引发认知冲突 发展学生科学思维

毛新华 严晓松

(1江苏省张家港市常青藤实验中学 张家港 215600； 2江苏省张家港市崇真中学 张家港 215631)

认知冲突是一个人已建立的认知结构与当前面临的学习情境之间产生的无法同构的矛盾与冲突，是已有知识与经验和新知识之间存在的某种差距而导致的心理失衡。学生在学习新知识之前，头脑中并非一片空白，而是具有不同的认知结构，学生总是试图以原有的认知结构来形成对新知识的理解，当遇到不能解释的新现象时，就会打破之前低层次的“平衡”产生新的“冲突”，通过“冲突”不断化解实现新的平衡与发展。引发认知冲突是激发学习欲望、发展学生思维的重要手段和途径。那么，如何引发认知冲突呢，下面结合笔者多年的教学实践，通过具体实例探讨高中生物学教学中引发认知冲突、发展学生科学思维的几个重要途径。

1 链接新旧知识，引发认知冲突

新课教学之前，学生通过已有知识及对日常生活的观察，对很多生物学现象便已有了自己的认知，这就是前概念。教学中，若能抓住学生已有的知识，基于这些前概念，提出一些出乎学生意料的生物学问题，往往会引发学生强烈的认知冲突，从而带来很好的教学效果。

例如，在进行模块2“遗传与进化”中有关“生物的多样性和适应性是进化的结果”的新课教学时，学生对生物多样性的认识仅局限于物种多样性，对生物的进化的认识局限于达尔文的自然选择学说(图1)，怎样来突破学生这样的“知识瓶颈”呢？教师首先提出质疑： 达尔文自然选择学说被人们普遍接受，原因是什么呢？(学生凭已有知识和阅读教材回答： 能够科学地解释生物进化的原因以及生物多样性和适应性。)教师又问： 此理论是不是完美无缺呢？不足之处是什么？(学生分析、讨论后回答： ①不能科学解释遗传变异的本质；②进化的研究局限于个体水平。)教师再问： 随着人们进一步的研究，形成了以自然选择学说为基础的进化理论是什么？该理论是如何克服达尔文自然选择学说的不足之处的？该理论认为进化的三个基本环节和进化的实质是什么？通过步步引入和层层激发认知冲突，学生求知欲望大增，教师及时出示现代生物进化理论解释新物种形成示意图(图2)。

图1 达尔文自然选择学说解释新物种的形式示意图

图2 现代生物进化理论解释新物种形成的示意图

通过和达尔文自然选择学说示意图的比较和认知冲突的不断化解，学生由原来的认知结构逐步同化了新知识，对生物进化理论的发展有一个清晰的脉络，对知识的理解全面而深刻。

2 巧用生活素材，引发认知冲突

学生在生活中凭直觉和不够严密的概括形成了原始的认知结构。教师可以把课堂和学生生活实际联系起来，引发学生认知冲突，使学生意识到新经验与原有观念不一致，从而激发他们产生学习的心理需求。

例如，在夏至这一天，假设下列地区温度相同且同为晴天，问某相同大小的同种植物个体有机物积累最多的是( )： A.哈尔滨；B.北京；C.上海；D.海口。遇到这类问题时，学生往往根据生活经验，想象海口天气炎热，阳光充足，从而毫不犹豫地选择错误答案D。这道题是跨学科综合题，教师应及时根据地理学科知识启发提问： 在北半球，夏至这天，光照时间最长的地区在哪里？(学生回答或查询资料回答在北极，夏至这天，北半球出现极昼现象)，北极纬度怎样？(学生回答最高。)那么，上述供选地区纬度最高的应是哪一地区呢？学生顿悟，迅速得到正确答案A。

对于学生由于生活经验引发的“错误”，教师要加以引导，不失时机地进行点拨，起到指点迷津的作用，可使学生冲破混沌状态，突然茅塞顿开，思维顺畅。这样的教学效果必然能激发学生的学习兴趣，若教师一味地批评或直接纠正学生的错误，会挫伤他们学习的积极性。

3 借助课堂实验，引发认知冲突

通过生物学课堂实验，在学生面前呈现与他们已有知识和经验不能得到或者意想不到的新现象。学生要用原有认知结构去同化、解释这些新现象，往往感到困惑、迷惘，进而引发认知冲突，使学生产生强烈的探究欲望。

例如，在帮助学生理解“ATP是直接为细胞生命活动提供能量的一种有机物”时，学生初学时常有这样的思维冲突： 糖类是细胞生命活动的主要能源物质，而糖类中的葡萄糖又是重要的能源物质，并且葡萄糖是单糖，分子量小，易于吸收，抢救一个严重的低血糖患者时常常是静脉注射葡萄糖溶液，为什么葡萄糖不是细胞中的直接能源物质呢？如果能在课堂上创设一个实验体验情境，突破学生的思维障碍就能迎刃而解。为此，教师可设计“ATP使疲劳的腓肠肌恢复收缩能力”的演示实验： ①材料用具： 制备好的蛙腓肠肌；质量浓度为0.65 g/dL的氯化钠溶液,质量浓度为1.2 g/dL的葡萄糖溶液、ATP针剂；解剖盘、铜锌叉、玻璃分针、剪刀、载玻片、坐标纸、滴管、洗水纸、培养皿。②实验过程： 用剪刀剪下长约1 cm、宽约0.5 cm的一条新鲜的蛙腓肠肌，放入质量浓度为0.65 g/dL的氯化钠的培养皿中，在载玻片的中央滴2滴质量浓度为0.65 g/dL的氯化钠溶液。用玻璃分针挑取上述肌肉,放在载玻片上的氯化钠溶液中,并且使肌肉呈直线状，将载玻片放在坐标纸上，测量并记录肌肉的长度。用铜锌叉间歇刺激肌肉，直到肌肉疲劳不能收缩为止。随后向刚刚丧失收缩功能的这块离体肌肉滴上一滴质量浓度为1.2 g/dL的葡萄糖溶液，用铜锌叉刺激肌肉，测量并记录其长度。用吸水纸吸去离体肌肉上的葡萄糖溶液。最后向这块离体肌肉上滴1滴ATP溶液，用铜锌叉刺激肌肉，测量并记录其长度。

“百闻不如一见”，通过上述实验学生亲自观察到只有ATP能使疲劳的腓肠肌恢复收缩能力，而葡萄糖不能,从而对“ATP是直接为细胞生命活动提供能量的一种有机物”的理解有了更丰富的感性认识。

4 运用科学史，引发认知冲突

“科学思维”是指尊重事实与证据，崇尚严谨和务实的求知态度，运用科学的思维方法认识事物，解决实际问题的思维习惯和能力。生物科学的发展史就是一代代的科学家既继承了前人的科学成就，同时又利用批判性思维不断地对前人的科学成就进行发展与创新。

例如，对于“DNA是生物的主要遗传物质”这一生物学核心概念的由来就是一个较为漫长的认识过程(图3)，通过学习科学家的认识过程，教师在教学中适时引导，激发学生认知冲突，能很好地培养学生的科学思维。

图3 遗传物质的认识过程图

5 变换图像图表，引发认知冲突

图文并茂，以图代文，是生物学学科知识呈现的一大特点。图像中蕴含了大量的生物学信息，而这些信息是文字所无法描述的。生物学图像是生物学知识的载体之一，是生物学教学的第二语言。高考生物学试题中常出现很多图表，因为图表是生物学知识与物理模型之间、实验数据和数学模型之间的一条重要纽带，是具体与抽象相结合的体现，它能清晰、直观地表达生物现象和生理过程，正确反映生物的生理规律和内涵，是科学研究的好方法，是提高学生过程分析能力的有效途径之一。

例如，正常情况下我们理解染色体、染色单体及核DNA的关系时呈现图4，学生在学习中已经构建了着丝点分裂前后染色体形态的模型图，但在完成下面这道高考题时，产生了认知冲突，教师引导学生仔细审题，大多数学生能够突破思维障碍，完满得到正确答案。

图4 染色体数、染色单体数及核DNA分子数关系图

例题： 图5为某生物一个细胞的分裂图像，着丝点均在染色体端部，图中1、2、3、4各表示一条染色体。下列表述正确的是

图5 端部染色体细胞分裂图像

A. 图中细胞处于减数第二次分裂前期

B. 图中细胞的染色体数是体细胞的2倍

C. 染色体1与2在后续的分裂过程中会相互分离

D. 染色体1与3必定会出现在同一子细胞中

教师要引导学生审题时注重题干信息“着丝点均在染色体端部”，这与平时画的染色体着丝点在中部有显著不同。在新课教学时，如果能够适当补充和完善这方面内容，在画典型染色体模式图的同时及时变换图形，说明端部着丝点染色体的图形特点，学生就不难看出图5中有四对染色体，正好在四分体时期，1与2染色体为同源染色体，分裂过程中相互分离，正确答案为C。

把图表的教学渗透到高中生物学教学中，使解决问题的思路得以简化，这样不但传授了知识，同时也达到了提高学生分析问题和解决问题能力的目的。