激發(fā)“認(rèn)知沖突” 促進(jìn)“概念轉(zhuǎn)變” 實(shí)現(xiàn)“深度學(xué)習(xí)”

馮林峰 穆艷君 彭朝陽

【摘 要】深度學(xué)習(xí)是提升學(xué)生核心素養(yǎng)的重要途徑。本文基于新課標(biāo)對(duì)學(xué)科核心素養(yǎng)的要求，以“伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究”的教學(xué)為例，以學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)，激發(fā)學(xué)生前概念和現(xiàn)有知識(shí)的認(rèn)知沖突，利用概念轉(zhuǎn)變策略，糾正學(xué)生在自由落體這一章節(jié)內(nèi)容的錯(cuò)誤前概念，引導(dǎo)學(xué)生在“概念轉(zhuǎn)變”的過程中進(jìn)入深度學(xué)習(xí)的狀態(tài)，從而培養(yǎng)學(xué)生從生活問題走向建構(gòu)物理問題模型的意識(shí)，達(dá)到提升學(xué)生物理核心素養(yǎng)的作用。

【關(guān)鍵詞】認(rèn)知沖突;深度學(xué)習(xí);概念轉(zhuǎn)變策略

【中圖分類號(hào)】G633.7? 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A? 【文章編號(hào)】1671-8437（2021）16-0251-03

奧蘇貝爾有這樣一句名言：“影響學(xué)習(xí)的唯一最重要的因素，就是學(xué)習(xí)者已經(jīng)知道了什么，要探明這一點(diǎn)并應(yīng)根據(jù)此進(jìn)行教學(xué)[1]?！薄皩W(xué)習(xí)者已經(jīng)知道了什么”便是學(xué)習(xí)者的前概念，概念轉(zhuǎn)變策略可以有效幫助學(xué)生在已有前概念和即將學(xué)習(xí)的新知識(shí)之間建立關(guān)聯(lián)，促進(jìn)其對(duì)新知識(shí)的深度理解和學(xué)習(xí)，從而使學(xué)生掌握科學(xué)的學(xué)習(xí)方法，提升其核心素養(yǎng)。

“伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究”這一節(jié)內(nèi)容，第一次在高中物理知識(shí)體系中展現(xiàn)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律的過程，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生積極的物理情感、深化學(xué)生對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的理解以及促進(jìn)學(xué)生知識(shí)遷移有重要作用[2]。

1? ?創(chuàng)設(shè)情境，提出問題，引出學(xué)生的前概念

筆者在教學(xué)時(shí)，通過設(shè)問引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考，創(chuàng)設(shè)物理情境，激發(fā)學(xué)生思維，培養(yǎng)學(xué)生通過生活中的物理現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律的能力。

師：在同一高度同時(shí)無初速度放下一根羽毛和一個(gè)彈珠，誰先落地？

生：彈珠先落地。

師：說明什么問題？

生：質(zhì)量大的物體下落速度更快。

師：我們可以借助哪個(gè)物理量描述物體運(yùn)動(dòng)的快慢？

生：速度。

師：對(duì)，由此能得出什么猜想？

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

師：很好，除了質(zhì)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(guān)。

生3：物體下落速度可能與物體的形狀有關(guān)。

生4：物體下落速度可能與物體的種類有關(guān)。

師：好，接下來我們一起通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證同學(xué)們的猜想。

設(shè)計(jì)意圖：根據(jù)學(xué)生的回答，分析學(xué)生的前概念，創(chuàng)設(shè)情境，提出問題，為教學(xué)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生暴露其前概念，使學(xué)生在建構(gòu)模型的過程中逐漸發(fā)展并形成科學(xué)的探究思維，為深度學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。

2? ?實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，明確建立概念的事實(shí)依據(jù)

2.1? 采用“腳手架”策略，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證猜想

師：怎么驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)猜想呢？

生：通過控制變量來做對(duì)比實(shí)驗(yàn)，觀察并記錄數(shù)據(jù)，再分析得到的數(shù)據(jù)，進(jìn)而得出結(jié)論，驗(yàn)證假設(shè)。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：

實(shí)驗(yàn)1：將體積和形狀相同、質(zhì)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(shí)間。

實(shí)驗(yàn)2：將質(zhì)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(shí)間。

實(shí)驗(yàn)3：將質(zhì)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(shí)間。

實(shí)驗(yàn)所用物體：形狀和體積相同的正方體鐵塊和紙塊1（鐵塊質(zhì)量大）、質(zhì)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(zhì)量與紙塊1相同的長(zhǎng)柱狀紙塊2。

在教師的引導(dǎo)下，教師與學(xué)生利用實(shí)驗(yàn)器材做以上三個(gè)實(shí)驗(yàn)，觀察并記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

師：同學(xué)們?cè)趯?shí)驗(yàn)1中看到了什么實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象？

生：鐵塊與紙塊1同時(shí)被釋放，質(zhì)量較大的鐵塊先

落地。

師：根據(jù)此現(xiàn)象可以得出什么結(jié)論？

生：體積和形狀相同時(shí)，物體質(zhì)量越大，下落時(shí)間越短，下落速度越快。

師：在實(shí)驗(yàn)2中觀察到了什么實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象？

生：塑料塊與紙塊1同時(shí)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(jié)論？

生：質(zhì)量和形狀相同時(shí)，物體體積越小，下落時(shí)間越短，下落速度越快。

師：很好，在實(shí)驗(yàn)3中觀察到什么實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象？

生：紙塊1與紙塊2同時(shí)被釋放后，長(zhǎng)柱狀的紙塊2先落地。

師：兩紙塊有何區(qū)別？

生：它們的下表面面積不同，長(zhǎng)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(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)探究解決這個(gè)疑惑。為節(jié)約紙張，同學(xué)們分成三組，每組撕下兩張大小相等的草稿紙，一張對(duì)折一次，一張對(duì)折四次，將兩張紙分別平鋪在雙手上，在同一個(gè)高度同時(shí)無初速度釋放，同學(xué)們觀察到了什么現(xiàn)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(diǎn)與不同點(diǎn)？

生：質(zhì)量和體積相同，形狀不同。

師：對(duì)，形狀不同表現(xiàn)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(shí)與空氣的接觸面積不同，由此可以得出什么結(jié)論？

生：與空氣的接觸面積越大，下落的時(shí)間越長(zhǎng)，對(duì)應(yīng)的速度就越小，與剛剛實(shí)驗(yàn)3的結(jié)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(jié)于與空氣的接觸

面積。

師：很好，同學(xué)們的思路很清晰。

分析比較實(shí)驗(yàn)記錄后，得到物體下落的速度會(huì)受到物體的體積、質(zhì)量和形狀等因素的影響，結(jié)論與學(xué)生的前概念一致，學(xué)生可以直接吸收新知識(shí)，此教學(xué)過程體現(xiàn)的便是概念轉(zhuǎn)變策略中的“腳手架”策略。

設(shè)計(jì)意圖：通過建構(gòu)直觀的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生在模型建構(gòu)的過程中科學(xué)推理，在教師的引導(dǎo)下分析現(xiàn)象、提出假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、收集數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)、得出結(jié)論，得到物體下落速度與質(zhì)量、體積、形狀以及與空氣接觸面積的關(guān)系[2]，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)猜想，訓(xùn)練科學(xué)思維，讓學(xué)生在教師的引導(dǎo)下逐漸進(jìn)入深度學(xué)習(xí)狀態(tài)。

2.2? 采用認(rèn)知沖突策略，引出探究實(shí)驗(yàn)并驗(yàn)證猜想，得出結(jié)論

師：剛剛我們驗(yàn)證了物體下落速度和物體與空氣的接觸面積有關(guān)，那么與空氣接觸的面積為什么會(huì)影響物體的下落速度呢？會(huì)不會(huì)是因?yàn)榕c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(yàn)證這個(gè)猜想？

生：可以使用反證法的思想進(jìn)行驗(yàn)證，可在沒有空氣的環(huán)境下實(shí)驗(yàn)，若實(shí)驗(yàn)結(jié)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(guān)。

筆者做演示實(shí)驗(yàn)，準(zhǔn)備一個(gè)可以將內(nèi)部抽成近似真空狀態(tài)的牛頓管、羽毛和軟木塞。實(shí)驗(yàn)儀器準(zhǔn)備完畢后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將玻璃管內(nèi)部空氣狀況分為正常狀態(tài)、空氣稀薄狀態(tài)和近似真空狀態(tài)。將兩個(gè)物體放置于牛頓管底部，再迅速反轉(zhuǎn)玻璃管至豎直狀態(tài)，近似認(rèn)為兩個(gè)物體同時(shí)從最高點(diǎn)無初速度釋放，學(xué)生觀察和記錄實(shí)驗(yàn)

現(xiàn)象。

師：同學(xué)們看到什么現(xiàn)象？

生：正常狀態(tài)、空氣稀薄狀態(tài)下，都是軟木塞最先落到管底，只是空氣稀薄狀態(tài)兩者落到管底的時(shí)間間隔較小。近似真空狀態(tài)時(shí)，羽毛和軟木塞幾乎同時(shí)落到管底。

師：由此得出什么結(jié)論？

生：物體在近似真空環(huán)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(shí)間相同，下落速度也相同。

師：對(duì)，同學(xué)們總結(jié)得很好，那么這個(gè)現(xiàn)象與之前實(shí)驗(yàn)的差別在哪兒？

生：實(shí)驗(yàn)環(huán)境發(fā)生變化，之前的實(shí)驗(yàn)存在空氣阻力，而之后的實(shí)驗(yàn)環(huán)境為近似真空狀態(tài)，可以忽略空氣阻力對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響。

師：所以同學(xué)們?cè)谧鰧?shí)驗(yàn)前要關(guān)注什么？

生：先關(guān)注實(shí)驗(yàn)環(huán)境以及條件。

經(jīng)過一系列的科學(xué)探究討論后，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

結(jié)論1：外部有空氣且物體的體積和形狀相同時(shí)，物體的質(zhì)量越小，空氣阻力對(duì)其下落的運(yùn)動(dòng)阻礙效果越明顯，其下落速度越慢。

結(jié)論2：外部有空氣且物體的質(zhì)量相同時(shí)，物體下落時(shí)與空氣，接觸面積越大，空氣阻力對(duì)其下落的運(yùn)動(dòng)阻礙效果越明顯，其下落速度越慢。

結(jié)論3：在真空環(huán)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(gè)問題，既然下落的時(shí)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(duì)，老師補(bǔ)充一個(gè)推論，在真空環(huán)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(shí)的運(yùn)動(dòng)便是自由落體運(yùn)動(dòng)。同學(xué)們理解了嗎？

生：理解了。

學(xué)生學(xué)習(xí)的新知識(shí)與在生活中所遇到的物理現(xiàn)象以及從實(shí)驗(yàn)中總結(jié)的實(shí)驗(yàn)結(jié)論發(fā)生沖突，在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生重新建構(gòu)知識(shí)框架，從而對(duì)新知識(shí)的理解更加深刻，此過程中采用的教學(xué)策略便是認(rèn)知沖突策略[3]。

設(shè)計(jì)意圖：先通過折紙實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)學(xué)生將影響物體下落速度的因素歸結(jié)到空氣阻力上，再提出猜想并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(yùn)動(dòng)這一概念。在此過程中，學(xué)生再次歷經(jīng)科學(xué)探究過程，進(jìn)而促進(jìn)學(xué)生深度理解物體的加速度會(huì)受到外力的影響。

3? ?還原物理學(xué)史，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)物理學(xué)的積極情感

回到教材中的物理學(xué)史，伽利略敢于質(zhì)疑亞里士多德提出的物體質(zhì)量越大，下落速度越快的說法，并且做了大量的斜面實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(zhì)量和小球的高度，記錄和分析數(shù)據(jù)后得到結(jié)論，只要實(shí)驗(yàn)的斜面角度一定，無論小球的質(zhì)量改變與否，小球的加速度都相同，當(dāng)增大斜面角度時(shí)，小球的加速度隨之增大。從而推理得出，當(dāng)角度增大到90°時(shí)，所有物體的加速度都相同，小球的運(yùn)動(dòng)便是自由落體運(yùn)動(dòng)。伽利略將日常生活中質(zhì)量較大的物體下落的速度更快的現(xiàn)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(xué)研究中，懂得忽略什么，有時(shí)與重視什么同樣重要。

伽利略對(duì)運(yùn)動(dòng)的研究，不僅確立了很多用于描述運(yùn)動(dòng)的基本概念，還創(chuàng)造了一套對(duì)近代科學(xué)發(fā)展極為有益的科學(xué)方法，其核心便是把實(shí)驗(yàn)和邏輯推理（包括數(shù)學(xué)推演）有機(jī)結(jié)合起來，得到需要的實(shí)驗(yàn)結(jié)果、科學(xué)思維以及科學(xué)研究方法。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)習(xí)和體驗(yàn)伽利略對(duì)實(shí)驗(yàn)的探究過程，再次回顧前面的學(xué)習(xí)過程，幫助學(xué)生養(yǎng)成良好的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣，訓(xùn)練學(xué)生的邏輯推理能力和數(shù)據(jù)分析能力以及團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。借助教材還原伽利略做實(shí)驗(yàn)和推理的過程，進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容的理解，使學(xué)生體會(huì)發(fā)現(xiàn)物理學(xué)規(guī)律的艱辛過程，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生對(duì)物理學(xué)的積極情感。

總之，利用概念轉(zhuǎn)變策略引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)自由落體運(yùn)動(dòng)相關(guān)知識(shí)，能加深學(xué)生對(duì)運(yùn)動(dòng)與相互作用的認(rèn)識(shí)，讓學(xué)生歷經(jīng)科學(xué)探究過程，明白科學(xué)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(wù)實(shí)的科學(xué)態(tài)度。學(xué)生通過學(xué)習(xí)伽利略在研究時(shí)用到的邏輯思維和推演方法，培養(yǎng)觀察現(xiàn)象、發(fā)現(xiàn)問題、敢于提出問題、勇于實(shí)踐解決問題的科學(xué)思維。在課堂教學(xué)中，學(xué)生在教師的引導(dǎo)下進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，歷經(jīng)科學(xué)探究過程，訓(xùn)練科學(xué)思維，培養(yǎng)求真務(wù)實(shí)的科學(xué)態(tài)度和對(duì)物理學(xué)的積極情感，從而提高物理核心素養(yǎng)。

【參考文獻(xiàn)】

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

[2]惠廣俊.以深度學(xué)習(xí)為階梯 落實(shí)學(xué)科核心素養(yǎng)——以“伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究”的學(xué)習(xí)為例[J].物理教學(xué)探討，2020（6）.

[3]賈澤皓，申亞琴，張萍.關(guān)于紙質(zhì)圓柱形電容器的錯(cuò)誤概念及其轉(zhuǎn)變策略[J].物理教師，2019（7）.

【作者簡(jiǎn)介】

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

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

【通訊作者】

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