利用認(rèn)知沖突有效教學(xué) 落實(shí)物理學(xué)科核心素養(yǎng)

徐瑞璟 李春密

摘 要：認(rèn)知沖突是進(jìn)行概念轉(zhuǎn)變教學(xué)的基礎(chǔ)，隨著物理學(xué)科核心素養(yǎng)的提出，利用認(rèn)知沖突進(jìn)行有效教學(xué)為核心素養(yǎng)的落實(shí)提供了一種可行的教學(xué)策略.以“自由落體運(yùn)動(dòng)”為例，展示如何通過(guò)演示實(shí)驗(yàn)、問(wèn)題引導(dǎo)、追溯物理學(xué)史等方法創(chuàng)設(shè)認(rèn)知沖突，激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性，發(fā)展學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng).

關(guān)鍵詞：認(rèn)知沖突;物理學(xué)科核心素養(yǎng);自由落體;有效教學(xué)

中圖分類號(hào)：G633.7 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B ? ? 文章編號(hào)：1008-4134（2021）11-0048-03

隨著課程改革的深入推進(jìn)和立德樹(shù)人根本任務(wù)的落實(shí)，物理學(xué)科核心素養(yǎng)的受重視程度與日俱增.物理學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)科育人價(jià)值的集中體現(xiàn)，是學(xué)生通過(guò)學(xué)科學(xué)習(xí)而逐步形成的正確價(jià)值觀、必備品格和關(guān)鍵能力.為了落實(shí)培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)，設(shè)置認(rèn)知沖突不失為一條有效的教學(xué)策略.認(rèn)知沖突能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)驅(qū)力，讓學(xué)生集中注意力主動(dòng)探索問(wèn)題，促進(jìn)學(xué)生物理認(rèn)知結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，利于教學(xué)的有效落實(shí).因此，利用合理的認(rèn)知沖突引導(dǎo)學(xué)生有目的地探究學(xué)習(xí)，是發(fā)展學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)重要的教學(xué)手段.教師可以通過(guò)新穎有趣的演示實(shí)驗(yàn)、批判思辨的問(wèn)題引導(dǎo)、生動(dòng)形象的物理學(xué)史來(lái)創(chuàng)設(shè)認(rèn)知沖突，為物理教學(xué)創(chuàng)造良好的條件.

1 認(rèn)知沖突的內(nèi)涵

認(rèn)知沖突是認(rèn)知發(fā)展過(guò)程中，學(xué)習(xí)者原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)與現(xiàn)實(shí)情境之間的沖突或矛盾，是已有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)與新知識(shí)不一致而暫時(shí)心理失衡的一種認(rèn)知狀態(tài).皮亞杰在認(rèn)知發(fā)展理論中提出了“同化”和“順應(yīng)”兩個(gè)過(guò)程，認(rèn)為學(xué)習(xí)是在原有知識(shí)和思維基礎(chǔ)上構(gòu)建認(rèn)知結(jié)構(gòu)的過(guò)程，而認(rèn)知?jiǎng)t是在對(duì)知識(shí)連續(xù)的同化和順應(yīng)中得以發(fā)展，最終達(dá)到外界與認(rèn)知結(jié)構(gòu)的較高水平的平衡.因此，要學(xué)習(xí)即同化新的知識(shí)，就需要對(duì)已有的觀念進(jìn)行調(diào)整和轉(zhuǎn)變.費(fèi)斯汀格在認(rèn)知失調(diào)理論中提出，當(dāng)學(xué)習(xí)者認(rèn)知失調(diào)時(shí)，不和諧感會(huì)迫使個(gè)體去消除這種失調(diào)的感受.所以，建立認(rèn)知沖突就是人為制造認(rèn)知失調(diào)，讓學(xué)生產(chǎn)生學(xué)習(xí)的內(nèi)在動(dòng)機(jī)，主動(dòng)去解決認(rèn)知沖突，有效進(jìn)行概念轉(zhuǎn)變，達(dá)到高效學(xué)習(xí)的目的.

學(xué)生在正式學(xué)習(xí)之前并不是一無(wú)所知，而是已經(jīng)具備了一定的生活經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于物理問(wèn)題有一定的認(rèn)知和解釋，即被稱為“前概念”.其中部分經(jīng)驗(yàn)是正確的，但對(duì)于中學(xué)生來(lái)說(shuō)，大多數(shù)認(rèn)知并不符合科學(xué)知識(shí).科學(xué)學(xué)習(xí)不僅是在頭腦中建構(gòu)正確概念，更重要的是轉(zhuǎn)變學(xué)生持有的錯(cuò)誤概念.如何把錯(cuò)誤的前概念轉(zhuǎn)變?yōu)檎_的科學(xué)知識(shí)，重建學(xué)生的知識(shí)體系，對(duì)教師的教學(xué)手段和方法提出了更高的要求.在概念轉(zhuǎn)變的教學(xué)策略中，教師可以利用認(rèn)知沖突進(jìn)行教學(xué)，以學(xué)生為主體，從學(xué)生的前概念入手，準(zhǔn)確創(chuàng)設(shè)基于生活的物理情境，同時(shí)挖掘不同于前概念的現(xiàn)象本質(zhì)引發(fā)認(rèn)知不平衡，真正激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)和興趣，最大化地提高課堂效率，讓學(xué)生產(chǎn)生自主學(xué)習(xí)的欲望，從而加深對(duì)科學(xué)概念的印象，完成錯(cuò)誤前概念的轉(zhuǎn)變，優(yōu)化學(xué)生的物理認(rèn)知結(jié)構(gòu)，發(fā)展正確的物理觀念和科學(xué)思維.

2 建構(gòu)基于認(rèn)知沖突的物理教學(xué)模型

波斯納提出概念轉(zhuǎn)變的條件為：學(xué)習(xí)者對(duì)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(zhuǎn)變模型提出了四個(gè)解決認(rèn)知沖突的條件：對(duì)科學(xué)概念有基本理解;學(xué)習(xí)過(guò)程有批判性事件或解釋;關(guān)聯(lián)科學(xué)概念;找到其他支持性認(rèn)知.認(rèn)知沖突的創(chuàng)設(shè)要在了解學(xué)生前概念的基礎(chǔ)上，教師首先需要充分了解學(xué)生學(xué)情，精準(zhǔn)分析和把握錯(cuò)誤前概念，基于學(xué)情創(chuàng)設(shè)物理情境，提出問(wèn)題讓學(xué)生解釋，在討論過(guò)程中構(gòu)建認(rèn)知沖突的不平衡狀態(tài)，從而讓學(xué)生在尋求解答中同化新知識(shí)，最終構(gòu)建新的概念.

另外，在創(chuàng)設(shè)認(rèn)知沖突的時(shí)候應(yīng)注意考慮學(xué)生的獨(dú)立解決問(wèn)題的現(xiàn)有水平與指導(dǎo)下可能發(fā)展水平的差異，即維果斯基提出的“最近發(fā)展區(qū)”，在學(xué)生的能力范圍內(nèi)，讓學(xué)生產(chǎn)生學(xué)習(xí)的興趣和信心，感受到解決認(rèn)知不平衡問(wèn)題的成就感.在此期間，教師引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建模型、關(guān)聯(lián)概念，啟發(fā)學(xué)生思維，評(píng)估學(xué)生的認(rèn)知并對(duì)批判性問(wèn)題加以修正和解釋，保持學(xué)生探索新知識(shí)的積極性，培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng).

2.1 通過(guò)演示實(shí)驗(yàn)激發(fā)認(rèn)知沖突

物理演示實(shí)驗(yàn)是為了展示物理現(xiàn)象，揭示物理的發(fā)生發(fā)展過(guò)程，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行觀察思考，并配合教學(xué)內(nèi)容而由教師操作示范的實(shí)驗(yàn)，它是物理教學(xué)中最富有活力的部分.一個(gè)好的演示實(shí)驗(yàn)可以對(duì)教學(xué)起到很好的輔助作用，不僅能豐富學(xué)生的生活體驗(yàn)、加深對(duì)物理現(xiàn)象的直觀感受，還有利于激發(fā)學(xué)生探究問(wèn)題的積極性和對(duì)物理學(xué)科的興趣.教師一方面可以利用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，立足教材的演示實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)真觀察、積極思考的核心素養(yǎng);另一方面可以通過(guò)現(xiàn)代化的教育技術(shù)深度挖掘和改進(jìn)教材實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng).其中基于生活現(xiàn)象的物理情境更能引發(fā)學(xué)生的共鳴，教師可以從學(xué)生身邊熟悉的現(xiàn)象著手，得出與學(xué)生認(rèn)知完全不同的現(xiàn)象，通過(guò)創(chuàng)設(shè)認(rèn)知沖突，引導(dǎo)學(xué)生將注意力集中到所研究的對(duì)象和物理現(xiàn)象上，引發(fā)學(xué)生積極主動(dòng)的思考.

在新課引入環(huán)節(jié)，教師可以選擇有趣的演示實(shí)驗(yàn)激發(fā)學(xué)生的興趣，以一個(gè)魔術(shù)形式的演示實(shí)驗(yàn)迅速吸引學(xué)生的注意力.由于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象出乎意料，與學(xué)生的生活經(jīng)驗(yàn)不符，從而產(chǎn)生強(qiáng)烈的認(rèn)知沖突，讓學(xué)生對(duì)課堂內(nèi)容產(chǎn)生興趣.從學(xué)生有親身感受的一些生活現(xiàn)象導(dǎo)入演示實(shí)驗(yàn)，可以誘發(fā)他們探究問(wèn)題的欲望，加深對(duì)該問(wèn)題的印象.在學(xué)過(guò)相關(guān)內(nèi)容之后，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)演示實(shí)驗(yàn)進(jìn)行回顧解釋，發(fā)現(xiàn)魔術(shù)也是源于科學(xué)原理，發(fā)展科學(xué)思維的同時(shí)進(jìn)行了破除迷信熱愛(ài)科學(xué)的唯物主義教育.

例如，在自由落體運(yùn)動(dòng)的新課教學(xué)中，常用的方法是通過(guò)列舉生活中物體下落的例子，直接給出落體運(yùn)動(dòng)的概念.學(xué)生容易受生活經(jīng)驗(yàn)的影響，沒(méi)有經(jīng)歷概念轉(zhuǎn)變的過(guò)程.根據(jù)認(rèn)知沖突教學(xué)策略，可以選用水和水瓶自由下落的實(shí)驗(yàn)，讓裝滿水的有一個(gè)孔的礦泉水瓶自由下落，讓學(xué)生觀察漏水的情況.學(xué)生根據(jù)生活經(jīng)驗(yàn)錯(cuò)誤認(rèn)為水會(huì)一直流出，對(duì)此實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象感到好奇，實(shí)驗(yàn)中學(xué)生注意力集中.對(duì)于水瓶下落太快難于觀察的問(wèn)題，可以在水中添加紅色顏料，以白紙做背景，再用實(shí)物投影幫助觀察，亦可利用手機(jī)拍下視頻進(jìn)行慢放，讓全班同學(xué)都得到水瓶在空中時(shí)沒(méi)有水流出的直觀感受，快速調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情.

還可以讓學(xué)生參與其中，如讓學(xué)生站在水流正下方，水流一開(kāi)始越過(guò)頭頂下落，然后釋放水瓶，觀察到學(xué)生沒(méi)有被水淋濕，與學(xué)生錯(cuò)誤的前概念產(chǎn)生沖突.雖然此實(shí)驗(yàn)僅一名學(xué)生參與其中，但全班都在注意該生是否會(huì)被淋濕的現(xiàn)象，實(shí)踐效果很好，也同樣能達(dá)到引起認(rèn)知沖突、激發(fā)興趣的效果，為后續(xù)分析自由下落時(shí)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)埋下伏筆.之后在得出自由落體運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)后回顧解釋：由于水瓶和水在自由落體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中運(yùn)動(dòng)狀態(tài)完全相同，均為初速度從0開(kāi)始，只在重力作用下做加速度為g的勻加速直線運(yùn)動(dòng)，整瓶水內(nèi)部之間沒(méi)有相互作用，因此水不會(huì)流出.

2.2 通過(guò)問(wèn)題引導(dǎo)激發(fā)認(rèn)知沖突

在問(wèn)題引導(dǎo)的情境中，教師可以直接拋出問(wèn)題，當(dāng)學(xué)生回答一種答案后，做出與回答不符的其他結(jié)果，引發(fā)課堂沖突，再引導(dǎo)學(xué)生研究，借此讓學(xué)生主動(dòng)參與，經(jīng)歷思考過(guò)程，發(fā)表自己的見(jiàn)解，教師做出適當(dāng)鼓勵(lì)并加以修正和引導(dǎo)，讓課堂順著學(xué)生的思路延伸，提高課堂參與度，體現(xiàn)學(xué)生的主體地位.

例如，自由落體運(yùn)動(dòng)的概念通常通過(guò)實(shí)驗(yàn)解釋，讓學(xué)生觀察比較輕重物體的下落情況得出概念.其實(shí)對(duì)于自由落體現(xiàn)象，學(xué)生在生活中已有一定的經(jīng)驗(yàn)和認(rèn)識(shí)，只是存在錯(cuò)誤的前概念.通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)引入的教學(xué)設(shè)計(jì)屬于通過(guò)觀察歸納得出結(jié)論，認(rèn)知沖突不夠強(qiáng)烈，學(xué)生認(rèn)為只是生活中的常見(jiàn)現(xiàn)象，對(duì)實(shí)驗(yàn)印象不夠深刻，部分同學(xué)仍會(huì)從片面的實(shí)驗(yàn)中得出錯(cuò)誤判斷.

使用認(rèn)知沖突教學(xué)策略，教師可以直接提出問(wèn)題：輕重不同的物體哪個(gè)下落的快？再根據(jù)學(xué)生的不同回答進(jìn)行不同處理.學(xué)生在初中已經(jīng)經(jīng)過(guò)學(xué)習(xí)，大部分同學(xué)知道物體下落的快慢與輕重?zé)o關(guān)，會(huì)回答出“一樣快”的答案.高一學(xué)生對(duì)于初中知識(shí)理解有限，對(duì)于落體運(yùn)動(dòng)的實(shí)質(zhì)并沒(méi)有完全掌握.因此需要加深學(xué)生對(duì)落體運(yùn)動(dòng)的體驗(yàn)，從實(shí)驗(yàn)中體會(huì)并探究得出影響物體下落快慢的因素.此時(shí)再引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)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(shí)釋放，得到“重的物體下落快”的實(shí)驗(yàn)結(jié)論;使用紙片和更小的紙片揉成的紙團(tuán)實(shí)驗(yàn)，得到“輕的物體下落快”的實(shí)驗(yàn)結(jié)論.不同的結(jié)論顯然與學(xué)生一開(kāi)始簡(jiǎn)單的回答不一致，出現(xiàn)了強(qiáng)烈的認(rèn)知沖突，使得學(xué)生思考問(wèn)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(xué)生能夠通過(guò)分析比較，自主猜想推斷出與空氣阻力有關(guān)的結(jié)論.這時(shí)順勢(shì)提出使用牛頓管在真空條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，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?zé)o關(guān)的結(jié)論，引出自由落體的定義.

這樣在課堂用問(wèn)題引導(dǎo)學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力的同時(shí)強(qiáng)調(diào)了科學(xué)思維，用批判性思維思考問(wèn)題，學(xué)會(huì)建立科學(xué)模型并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，最后能夠?qū)?shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)和交流.不僅讓學(xué)生對(duì)自由落體的運(yùn)動(dòng)情況理解深刻，而且也培養(yǎng)了學(xué)生辯證思考能力以及分析、歸納、概括、總結(jié)等邏輯思維能力，養(yǎng)成良好的科學(xué)素養(yǎng).其后的牛頓管實(shí)驗(yàn)作為演示實(shí)驗(yàn)更為合適，可以由學(xué)生設(shè)計(jì)方案，選代表上臺(tái)配合完成實(shí)驗(yàn)，同樣能夠調(diào)動(dòng)學(xué)生的思考.

2.3 通過(guò)追溯物理學(xué)史激發(fā)認(rèn)知沖突

在課堂講授時(shí)，真實(shí)的故事往往對(duì)學(xué)生有極大的吸引力.生動(dòng)有趣的物理學(xué)史實(shí)為物理概念的教學(xué)創(chuàng)設(shè)了良好的學(xué)習(xí)情境，同時(shí)為創(chuàng)設(shè)認(rèn)知沖突提供了良好的條件.教學(xué)中可以利用歷史上的爭(zhēng)論引發(fā)學(xué)生的思考，通過(guò)啟發(fā)性的問(wèn)題引導(dǎo)學(xué)生思考并解決認(rèn)知沖突，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)科學(xué)概念的理解，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究意識(shí)，優(yōu)化學(xué)生的物理知識(shí)結(jié)構(gòu)，讓學(xué)生在潛移默化中向優(yōu)秀科學(xué)家學(xué)習(xí)，提升核心素養(yǎng).

例如，自由落體運(yùn)動(dòng)中亞里士多德和伽利略關(guān)于影響物體下落快慢的因素之爭(zhēng)，可以讓學(xué)生在故事中經(jīng)歷概念的轉(zhuǎn)變過(guò)程，構(gòu)建正確的認(rèn)知結(jié)構(gòu).在學(xué)生起初了解亞里士多德的結(jié)論時(shí)，根據(jù)生活經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為言之有理，認(rèn)為體積相同的兩個(gè)物體，較重的物體下落得較快，并且能夠舉出大量事實(shí)論證.此時(shí)告訴學(xué)生，正因?yàn)檫@些大量的“事實(shí)”，使得這一觀點(diǎn)持續(xù)了兩千多年無(wú)法反駁，直到16世紀(jì)末伽利略提出假設(shè)——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(gè)系統(tǒng)下落的速度應(yīng)該是最大的，但是當(dāng)兩個(gè)石頭捆在一起時(shí)，原先下落比較快的大石頭會(huì)因?yàn)楸恍∈^“拖累”而“減慢”，反駁了重物下落得快的結(jié)論.傳聞伽利略還在比薩斜塔上讓兩個(gè)大小一樣，輕重不同的球同時(shí)下落，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)球下落的快慢是相同的.

學(xué)生聽(tīng)到不同的觀點(diǎn)感到認(rèn)知平衡被打破，通過(guò)了解伽利略的假設(shè)和實(shí)驗(yàn)，逐漸接受了這一反駁的觀點(diǎn)，重新構(gòu)建認(rèn)知平衡.接下來(lái)，教師可以引導(dǎo)學(xué)生思考是否能夠找到反例，啟發(fā)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，使用體積相同但質(zhì)量不同的兩個(gè)不同材料的球，從同一高度同時(shí)釋放后，觀察發(fā)現(xiàn)下落情況相同，證明亞里士多德的說(shuō)法錯(cuò)誤，伽利略的說(shuō)法正確.經(jīng)歷了物理學(xué)家的探索過(guò)程，在認(rèn)知沖突解決過(guò)程中加深了學(xué)生頭腦中對(duì)正確物理觀念的理解，學(xué)會(huì)辯證看待問(wèn)題并自主構(gòu)建模型解決問(wèn)題，提升科學(xué)思維和探究能力.

3 結(jié)束語(yǔ)

基于認(rèn)知沖突模型設(shè)置的課堂環(huán)節(jié)趣味橫生，不斷激發(fā)學(xué)生自主探究解決問(wèn)題的興趣，在自發(fā)的學(xué)習(xí)研究中提升核心素養(yǎng)，課堂氣氛活躍且課堂生成內(nèi)容豐富，不難達(dá)到高效課堂的效果.對(duì)于類似自由落體現(xiàn)象這種學(xué)生在生活中已有一定的經(jīng)驗(yàn)和認(rèn)識(shí)卻存在錯(cuò)誤前概念的課堂教學(xué)，可以設(shè)計(jì)演示實(shí)驗(yàn)、構(gòu)建問(wèn)題情境、展示物理學(xué)史，給學(xué)生豐富的感性材料支撐.在學(xué)生對(duì)本質(zhì)不了解的情況下，找出針對(duì)性問(wèn)題進(jìn)一步設(shè)問(wèn)，造成認(rèn)知沖突的同時(shí)拓展學(xué)生思維，不僅讓學(xué)生對(duì)概念理解深刻，而且培養(yǎng)了學(xué)生的辯證思考能力以及分析、歸納、概括、總結(jié)等邏輯思維能力，養(yǎng)成良好的科學(xué)素養(yǎng).

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（收稿日期：2021-03-14）