利用认知冲突有效教学 落实物理学科核心素养

徐瑞璟 李春密

摘 要：认知冲突是进行概念转变教学的基础，随着物理学科核心素养的提出，利用认知冲突进行有效教学为核心素养的落实提供了一种可行的教学策略.以“自由落体运动”为例，展示如何通过演示实验、问题引导、追溯物理学史等方法创设认知冲突，激发学生主动学习的积极性，发展学生的物理学科核心素养.

关键词：认知冲突;物理学科核心素养;自由落体;有效教学

中图分类号：G633.7     文献标识码：B     文章编号：1008-4134（2021）11-0048-03

随着课程改革的深入推进和立德树人根本任务的落实，物理学科核心素养的受重视程度与日俱增.物理学科核心素养是学科育人价值的集中体现，是学生通过学科学习而逐步形成的正确价值观、必备品格和关键能力.为了落实培养学生的物理学科核心素养，设置认知冲突不失为一条有效的教学策略.认知冲突能够激发学生的学习内驱力，让学生集中注意力主动探索问题，促进学生物理认知结构的优化，利于教学的有效落实.因此，利用合理的认知冲突引导学生有目的地探究学习，是发展学生物理学科核心素养重要的教学手段.教师可以通过新颖有趣的演示实验、批判思辨的问题引导、生动形象的物理学史来创设认知冲突，为物理教学创造良好的条件.

1 认知冲突的内涵

认知冲突是认知发展过程中，学习者原有认知结构与现实情境之间的冲突或矛盾，是已有的知识经验与新知识不一致而暂时心理失衡的一种认知状态.皮亚杰在认知发展理论中提出了“同化”和“顺应”两个过程，认为学习是在原有知识和思维基础上构建认知结构的过程，而认知则是在对知识连续的同化和顺应中得以发展，最终达到外界与认知结构的较高水平的平衡.因此，要学习即同化新的知识，就需要对已有的观念进行调整和转变.费斯汀格在认知失调理论中提出，当学习者认知失调时，不和谐感会迫使个体去消除这种失调的感受.所以，建立认知冲突就是人为制造认知失调，让学生产生学习的内在动机，主动去解决认知冲突，有效进行概念转变，达到高效学习的目的.

学生在正式学习之前并不是一无所知，而是已经具备了一定的生活經验，对于物理问题有一定的认知和解释，即被称为“前概念”.其中部分经验是正确的，但对于中学生来说，大多数认知并不符合科学知识.科学学习不仅是在头脑中建构正确概念，更重要的是转变学生持有的错误概念.如何把错误的前概念转变为正确的科学知识，重建学生的知识体系，对教师的教学手段和方法提出了更高的要求.在概念转变的教学策略中，教师可以利用认知冲突进行教学，以学生为主体，从学生的前概念入手，准确创设基于生活的物理情境，同时挖掘不同于前概念的现象本质引发认知不平衡，真正激发学生的学习动机和兴趣，最大化地提高课堂效率，让学生产生自主学习的欲望，从而加深对科学概念的印象，完成错误前概念的转变，优化学生的物理认知结构，发展正确的物理观念和科学思维.

2 建构基于认知冲突的物理教学模型

波斯纳提出概念转变的条件为：学习者对原有概念的不满，以及新概念的可理解性、合理性、有效性.Tsai基于波斯纳的概念转变模型提出了四个解决认知冲突的条件：对科学概念有基本理解;学习过程有批判性事件或解释;关联科学概念;找到其他支持性认知.认知冲突的创设要在了解学生前概念的基础上，教师首先需要充分了解学生学情，精准分析和把握错误前概念，基于学情创设物理情境，提出问题让学生解释，在讨论过程中构建认知冲突的不平衡状态，从而让学生在寻求解答中同化新知识，最终构建新的概念.

另外，在创设认知冲突的时候应注意考虑学生的独立解决问题的现有水平与指导下可能发展水平的差异，即维果斯基提出的“最近发展区”，在学生的能力范围内，让学生产生学习的兴趣和信心，感受到解决认知不平衡问题的成就感.在此期间，教师引导学生构建模型、关联概念，启发学生思维，评估学生的认知并对批判性问题加以修正和解释，保持学生探索新知识的积极性，培养学生的物理学科核心素养.

2.1 通过演示实验激发认知冲突

物理演示实验是为了展示物理现象，揭示物理的发生发展过程，引导学生进行观察思考，并配合教学内容而由教师操作示范的实验，它是物理教学中最富有活力的部分.一个好的演示实验可以对教学起到很好的辅助作用，不仅能丰富学生的生活体验、加深对物理现象的直观感受，还有利于激发学生探究问题的积极性和对物理学科的兴趣.教师一方面可以利用传统实验激发学习兴趣，立足教材的演示实验，培养学生认真观察、积极思考的核心素养;另一方面可以通过现代化的教育技术深度挖掘和改进教材实验培养学生的核心素养.其中基于生活现象的物理情境更能引发学生的共鸣，教师可以从学生身边熟悉的现象着手，得出与学生认知完全不同的现象，通过创设认知冲突，引导学生将注意力集中到所研究的对象和物理现象上，引发学生积极主动的思考.

在新课引入环节，教师可以选择有趣的演示实验激发学生的兴趣，以一个魔术形式的演示实验迅速吸引学生的注意力.由于实验现象出乎意料，与学生的生活经验不符，从而产生强烈的认知冲突，让学生对课堂内容产生兴趣.从学生有亲身感受的一些生活现象导入演示实验，可以诱发他们探究问题的欲望，加深对该问题的印象.在学过相关内容之后，引导学生对演示实验进行回顾解释，发现魔术也是源于科学原理，发展科学思维的同时进行了破除迷信热爱科学的唯物主义教育.

例如，在自由落体运动的新课教学中，常用的方法是通过列举生活中物体下落的例子，直接给出落体运动的概念.学生容易受生活经验的影响，没有经历概念转变的过程.根据认知冲突教学策略，可以选用水和水瓶自由下落的实验，让装满水的有一个孔的矿泉水瓶自由下落，让学生观察漏水的情况.学生根据生活经验错误认为水会一直流出，对此实验现象感到好奇，实验中学生注意力集中.对于水瓶下落太快难于观察的问题，可以在水中添加红色颜料，以白纸做背景，再用实物投影帮助观察，亦可利用手机拍下视频进行慢放，让全班同学都得到水瓶在空中时没有水流出的直观感受，快速调动学生的学习热情.

還可以让学生参与其中，如让学生站在水流正下方，水流一开始越过头顶下落，然后释放水瓶，观察到学生没有被水淋湿，与学生错误的前概念产生冲突.虽然此实验仅一名学生参与其中，但全班都在注意该生是否会被淋湿的现象，实践效果很好，也同样能达到引起认知冲突、激发兴趣的效果，为后续分析自由下落时的运动特点埋下伏笔.之后在得出自由落体运动的特点后回顾解释：由于水瓶和水在自由落体运动过程中运动状态完全相同，均为初速度从0开始，只在重力作用下做加速度为g的匀加速直线运动，整瓶水内部之间没有相互作用，因此水不会流出.

2.2 通过问题引导激发认知冲突

在问题引导的情境中，教师可以直接抛出问题，当学生回答一种答案后，做出与回答不符的其他结果，引发课堂冲突，再引导学生研究，借此让学生主动参与，经历思考过程，发表自己的见解，教师做出适当鼓励并加以修正和引导，让课堂顺着学生的思路延伸，提高课堂参与度，体现学生的主体地位.

例如，自由落体运动的概念通常通过实验解释，让学生观察比较轻重物体的下落情况得出概念.其实对于自由落体现象，学生在生活中已有一定的经验和认识，只是存在错误的前概念.通过对比实验引入的教学设计属于通过观察归纳得出结论，认知冲突不够强烈，学生认为只是生活中的常见现象，对实验印象不够深刻，部分同学仍会从片面的实验中得出错误判断.

使用认知冲突教学策略，教师可以直接提出问题：轻重不同的物体哪个下落的快？再根据学生的不同回答进行不同处理.学生在初中已经经过学习，大部分同学知道物体下落的快慢与轻重无关，会回答出“一样快”的答案.高一学生对于初中知识理解有限，对于落体运动的实质并没有完全掌握.因此需要加深学生对落体运动的体验，从实验中体会并探究得出影响物体下落快慢的因素.此时再引导学生进行实验探究更为有效：使用大小形状相同的纸片和光盘从同一高度同时释放，得到“重的物体下落快”的实验结论;使用纸片和更小的纸片揉成的纸团实验，得到“轻的物体下落快”的实验结论.不同的结论显然与学生一开始简单的回答不一致，出现了强烈的认知冲突，使得学生思考问题出在哪里，究竟为什么不同情况物体下落快慢不同.最终让学生能够通过分析比较，自主猜想推断出与空气阻力有关的结论.这时顺势提出使用牛顿管在真空条件下进行实验，证明的确是空气阻力影响了物体下落的快慢，得出物体下落快慢与轻重无关的结论，引出自由落体的定义.

这样在课堂用问题引导学生自主设计实验方案，培养学生的科学探究能力的同时强调了科学思维，用批判性思维思考问题，学会建立科学模型并设计实验验证，最后能够对实验结果进行评价和交流.不仅让学生对自由落体的运动情况理解深刻，而且也培养了学生辩证思考能力以及分析、归纳、概括、总结等逻辑思维能力，养成良好的科学素养.其后的牛顿管实验作为演示实验更为合适，可以由学生设计方案，选代表上台配合完成实验，同样能够调动学生的思考.

2.3 通过追溯物理学史激发认知冲突

在课堂讲授时，真实的故事往往对学生有极大的吸引力.生动有趣的物理学史实为物理概念的教学创设了良好的学习情境，同时为创设认知冲突提供了良好的条件.教学中可以利用历史上的争论引发学生的思考，通过启发性的问题引导学生思考并解决认知冲突，强化学生对科学概念的理解，培养学生的科学探究意识，优化学生的物理知识结构，让学生在潜移默化中向优秀科学家学习，提升核心素养.

例如，自由落体运动中亚里士多德和伽利略关于影响物体下落快慢的因素之争，可以让学生在故事中经历概念的转变过程，构建正确的认知结构.在学生起初了解亚里士多德的结论时，根据生活经验认为言之有理，认为体积相同的两个物体，较重的物体下落得较快，并且能够举出大量事实论证.此时告诉学生，正因为这些大量的“事实”，使得这一观点持续了两千多年无法反驳，直到16世纪末伽利略提出假设——大石头要比小石头下落得快，那如果将两块石头捆在一起，总的重量就比大石头还要重，因此整个系统下落的速度应该是最大的，但是当两个石头捆在一起时，原先下落比较快的大石头会因为被小石头“拖累”而“减慢”，反驳了重物下落得快的结论.传闻伽利略还在比萨斜塔上让两个大小一样，轻重不同的球同时下落，发现两个球下落的快慢是相同的.

学生听到不同的观点感到认知平衡被打破，通过了解伽利略的假设和实验，逐渐接受了这一反驳的观点，重新构建认知平衡.接下来，教师可以引导学生思考是否能够找到反例，启发学生设计实验，使用体积相同但质量不同的两个不同材料的球，从同一高度同时释放后，观察发现下落情况相同，证明亚里士多德的说法错误，伽利略的说法正确.经历了物理学家的探索过程，在认知冲突解决过程中加深了学生头脑中对正确物理观念的理解，学会辩证看待问题并自主构建模型解决问题，提升科学思维和探究能力.

3 结束语

基于认知冲突模型设置的课堂环节趣味横生，不断激发学生自主探究解决问题的兴趣，在自发的学习研究中提升核心素养，课堂气氛活跃且课堂生成内容丰富，不难达到高效课堂的效果.对于类似自由落体现象这种学生在生活中已有一定的经验和认识却存在错误前概念的课堂教学，可以设计演示实验、构建问题情境、展示物理学史，给学生丰富的感性材料支撑.在学生对本质不了解的情况下，找出针对性问题进一步设问，造成认知冲突的同时拓展学生思维，不仅让学生对概念理解深刻，而且培养了学生的辩证思考能力以及分析、归纳、概括、总结等逻辑思维能力，养成良好的科学素养.

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（收稿日期：2021-03-14）