利用認知沖突轉變學生物理學習中的錯誤概念

管彥濱

(中山市華僑中學 廣東 中山 528400)

物理概念是物理知識體系的重要組成部分，是用濃縮的形式表現大量知識的手段，是科學抽象的直接產物，是反映自然界各種豐富多彩的物理現象中最基本的規(guī)律.建構科學的物理概念對物理學習非常重要，只有科學的、精確的和嚴密的物理概念才能準確地描述自然界的物理現象，因此，學生對物理概念掌握的正確與否會直接影響到他們的物理學習.研究表明[1]，錯誤的物理概念會導致學生對物理現象的錯誤理解，影響科學物理概念的建構和學習.因此，在物理教學中，重視對學生錯誤概念的轉變，已經逐漸成為物理教師和研究者的共識.

1 錯誤概念形成的途徑

錯誤概念往往不是由于理解偏差或遺忘造成的，它通常與學生的日常直覺經驗相聯系，有時恰巧是科學界以前所主張的觀點，如“太陽圍著地球轉”“重的物體會更快地落地”等.錯誤概念從產生的途徑上可以分為兩類：一是在接受正式物理教育之前，從日常生活、具體實踐經驗出發(fā)，通過粗淺的思維過程，獲得的對一類物理現象共同特征的錯誤認知，進而形成一定結構的圖式.這些圖式可以自行調整、變通后與科學的物理概念并存于學生的認知結構中，成為較為隱蔽但根深蒂固的錯誤概念，這種現象存在于各個層次的學生當中.二是學生在正式學習物理中，在學校教學情景中形成的.教學中一些教師迫于升學壓力，為了加快教學進度，在教學中出現急于求成的做法，致使學生對物理知識死記硬背、一知半解，對物理問題的分析缺乏科學的觀察、科學的依據和方法；或者教師在講解物理知識、演示物理實驗時，為了某個知識點的教學需要而過分地突出某一方面的現象或結果，卻忽視了相關的其他知識，造成以偏概全，導致對本質特征的曲解，并使原有不正確的圖式得到充實和加強，成為今后學習中的“先入之見”.

另外，由于教學的科學性與可接受性之間的矛盾，造成概念教學的階段性和在不同年級教材銜接上的脫節(jié)也是產生錯誤概念的一個原因.如在編寫初中教材關于摩擦力方向的描述時，考慮到初中學生的年齡特征和認知能力，采取了不甚確切的敘述，似乎摩擦力的方向總跟物體的運動方向相反.這種做法減輕了初中學生的學習負擔，降低了初中教學的難度，但在高中階段學習同一概念和相關知識時，這些錯誤概念就會先入為主，嚴重影響了科學概念的建立和理解.

2 引發(fā)認知沖突是轉變錯誤概念的關鍵

所謂“引發(fā)認知沖突”，是指在教學過程中通過外界的人為因素(例如教師設計的問題情境或其他教學活動)，來激發(fā)學生的認知矛盾，從而引起學生的有意注意，調動學生的認知內驅力，促進學生積極、高效地進行知識建構.在物理教學中，轉變學生的錯誤概念就是要改造和重組學生原有的認知結構.建構主義學習理論認為[2]，學生的學習不是知識由教師向學生的傳遞，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，而是由學生自己通過新、舊知識經驗之間反復的、雙向的相互作用，來形成和調整自己的知識結構.在這種建構過程中，一方面學習者以原有的經驗系統為基礎對新的信息進行編碼，建構自己的理解；另一方面，學習者的原有知識又因為新經驗的進入而得到豐富、調整和改造.因此，學習并不單是信息量的積累，而是由于學習者新舊知識經驗之間的沖突而引發(fā)的概念轉變和認知結構的重組.Hestenes等人的研究表明[3]，傳統教學對轉變學生頭腦中錯誤概念的作用是微乎其微的，要想實現由錯誤概念向科學概念的轉變，關鍵是設法給學生制造一個“沖突”，給他們一個“震撼”，以動搖其頑固的錯誤概念.

3 引發(fā)認知沖突的方法

3.1 充分了解學生原有概念的錯誤

在實際教學中，教師如何引發(fā)認知沖突呢？這就要求教師有針對性地選擇一些事例或現象，讓學生用自己原有的概念去解釋這些事例或現象，當他們發(fā)現原有的概念同當前所面臨的現實產生無法調和的矛盾時，就會動搖他們的原有認知基礎，從而使他們感覺到有改變認知結構的需要.然后再通過具體事例把科學的概念告訴學生，并把它應用到更為廣泛、更為深刻的現象當中去，當學生在新的思維結構下有更多成功的時候，他們就會接受科學的物理概念.

利用認知沖突轉變學生錯誤概念的前提是要了解學生原有的概念基礎，只有在充分了解學生原有概念的基礎上，才能對這些概念采取有針對性的措施，幫助學生轉變其錯誤概念.引導學生暴露其原有概念的方法有[4]：

(1)設計診斷題目或參考有關研究成果，了解學生原有的概念.

(2)課前針對某一具體課題(與課堂內容緊密相關的)召開不同層次學生的座談會，座談會上教師要營造一種輕松和諧的氣氛，讓每個學生都能暢所欲言，把自己對課題內容的想法以及想法的原因說出來.

(3)課上可以針對某一具體概念進行深入討論，從討論中了解學生存在的某些典型想法.

3.2 轉變學生錯誤概念可采取的措施

在充分了解學生原有概念的基礎上，教師就要著力制造認知沖突以使學生轉變錯誤概念，在實際教學中可采取的措施有：

(1)利用矛盾，激起認知沖突.教師充分利用和發(fā)掘教材以及學生日常生活中的矛盾因素，把學生置于矛盾氛圍，使學生產生解決矛盾的迫切需要，從而激起認知沖突.常用的方法有：利用新穎、奇特的物理實驗與學生日常經驗，使原有認識產生矛盾，有效提供激起矛盾的新刺激，設置認知沖突.例如，在橫波形成的教學中，我們可以設計這樣的情境：在水槽中放一些輕小泡沫，讓學生討論在水波作用下這些小泡沫將如何運動.有些學生直接根據生活經驗，即在湖邊或河邊有雜質，就認為這些泡沫會漂在水槽的邊緣；有些學生認為這些泡沫在水波傳播方向上受到力的作用，最后仍會漂到槽的邊緣.接著教師可利用投影儀將水波投影在屏幕上，讓學生觀察，觀察結果是這些泡沫不隨波向前移動.學生的預言為什么會和觀察到的實際物理現象相反呢？從而引起學生的興趣，激發(fā)學生的認知沖突，然后師生一起嘗試正確的解釋，使多數學生實現概念的轉變，完成科學概念的建構.

(2)設置障礙，觸發(fā)認知沖突.在學生的學習探索中，教師要有意設置障礙，使其產生疑惑，以啟動、活躍學生的思維，促使其帶著有趣和有價值的疑問去學習，尋求問題答案，從而積極主動地完成學習活動.例如，在受力分析的教學中，教師可以問學生“桌子是一個沒有生命的東西，怎么會給別的物體力呢？”然后讓學生帶著這個問題去思考、去討論，最后為了讓學生認識到桌面對放在其上的物體有一個力的作用是合乎物理規(guī)律的，教師可以讓學生把一個物體放在手上或彈簧秤上，學生會從經驗中承認手或彈簧秤對物體有一個向上的作用力，然后教師引導學生在桌面和手或彈簧秤之間建立一個類比關系，這樣不僅使學生從理性上而且也從感性上獲得對支持力的正確認識.

(3)制造“陷阱”，暗設認知沖突.即利用學生知識結構中的模糊點、易錯點或盲點，制造出相應的知識陷阱，引誘學生落入其中，再將學生從中“救起”或引導學生進行“自救”.例如，在位移概念的教學中，可先讓學生解決田徑賽場上能否用路程來衡量像推鉛球、投標槍等運動員的成績時，他們就會感到先前認為可解決任何運動遠近問題的路程已遠遠不夠，在學生的思維結構陷入一片茫然的過程中，適時引導他們用位移概念加以解決，用這種真實性任務比用現有課本上抽象化的例子更易在學生頭腦中建立起位移的概念.

(4)貼近生活，挖掘認知沖突.物理知識源于生活，又應用于生活生產實際.因此，教學時，要從學生的實際出發(fā)，設置一些實踐性的問題，指導學生參加探究活動.例如，在學習慣性的概念時，由于教材中只列舉了固體的慣性現象，學生誤以為只有固體才有慣性，而對液體、氣體具有慣性不易接受.因此，可以列舉出液體、氣體具有慣性的實例，如將盛滿水的容器放在小車上，當突然移動小車和小車運動達到一定速度后突然停止時，兩種情況下容器內的水先潑向什么方向？為什么？讓學生根據已學過的“慣性”概念解釋上述現象，從而加深理解“慣性”的內涵，鞏固概念.

(5)運用變式，強化認知沖突.即變換問題的部分條件或設問方式，在原有的認知沖突消失后，不斷出現新的認知沖突，從而使學生對問題的認識不斷深化，思維水平不斷提高.例如，在學生學習了功的定義式W=Fscosθ后，可設置這樣一組變式練習：一個重為10 N的物體置于傾角為30°的光滑斜面上下滑4 m，問下列3種情況下，重物在下滑過程中重力做了多少功？

1)光滑斜面變?yōu)榇植谛泵?，摩擦系數?0.2，物體的初速度為零.

2)光滑斜面變?yōu)榇植谛泵?，摩擦系數?0.2，物體的初速度v=2 m/s.

3)光滑斜面變?yōu)榇植谛泵?，摩擦系數?0.2，物體的初速度v=2 m/s，在下滑過程中有一水平推力F=2 N.

在上述變式中，重力和位移這兩個本質特征沒有變化，而外力、正壓力、摩擦力、初速度等4個非本質特征在各題中是變化的.通過變式的引伸、分析和討論，學生對一個力做功的概念會進一步加深，從而更好地掌握功的概念.

4 引發(fā)認知沖突應遵循的原則

(1)情感性原則.現代教學論認為[5]，教學活動是在知識、情感兩條主線相互作用、相互制約下完成的，積極的情感可以刺激學生的中樞神經，促進腦細胞的活動，從而使學生從記憶倉庫中涌現出許多表象，激發(fā)出多種多樣的新異聯想，形成對知識的強烈追求、積極思考、主動探索的課堂教學氛圍.因此，在教學時，教師要以情施教，營造和諧、民主、合作的教學氛圍，溝通心靈交流，交融師生情感，引導學生產生迫切的期待心理與創(chuàng)造動機，從而實現情感與認知的和諧發(fā)展.

(2)靈活性原則.教學過程的復雜性和教學對象的差異性決定了教師的教學具有相當的不確定性.在教學實踐中，我們既要重視預設，更要重視生成.當學生的思維活動偏離正確軌道時，不能漠視，更不能將其強行拉回來，納入預設的軌道而壓抑學生學習的積極性，泯滅他們創(chuàng)造性思維的火花.所以，在課堂教學中設置認知沖突，要有靈活性，要充分考慮教學情境的改變、學生思維狀況的調整等因素，只有這樣，才能讓學生在經歷、體驗與探索過程中增強物理思考的能力和解決問題的能力.

(3)適宜性原則.認知沖突的設置既要適宜學生對知識的建構，又要有利于學生智力的發(fā)展.為此，我們要充分了解學生的知識底數和認知的特點，并根據知識內容特點和教學要求，將學生已有的知識經驗和將要學習的知識聯系起來，從學生的角度發(fā)現那些和學生已有知識經驗有一定聯系的問題，然后利用這些問題激發(fā)學生的認知沖突，因為學生知道一些但又不能充分解決的問題，極易引起學生的認知沖突.

在物理教學中，這種有意識地利用認知沖突來轉變學生錯誤概念的教學方式，能使學生頭腦中的錯誤概念和科學概念之間的矛盾明確化，從而引起學生的有意注意，調動學生的認知內驅力.對于促進學生積極、主動地建構正確的認知結構，鍛煉學生的思維能力，提高學生的探究能力，發(fā)展學生的創(chuàng)新能力并最終形成科學的物理概念，具有十分重要的意義.