激发“认知冲突” 促进“概念转变” 实现“深度学习”

冯林峰 穆艳君 彭朝阳

【摘 要】深度学习是提升学生核心素养的重要途径。本文基于新课标对学科核心素养的要求，以“伽利略对自由落体运动的研究”的教学为例，以学生为主体，教师为主导，激发学生前概念和现有知识的认知冲突，利用概念转变策略，纠正学生在自由落体这一章节内容的错误前概念，引导学生在“概念转变”的过程中进入深度学习的状态，从而培养学生从生活问题走向建构物理问题模型的意识，达到提升学生物理核心素养的作用。

【关键词】认知冲突;深度学习;概念转变策略

【中图分类号】G633.7  【文献标识码】A  【文章编号】1671-8437（2021）16-0251-03

奥苏贝尔有这样一句名言：“影响学习的唯一最重要的因素，就是学习者已经知道了什么，要探明这一点并应根据此进行教学[1]。”“学习者已经知道了什么”便是学习者的前概念，概念转变策略可以有效帮助学生在已有前概念和即将学习的新知识之间建立关联，促进其对新知识的深度理解和学习，从而使学生掌握科学的学习方法，提升其核心素养。

“伽利略对自由落体运动的研究”这一节内容，第一次在高中物理知识体系中展现科学家发现物理规律的过程，对培养学生积极的物理情感、深化学生对自由落体运动的理解以及促进学生知识迁移有重要作用[2]。

1   创设情境，提出问题，引出学生的前概念

笔者在教学时，通过设问引导学生进行思考，创设物理情境，激发学生思维，培养学生通过生活中的物理现象发现物理规律的能力。

师：在同一高度同时无初速度放下一根羽毛和一个弹珠，谁先落地？

生：弹珠先落地。

师：说明什么问题？

生：质量大的物体下落速度更快。

师：我们可以借助哪个物理量描述物体运動的快慢？

生：速度。

师：对，由此能得出什么猜想？

生1：弹珠的质量与羽毛的质量不一样，所以物体下落速度可能与物体的质量大小有关。

师：很好，除了质量不同，它们还有什么物理属性不相同呢？

生：物体的体积、形状、种类。

师：由此还能得出什么猜想？

生2：物体下落速度可能与物体的体积有关。

生3：物体下落速度可能与物体的形状有关。

生4：物体下落速度可能与物体的种类有关。

师：好，接下来我们一起通过实验来验证同学们的猜想。

设计意图：根据学生的回答，分析学生的前概念，创设情境，提出问题，为教学设计提供依据。同时引导学生暴露其前概念，使学生在建构模型的过程中逐渐发展并形成科学的探究思维，为深度学习奠定基础。

2   实验验证，明确建立概念的事实依据

2.1  采用“脚手架”策略，通过实验验证猜想

师：怎么验证实验猜想呢？

生：通过控制变量来做对比实验，观察并记录数据，再分析得到的数据，进而得出结论，验证假设。

实验设计：

实验1：将体积和形状相同、质量不同的物体在同一高度无初速度释放，观察并记录物体下落的时间。

实验2：将质量和形状相同、体积不同的物体在同一高度无初速度释放，观察并记录物体下落的时间。

实验3：将质量和体积相同、形状不同的物体在同一高度无初速度释放，观察并记录物体下落的时间。

实验所用物体：形状和体积相同的正方体铁块和纸块1（铁块质量大）、质量与纸块1相同的正方体塑料块（塑料块体积小）以及体积和质量与纸块1相同的长柱状纸块2。

在教师的引导下，教师与学生利用实验器材做以上三个实验，观察并记录实验现象。

师：同学们在实验1中看到了什么实验现象？

生：铁块与纸块1同时被释放，质量较大的铁块先

落地。

师：根据此现象可以得出什么结论？

生：体积和形状相同时，物体质量越大，下落时间越短，下落速度越快。

师：在实验2中观察到了什么实验现象？

生：塑料块与纸块1同时被释放后，体积较小的塑料块先落地。

师：由此可以得出什么结论？

生：质量和形状相同时，物体体积越小，下落时间越短，下落速度越快。

师：很好，在实验3中观察到什么实验现象？

生：纸块1与纸块2同时被释放后，长柱状的纸块2先落地。

师：两纸块有何区别？

生：它们的下表面面积不同，长柱状的下表面面积

较小。

师：非常正确，那是不是就能说明下表面面积越小，下落的速度越快呢？

师：我们一起进行一个简单的实验探究解决这个疑惑。为节约纸张，同学们分成三组，每组撕下两张大小相等的草稿纸，一张对折一次，一张对折四次，将两张纸分别平铺在双手上，在同一个高度同时无初速度释放，同学们观察到了什么现象？

生：折叠四次的纸片比折叠一次的纸片先落地。

师：这两张纸片有何相同点与不同点？

生：质量和体积相同，形状不同。

师：对，形状不同表现在什么地方？

生：下表面面积不同。

师：很好，也就是说两张纸片下落时与空气的接触面积不同，由此可以得出什么结论？

生：与空气的接触面积越大，下落的时间越长，对应的速度就越小，与刚刚实验3的结果类似，所以影响纸块1与纸块2下落速度的因素也可以归结于与空气的接触

面积。

师：很好，同学们的思路很清晰。

分析比较实验记录后，得到物体下落的速度会受到物体的体积、质量和形状等因素的影响，结论与学生的前概念一致，学生可以直接吸收新知识，此教学过程体现的便是概念转变策略中的“脚手架”策略。

设计意图：通过建构直观的对比实验，让学生在模型建构的过程中科学推理，在教师的引导下分析现象、提出假设、设计实验、收集数据、分析数据、得出结论，得到物体下落速度与质量、体积、形状以及与空气接触面积的关系[2]，验证实验猜想，训练科学思维，让学生在教师的引导下逐渐进入深度学习状态。

2.2  采用认知冲突策略，引出探究实验并验证猜想，得出结论

师：刚刚我们验证了物体下落速度和物体与空气的接触面积有关，那么与空气接触的面积为什么会影响物体的下落速度呢？会不会是因为与空气的接触面积不同，所以受到的空气阻力不同，从而影响物体下落速度？

师：用什么方法可以验证这个猜想？

生：可以使用反证法的思想进行验证，可在没有空气的环境下实验，若实验结果与之前一致，那么物体的下落速度就与空气的接触面积无关。

笔者做演示实验，准备一个可以将内部抽成近似真空状态的牛顿管、羽毛和软木塞。实验仪器准备完毕后进行实验，将玻璃管内部空气状况分为正常状态、空气稀薄状态和近似真空状态。将两个物体放置于牛顿管底部，再迅速反转玻璃管至竖直状态，近似认为两个物体同时从最高点无初速度释放，学生观察和记录实验

现象。

师：同学们看到什么现象？

生：正常状态、空气稀薄状态下，都是软木塞最先落到管底，只是空气稀薄状态两者落到管底的时间间隔较小。近似真空状态时，羽毛和软木塞几乎同时落到管底。

师：由此得出什么结论？

生：物体在近似真空环境下，空气阻力几乎可以忽略，物体只受到重力作用，所以在相同高度无初速度释放的物体，下落时间相同，下落速度也相同。

师：对，同学们总结得很好，那么这个现象与之前实验的差别在哪儿？

生：实验环境发生变化，之前的实验存在空气阻力，而之后的实验环境为近似真空状态，可以忽略空气阻力对实验的影响。

师：所以同学们在做实验前要关注什么？

生：先關注实验环境以及条件。

经过一系列的科学探究讨论后，得出实验结论。

结论1：外部有空气且物体的体积和形状相同时，物体的质量越小，空气阻力对其下落的运动阻碍效果越明显，其下落速度越慢。

结论2：外部有空气且物体的质量相同时，物体下落时与空气，接触面积越大，空气阻力对其下落的运动阻碍效果越明显，其下落速度越慢。

结论3：在真空环境中，不存在空气阻力，物体只受到自身重力的作用，所有物体下落的速度都相同。

师：老师再提一个问题，既然下落的时间、高度、速度都相等，那么，还能推出什么物理量相等？

生：物体下落的加速度。

师：对，老师补充一个推论，在真空环境下，物体只受到重力的作用，无论什么物体下落的加速度都相等，其大小都为g，而此时的运动便是自由落体运动。同学们理解了吗？

生：理解了。

学生学习的新知识与在生活中所遇到的物理现象以及从实验中总结的实验结论发生冲突，在教师的引导下，学生重新建构知识框架，从而对新知识的理解更加深刻，此过程中采用的教学策略便是认知冲突策略[3]。

设计意图：先通过折纸实验引导学生将影响物体下落速度的因素归结到空气阻力上，再提出猜想并设计实验验证，得出在不存在其他外力的情况下，物体下落的速度和加速度都相同，从而引出自由落体运动这一概念。在此过程中，学生再次历经科学探究过程，进而促进学生深度理解物体的加速度会受到外力的影响。

3   还原物理学史，培养学生对物理学的积极情感

回到教材中的物理学史，伽利略敢于质疑亚里士多德提出的物体质量越大，下落速度越快的说法，并且做了大量的斜面实验验证猜想。如图1，伽利略通过增大斜面的角度以及改变小球的质量和小球的高度，记录和分析数据后得到结论，只要实验的斜面角度一定，无论小球的质量改变与否，小球的加速度都相同，当增大斜面角度时，小球的加速度随之增大。从而推理得出，当角度增大到90°时，所有物体的加速度都相同，小球的运动便是自由落体运动。伽利略将日常生活中质量较大的物体下落的速度更快的现象，归因于不同的物体所受的空气阻力不同。他写到：“如果能排除空气阻力的影响，那么所有的物体下落速度都相同。”所以，伽利略特意指出，在科学研究中，懂得忽略什么，有时与重视什么同样重要。

伽利略对运动的研究，不仅确立了很多用于描述运动的基本概念，还创造了一套对近代科学发展极为有益的科学方法，其核心便是把实验和逻辑推理（包括数学推演）有机结合起来，得到需要的实验结果、科学思维以及科学研究方法。

设计意图：学习和体验伽利略对实验的探究过程，再次回顾前面的学习过程，帮助学生养成良好的实验习惯，训练学生的逻辑推理能力和数据分析能力以及团队协作能力。借助教材还原伽利略做实验和推理的过程，进一步加深学生对教学内容的理解，使学生体会发现物理学规律的艰辛过程，进而培养学生对物理学的积极情感。

总之，利用概念转变策略引导学生学习自由落体运动相关知识，能加深学生对运动与相互作用的认识，让学生历经科学探究过程，明白科学探究过程中需要重视什么条件、忽略什么条件，需要秉持求真务实的科学态度。学生通过学习伽利略在研究时用到的逻辑思维和推演方法，培养观察现象、发现问题、敢于提出问题、勇于实践解决问题的科学思维。在课堂教学中，学生在教师的引导下进行深度学习，历经科学探究过程，训练科学思维，培养求真务实的科学态度和对物理学的积极情感，从而提高物理核心素养。

【参考文献】

[1]阎金铎，郭玉英.中学物理教学概论（第三版）[M].北京：高等教育出版社，2011.

[2]惠广俊.以深度学习为阶梯 落实学科核心素养——以“伽利略对自由落体运动的研究”的学习为例[J].物理教学探讨，2020（6）.

[3]贾泽皓，申亚琴，张萍.关于纸质圆柱形电容器的错误概念及其转变策略[J].物理教师，2019（7）.

【作者简介】

冯林峰（1998～），男，云南昭通人，云南师范大学物理与电子信息学院2019级硕士研究生。研究方向：物理学科教学。

穆艳君（1997～），女，甘肃陇南人，云南师范大学物理与电子信息学院2018级硕士研究生。研究方向：物理学科教学。

【通讯作者】

彭朝阳（1971～），男，江西安福人，云南师范大学教授。研究方向：物理课程教学论和天体物理。