下來,用實驗驗證猜想,發(fā)現(xiàn)指針卻偏轉了,為什么驗電器接金屬罩的內(nèi)側,還帶電呢?學生一臉滿然．這時教師,再讓大家重新思考,什么是金屬殼的內(nèi)外?由此,學生會對靜電平衡和靜電屏蔽的知識有一個更深的認識．

4 借助直觀手段,引發(fā)認知沖突

在教學過程中, 運用實物、掛圖、模型、投影片、錄像、多媒體課件等提供的直觀形象, 揭示學生的前概念與科學概念之間的差異和矛盾, 也能創(chuàng)設問題情境, 引發(fā)學生的認知沖突．

例如在學習“點電荷的電場”時,借助直觀的輝光球即可引發(fā)沖突的效果．首先用測電筆接觸教室內(nèi)火線,氖管發(fā)光,然后把氖管取出,問學生,不接觸火線或電源,氖管能否發(fā)光?學生認為,氖管不接觸電源不可能發(fā)光．這時將高頻、高壓電加在輝光球中心電極上,在很短的時間內(nèi)可以把它當靜電場處理,然后把氖管放在發(fā)光的輝光球附近,發(fā)現(xiàn)氖管被“點燃”(如圖4所示),學生發(fā)出驚訝的聲音,“不接觸電源怎么能發(fā)光呢”?改變氖管與輝光球的距離,看到氖管發(fā)光程度不同．教師引導學生從靜電場的角度思考,沿電場線,電勢有什么變化,從而理解氖管發(fā)光的原理．

圖4

接下來,教師問:“用泡沫板隔在輝光球與氖管之間,氖管還能發(fā)光嗎”?學生有的認為不能發(fā)光,有的認為能發(fā)光.這時教師演示,用泡沫板擋住,氖管仍能發(fā)光．教師問如果用鋁板擋住氖管,還能發(fā)光嗎?接下來,教師演示操作,發(fā)現(xiàn)氖管不發(fā)光了,于是學生認為金屬鋁板能擋住電場．這時教師讓學生上講臺模擬演示,卻又發(fā)現(xiàn)氖管仍能發(fā)光．到底鋁板能不能隔氖管發(fā)光呢?這種矛盾的現(xiàn)象又怎樣解釋呢?學生陷入了迷茫,無法解釋．這時教師揭秘,原來教師操作時,用一只手接觸了鋁板,把板上的電荷導走了,鋁板不帶電荷,氖管一側不會有電場,所以氖管不發(fā)光．這種做法,形成了鮮明的對比,實驗現(xiàn)象明顯,激發(fā)了學生的求知欲,更深度發(fā)散了學生的思維．

5 通過科學魔術, 引發(fā)認知沖突

科學魔術是科學和魔術的結晶,依托于自然科學,但它又不同于簡單的實驗

操作,它用獨特的神秘外套將實驗的內(nèi)容隱藏起來,引人入勝卻又讓人感到深不可測．引發(fā)學生的認知沖突,激發(fā)強烈的求知欲望,留下深刻的印象．

圖5

在學習“平面鏡成像”一節(jié)時,為激發(fā)學生的求知欲望,在引課環(huán)節(jié),可以對物理實驗進行“包裝”,開發(fā)設計成科學魔術．表演過程如下:給學生展示一個空魚缸,向里面加滿水,問學生,我能從空魚缸中變出金魚來,你信嗎?學生半信半疑,目不轉睛地盯著魚缸．接下來,用一塊毛巾蓋住魚缸,然后轉動魚缸讓大家觀察,有無問題．接下來,喊1、2、3把毛巾拿開,水中出現(xiàn)了幾條活潑的金魚,游來游去．此時,學生不僅想問,鮮活的金魚哪里來的呢?教師問:想知道其中的道理嗎?學生異口同聲地說：“想”,此時他們的求知欲已經(jīng)被激發(fā)出來了．最后給大家揭秘,魚缸的結構如圖5所示,中間隔了兩塊平面鏡(背面貼近),先把金魚放在魚缸的內(nèi)側,由于平面鏡不透明,觀眾在前面看不到金魚,但由于平面鏡成像的原理,誤認為看到的是整個魚缸的空間．用毛巾蓋住魚缸,然后轉動魚缸,把裝有金魚的那側轉向觀眾,拿掉毛巾,金魚就“變出來了”．這樣,不僅能激發(fā)學生的學習興趣,拓寬知識的視野,還能加深了對平面鏡成像知識的理解．

總之,激發(fā)學生認知沖突的策略有很多.引發(fā)認知沖突是一種策略,更是一種教學藝術,需要我們教師進一步的開發(fā)和實踐,才能形成有效的教學資源．引發(fā)認知沖突,能促進學生深度思考,能讓學生真正走向科學探究之路,也是發(fā)展學生科學思維的催化劑和助推器．