基于认知冲突培养学生的科学思维

周洁

[摘   要]在教学过程中，通过情境创设引起学生一定的认知冲突，可以帮助学生理解教材，并驾驭教材。文章以“揭秘重心奥秘”为例，通过情境创设、问题产生、质疑评价、内化提升这四个步骤，探讨基于认知冲突的学生科学思维的培养策略。

[关键词]认知冲突;科学思维;重心奥秘

[中图分类号]    G633.7        [文献标识码]    A        [文章编号]    1674-6058（2020）32-0056-02

教师在教学过程中要以学生原有认知为基础，设置对学生来说具有一定的情感特征的，能够激起学生认知冲突的外部环境，【1】以帮助学生认识概念及规律，进而驾驭基本知识，掌握相关技能，而不是被知识牵着鼻子走。在初中物理教学过程中，如果能够在情感上激起学生认知冲突，形成科学的认知结构，最终使学习的概念及规律得以科学建构，就能使学生的身心得到发展，进而培养学生的科学思维，提升学生的核心素养。

一、产生认知冲突的几种情形

认知冲突是指学生学习的新知识或新情境与已有认知结构不能相互融洽，导致学生对将要学习的新知识存在不同想法的客观现象，如果能够有效利用学生的认知冲突，将会使教学产生事半功倍的效果，因为学生在这种情况下记忆犹新，理解深刻，产生新的思维。生活中使学生产生认知冲突的几种情形。

1.对学生认知结构掌握不深刻

教师在备课时要充分考虑学生的原有认知结构，新授课的内容是否能够利用原有认知结构，帮助新授课顺利进行，不能仅仅考虑知识与分数，让知识孤立于原有认知之外，这样的物理课堂是一种机械式宣讲，谈不上什么科学思维，这样的教学何谈核心素养的培养。

2.创设的情境与学生认知结构不匹配

现在物理课堂教学引入的方式之一就是创设情境，然而创设的情境一定要考虑学生的认知结构，不与学生的认知相匹配的情境将不利于课堂教学的开展，只能是单纯地教授知识，这样的学习，会使学生产生厌学情绪，使学生失去学习兴趣。

3.学生认知结构与思维发展不相适应

初中阶段，是学生由形象思维向抽象思维过度的阶段，教师应认清学生的认知结构，将课堂教学与学生的抽象思维相结合，通过适量训练，培养学生的科学思维。

二、认知冲突下学生科学思维的培养

培养学生思维能力的教学流程如图1所示。

【创设情境】

杂技演员在表演时，手拿一根细竹竿，在竹竿的尖端顶着一个旋转的瓷盘，演员在做各种动作时，盘子却不会掉下来，这是為什么呢？

【产生问题】

倘若我们在欣赏杂技演员精湛的艺术表演的同时，思考相关问题，仔细琢磨其中的物理原理，揭开“杂技之谜”，会更加觉得趣味无穷。

选用细且较长的竹竿，主要是控制竹竿的重心位置，使竹竿的重心处于较高位置。

关于物体的重心，涉及以下几个问题。

（1）如何确定重心的位置？

重心是重力的作用点，质量分布均匀、形状规则的物体的重心就在它的几何中心上。形状不规则的物体的重心可以用悬挂法来确定，如图2所示是悬挂法寻找重心的方法;也可以采用支撑法来确定物体的重心，即将形状不规则的物体按如图3的两种方法确定重心O。

（2）重心是否一定在物体上？

重心是重力的等效作用点，是力的三要素之一，根据物体的形状、质量分布等可以判断出重心可以在物体上，也可以不在物体上。例如均匀规则的圆环，重心在其圆心处，不在圆环上;均匀规则的直角三角形，重心也在略靠近中心的空心处。

（3）重心的位置一定不变吗？

一般情况下，静止不动的物体重心的位置是不会变化的，但是，如果物体的位置发生变化，重心的位置是可能会发生变化的，如人在走路时，重心的位置是会时高时低的，即单脚着地时重心的位置高点，双脚着地时重心的位置低点;弯腰时重心的位置会变低。

（4）重心的位置对物体的稳定度有影响吗？

改变重心位置，可以改变物体的稳定度，比如一般大型卡车在运载货物时，往往会将较重的物体堆放在卡车的下部，而将较轻的物体堆放在较重物体的上方，这样可以降低卡车运载货物的重心，提高卡车在运行过程中的稳定性。

【质疑评价】

李吉林老师认为“情境教学就是创设典型情境，激发学生强烈的求知欲，把情感活动和认知活动结合起来的一种教学模式”。这种教学模式能够在一定程度上激发学生的情感，在学生原有经验知识与现有认知水平之间产生认知冲突，进而解决师生、生生与生本之间无法科学有效建构的问题。这就要求教师在教学过程中充分认清学生原有的认知结构，创设适合学生的情境，这种情境既能激起学生对新知识的探究欲望，引发学生的认知冲突，又能提升学生自主学习与终身发展相一致的核心素养，如图4所示，这样基于情境创设，激发学生认知冲突的教学策略，提升了学生的学习兴趣。

如图5是玩具“不倒翁”，被扳倒后会自动立起来的奥秘是重心较低，不易倾倒，原因是当倾斜相同的角度时，重心低的物体不易超出它的底部支撑范围，因而不易倾倒，所以重心越低越稳定。然而，在竹竿顶碟的杂技表演情境中，杂技演员需要选用细且较长的竹竿来表演杂技，细且较长的竹竿重心较高，杂技演员怎么能轻松自如地控制竹竿来表演杂技呢？这不是与“重心越低越稳定”相矛盾吗？

【内化提升】

重心的高低对物体的稳定度是有影响的，其实重心越低越为稳定，重心越高越容易控制平衡，即改变重心位置，提高物体的稳定程度，即重心位置越高，越容易控制平衡。如杂技表演，一个演员头顶一根竹竿，竹竿顶端上还有一个人，由于重心很高，如果发生倾斜，倒下的时间较长，下面的人就有较多时间调整，反之，如果竹竿很短，下面的人就很难控制，这就像用手指顶根铅笔，铅笔很难被顶立起来的一样。

比如，在如图6所示的情境中，旅游登山时背囊中的物品有轻有重，应该怎样摆放才能使人不易向后倾倒，应该怎么办？

旅游登山时由于背囊中的物品受重力作用，这时人有向后倾倒的趋势，为了不使人向后倾倒，人要稍微向前弯曲，这时为了使人能够保持平衡，就应使物品的重心与人的重心在一条直线上，如图6是作出人的重力示意图，这里需尽可能使物品的重心在人的重力作用线上，即把重的物品放在背囊上部，如果把重的物品放在背囊下部，此时物品的重心离重力作用线距离偏大，人容易倾倒。

这种情况就如同一位学生站在墙边，身体竖直靠紧墙壁，将外侧的脚抬起，如图7所示，这位学生将会倾倒，也是由于人的重心偏离平衡位置，在重力作用下产生倾倒现象的原因。

揭秘重心奥秘：基于情境创设揭秘重心的奥秘可以归纳为以下三点：（1）重力的等效作用点是重心，均匀规则直棒的重心在棒的中心处;不均匀物体重心的位置，与物体的形状、质量分布等有关，可以通过悬挂法找到其重心位置;（2）物体的重心可以在物体上，也可以不在物体上，比如质量分布均匀的圆环重心在圆心处，不在圆环上;（3）重心的高低对物体的稳定度是有影响的，重心越低越稳定，重心越高越容易控制平衡，即控制物体的稳定程度需要降低重心，保持物体的平衡程度需要提高重心。

情境创设对激发学生认知冲突有着不可替代的作用，更为教师的教与学生的学架起一座连心桥。因此，教师在教学过程中应创设适合学生的情境，激发学生的认知冲突，使学生成为主动学习的研究者和寻觅人，进而为学生的终身学习打下良好的基础。

（责任编辑 南 宾）