協(xié)作知識建構(gòu) 消解認知沖突
——兼論“動能定理有無單一方向的分解式”

馬宇澄 黃 皓

（1.無錫市教育科學(xué)研究院，江蘇 無錫 214001；2.無錫市第一女子中學(xué)，江蘇 無錫 214002）

1 問題背景

協(xié)作知識建構(gòu)是近年來新興的建立在協(xié)作交互基礎(chǔ)之上的教學(xué)法，它在消解學(xué)生認知沖突方面有其獨到的價值和作用.

2022年某市高三一模測試，試卷第13題的該市得分率僅24%，0分率高達58.3%，均為全卷之冠.筆者在閱卷和做試卷分析時發(fā)現(xiàn)，學(xué)生大范圍地出現(xiàn)了應(yīng)用“單一方向的動能定理”解題的情況.

學(xué)生的答題情況至少表明以下兩點.

其一、有代表性的認知沖突已經(jīng)形成，亟待轉(zhuǎn)變；

其二、教師通過講評以消解主體內(nèi)認知沖突的教學(xué)策略在應(yīng)對此類問題時很可能是低效或無效的，否則很難解釋為什么不同層次的學(xué)生群體都會出現(xiàn)同樣的“低級錯誤”.

2 試題情況

2.1 試題

如圖1所示，一無限長通電直導(dǎo)線固定在光滑水平面上.一質(zhì)量為0.02kg的金屬圓環(huán)在該平面內(nèi)以大小v0=2m/s、方向與電流方向成60°角的初速度滑出，直到達到穩(wěn)定.求：

圖1

（1）整個過程金屬圓環(huán)產(chǎn)生的電能；

（2）整個過程金屬圓環(huán)受到安培力的沖量.

2.2 命題意圖分析

試題以計算題形式出現(xiàn).要求學(xué)生以電磁感應(yīng)為背景，從理解（閱讀題目、建立模型），推理（分析過程、速度的矢量性）以及綜合（運動與力的關(guān)系、安培力做功與金屬圓環(huán)動能變化之間的聯(lián)系、安培力的沖量與金屬圓環(huán)動量變化之間的聯(lián)系）3個方面考查學(xué)生物理思維能力.

2.3 答題情況分析

由于學(xué)生對動能定理的標量性認識不清，從而大量出現(xiàn)了如圖2、3所示等閱卷前意想不到的錯解.該題得分率竟低于壓軸題，且不同層次的學(xué)校學(xué)生答題表現(xiàn)差異不大；對此，教師和學(xué)生均需深刻反思.

圖2

圖3

3 協(xié)作知識建構(gòu)、消解認知沖突

3.1 認知沖突的劃分

協(xié)作知識建構(gòu)中的認知沖突具體劃分詳如圖4.依據(jù)待消解認知沖突的特點，筆者確定以消解主體間認知沖突為抓手.

圖4

學(xué)生意識到認知沖突后，一般會有兩種情況，強烈的求知興趣或焦慮情緒.實踐表明，如果執(zhí)教者不能通過有意義的協(xié)商進行認知再評價，進而走向更高質(zhì)量的知識建構(gòu)，學(xué)生的求知興趣會被削弱，焦慮情緒則被放大，由此他們很可能通過附和教師的講解來逃避協(xié)作學(xué)習.所以，在認知沖突的消解過程中，師生、生生交互協(xié)商是關(guān)鍵.基于此，執(zhí)教者應(yīng)設(shè)計并提供支架以促進認知沖突的消解.

理論結(jié)合實驗教學(xué) 專業(yè)實驗室一般是面向相關(guān)專業(yè)的大三學(xué)生使用，受眾面較窄，開放程度小，利用率較低?？煽紤]面向其他專業(yè)學(xué)生開設(shè)理論加實驗型選修課，即設(shè)定某一方向?qū)嶒瀮?nèi)容，先開展一定學(xué)時的理論學(xué)習，再開展相關(guān)實驗項目，一方面可提高專業(yè)實驗室的開放性及利用率，另一方面給學(xué)生提供更多的跨專業(yè)學(xué)習空間。

3.2 支架設(shè)計的依據(jù)和原則

協(xié)商性對話是認知沖突能否消解的關(guān)鍵所在.因此，本次實踐中支架設(shè)計的依據(jù)有.

其一、支架的設(shè)計需要保障學(xué)生發(fā)揮自己的主觀能動性，除非學(xué)生需要，執(zhí)教者不介入學(xué)生對其觀點的思考與建構(gòu)；其二、增強支架操作性和實踐性以幫助學(xué)生更加直觀明了地理解支架所提示的行為內(nèi)容.

依據(jù)協(xié)作知識建構(gòu)支架設(shè)計四原則（如圖5所示），筆者設(shè)計了選擇類、改善類兩類對話結(jié)構(gòu)性支架，據(jù)此開展相應(yīng)的教學(xué)實踐來驗證支架效果.個人以為取得了正向引導(dǎo)作用及后續(xù)積極效果.

圖5

3.3 教學(xué)實施

3.3.1 表達觀點、尋找依據(jù)

選擇類認知沖突指的是學(xué)生小組在面對兩種對立的觀點時只能且必須做出選擇時產(chǎn)生的沖突.

教學(xué)片段1：

師：依據(jù)選擇類支架（如圖6所示），正式授課前布置任務(wù)，討論“單一方向的動能定理是否成立？”，要求學(xué)生給出依據(jù).

圖6

甲方（占學(xué)生總數(shù)32%）觀點：不成立.功和能都是標量，不能進行矢量分解.依據(jù)有《對幾道物理題“謬解”的教學(xué)思考》《中學(xué)物理教學(xué)參考》2005年第4期；一模卷教師的批改；“知乎”“愛問知識人”上的解答等.

乙方（占學(xué)生總數(shù)45%）觀點：成立.建立直角坐標系，將力和速度都分解到坐標軸上，即可在x軸或y軸方向上應(yīng)用動能定理.依據(jù)有《存在動能定理的“分量形式”嗎？》，物理教師，2002 年第5期；《動能定理能在某個方向上使用嗎》《中學(xué)物理教學(xué)參考》2005年第8期；《動能定理是否有單方向的分解 式》《物 理 通 報》2021 年 第12 期；“作 業(yè)幫”上的解答等.

丙方（占學(xué)生總數(shù)23%）觀點：不知道，甲、乙方講得都有道理.

在這個教學(xué)片段中，認知沖突產(chǎn)生后，沖突雙方均無法說服對方，在無法明確界定對錯的情況下，觀點難以統(tǒng)一，討論即陷入循環(huán)與僵持.

3.3.2 解釋、反饋，協(xié)商性對話

改善類認知沖突指的是通過師生、生生協(xié)作找出沖突觀點中錯誤或不完善的地方，從而對觀點的內(nèi)容、邏輯等方面進行修改，在有意義協(xié)商的基礎(chǔ)上最終達成一致的沖突.

教學(xué)片段2：

師：依據(jù)改善類支架（如圖7 所示），布置任務(wù)：對支持者相對多數(shù)的乙方觀點進行探討.生：乙方代表闡述對自己觀點的理解和疑問.我的理解：動能定理存在建立在直角坐標系基礎(chǔ)上的單一方向“分解式”.

圖7

我的疑問：動能是標量，所以“分解”好像是說不通的.

我的解釋：“動能定理單一方向的分解式”應(yīng)該是特定情境下的專有名詞，與常規(guī)理解不同.

生：甲方、丙方展開熱烈討論，最后形成一致意見.物理定理的正確性取決于所依據(jù)的定律、理論和數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程的正確性，但以《動能定理是否有單方向的分解式》為代表的文章，其推導(dǎo)過程過于復(fù)雜，因此無法判斷，需要教師協(xié)助.

師：協(xié)助學(xué)生分析推導(dǎo)過程，形成如下共識.

這些文章的推導(dǎo)思路，其實都是兩步.第1步，對于二維運動或三維運動建立直角坐標系，將力和速度都分解到坐標軸上；第2步，計算坐標軸上某一方向合力與位移的標積（合外力對物體所做的功），發(fā)現(xiàn)等于這一方向上物體動能的變化.

生：繼續(xù)熱烈討論.

代表性意見1：對于一維運動，動能定理當然成立，這需要特別證明嗎？ 這些看似復(fù)雜的推演，好像并沒有什么新發(fā)現(xiàn).

代表性意見2：對于一維運動，在規(guī)定正方向后，矢量即可轉(zhuǎn)化為標量，如再進行推算，結(jié)果完全相同，過程卻要簡潔得多.

代表性意見3：如果文章中的推導(dǎo)邏輯成立，那么對于直角坐標系坐標軸上某一方向的運動，也可以說動量定理是個標量式.

生：學(xué)生達成共識.乙方、丙方表示，在沒有更完善的證明之前，他們將不再使用“動能定理單一方向的分解式”解答問題.

在上述教學(xué)片段中，認知沖突的源頭在于觀點本身的不完善，因此執(zhí)教者引導(dǎo)學(xué)生對觀點的論據(jù)進行細節(jié)反思，在協(xié)商性對話中形成標準，進而達成一致.這樣就可以打破沖突雙方的僵持，減少學(xué)生個體面臨沖突時的不確定感或低效能感，通過支架引導(dǎo)有效消解認知沖突，協(xié)作知識的建構(gòu).

4 結(jié)語

本次教學(xué)實踐并不會終結(jié)教師間的爭議，但它有力地證明了如能有理、有據(jù)、有技術(shù)地在核心概念形成處組織適度、必要的學(xué)生活動，學(xué)生之間的深度交互與協(xié)作是可以真實發(fā)生的，學(xué)生的協(xié)作學(xué)習能力與效率也必將隨之提高.