消除认知冲突

摘 要：教学中多方面的信息可能会造成学生的认知冲突，影响学生对知识的理解。以滑动摩擦力教学中的两个难点为例，从学生认知的角度出发，设计实验教学，分析实验结果。通过对比实验及原理分析，消除“匀速”对学生的困扰；通过“多变量”“定量化”实验，明确接触面积不影响滑块所受的滑动摩擦力大小，并通过对“单变量”和“多变量”的比较，帮助学生更深入地理解控制变量法。

关键词：认知冲突；滑动摩擦力；等量替代法；控制变量法

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2024）10-0038-4

收稿日期：2024-04-10

基金项目：宁波大学教研项目“初中科学实验教学研究”（JYXMXZD2022175）。

作者简介：季嘉豪（2003-），男，本科生，主要从事中学科学实验教学研究。

*通信作者：王培卿（1979-），男，实验师，主要从事中学科学实验教学研究。

滑动摩擦力是初中物理教学的重要内容，重难点在于探究哪些因素会对滑动摩擦力的大小产生影响。学生通常会提出四个影响因素：滑块对接触面的压力、接触面积、接触面的粗糙程度和滑块运动速度。用控制变量法设计实验，完成实验并分析数据可知，有两个因素会影响滑动摩擦力的大小，即“滑块对接触面的压力”和“接触面的粗糙程度”。然而文献显示，在高中进行滑动摩擦力教学时，部分学生仍会将“滑块运动速度”和“接触面积”列为可能的影响因素［1-5］。

为了解学生对滑动摩擦力知识的掌握情况，本研究对宁波市124名中学生进行问卷调查，其中包括83名初中生和41名高中生。41名高中生均来自于普通高中学校，生源情况多样，涵盖学习基础较好的学生和普通学生。在问卷中，询问学生关于“哪些因素会对滑动摩擦力的大小产生影响”的看法。结果显示，选择“接触面积”的学生占比为60.48%，选择“滑块运动速度”的学生占比为20.97%。进一步分析发现，初中生中有56.47%的学生选择“接触面积”，23.53%的学生选择“滑块运动速度”；而高中生中，69.23%的学生选择“接触面积”，15.38%的学生选择“滑块运动速度”。

尽管学生的学习基础存在差异，但调查结果表明大部分学生对滑动摩擦力的知识掌握欠佳。半数以上的学生认为“接触面积”会影响滑动摩擦力的大小，这一错误认知在高中生和初中生中均有所体现。这一结果提示教师需要深入分析学生错误理解的根源，并设计相应的教学方案来帮助他们纠正这些误解。

1 问题分析

通过与学生交流及分析教学过程，发现有两个可能因素对学生产生误导。第一，在以滑动速度为变量的教学中，文献和教材［5-10］都提到“滑块做匀速直线运动”。学生在实验时常常难以控制滑块的滑动速度，并使其保持匀速，这增加了实验操作的难度，而在后续的课堂数据分析中，却得出“滑动摩擦力的大小与滑块的滑动速度并无直接关联”的结论。这种“实验过程中的速度控制要求”与“实验结果中的速度无关性”之间的不一致，会使学生感到困惑。实际上，学生在理解这一概念时出现了偏差，错误地认为：“实验过程中需要控制木块是否匀速，因此摩擦力的大小可能与滑块是否匀速有关，进而摩擦力大小与速度有关”。

第二，在感受摩擦力时，学生将一根手指按在桌面上时易于滑动，将整个手掌按在桌面上时难以滑动。学生由此认为“接触面积越大，滑动摩擦力也越大”。在实践教学中，教师用弹簧测力计牵动长方形滑块，将滑块平置、竖置、侧置于桌面上，滑块和桌面的接触面积改变，而滑块在桌面上滑动时受到的滑动摩擦力却不变，因此可知接触面积没有改变滑动摩擦力的大小。上述实验操作简单、现象明显，是很好的实验教学。但是，没能对学生原有的感受作出解释。此时，学生会有两种相互冲突的认知：一方面是自己的感受，另一方面是实验数据，学生知道正确答案，但不知道自己的感受为什么是错误的。

可见，认知冲突导致了学生不能正确理解知识，教师需要从学生的认知角度分析问题，进而解答学生的困惑。

2 文献分析

在“探究摩擦力大小与滑块滑动速度的关系”的相关文献中，多是关于教具改进的文章［5-6，11-13］，分析教学过程的文章较少。梁旭［14］指出，中学“滑动摩擦力”的教学目标包含“学生能正确理解滑动摩擦力与物体运动速度无关”。桑兆飞［15］通过课堂教学发现，在组织学生小组实验中，学生一般是设计滑块做匀速直线运动，而如何控制滑块匀速又成为小组实验中费时的难点。黄晶［16］提出，可以根据粤教版高中物理教材中一道课后练习来改进实验，以非匀速拉动滑块下的长方形木块，突破教学中维持滑块匀速运动的难点。总体而言，多数文献提出了新颖的实验改进方案［5-6，11-16］，但较少文献涉及原理讲解，这导致学生的认知冲突依旧未能消除。

在“探究摩擦力大小与接触面积”的相关文献中，研究者们通常探讨滑动摩擦力与接触面积之间的关系［17-20］，并将其作为教学的重点和难点。众多教师［21-24］在“摩擦力”一课中将“手掌在桌面滑动感受到阻力”作为课堂导入，以引导学生切身体验滑动摩擦力。谢昱圣［25］指出，在实际教学中，有学生发现使用一根手指滑动较整个手掌滑动更为省力，由此产生了滑动摩擦力与接触面积有关的错误概念。蔡钳、陈信余［18］、钱勇［19］与龚劲涛［20］从微观角度分析滑动摩擦力的实质，旨在回答滑动摩擦力与接触面积无关的原理，但该理论涉及电磁力与刚体力学的知识，学生的错误性认知并没有得到针对性纠正。

综合来看，众多文献提供了有益的改进方案，并进行了富有深度的讨论，但鲜有文献从认知冲突的角度消除学生的疑惑。

3 教学设计

3.1 滑块是否要做匀速运动

教材中的实验设计用到“等量替代”法，即将滑块受到的滑动摩擦力大小与滑块受到的拉力大小在数值上等同。有学生提出，是否只有在滑块做匀速运动时“等量替代”才能成立？解释这一问题可从对比实验着手。

实验a是教材中的方案，实验b［16］是在教学中广泛采用的方案（图1）。这一组实验的目的不是改进设计，而是结合教学内容引导学生对比思考。

观察速度变化的瞬间，弹簧测力计的读数是否变化。在实验a中，通过弹簧测力计拉动滑块，在拉动过程中改变滑块的滑动速度，弹簧测力计的读数会有较大变化；在实验b中，将弹簧测力计固定在铁架台上，滑块放置在长木板上，弹簧测力计通过一根细长线和滑块相连，以变速拉动长木板，弹簧测力计的读数仍能保持稳定。

用拉力传感器替代实验b中的弹簧测力计，可以更直观地呈现实验数据。并分别以慢、中、快三个速度拉动长木板，滑块所受滑动摩擦力分别对应图2中①②③三段。可见，长木板移动速度的快慢不影响滑块所受滑动摩擦力的大小。

虽然实验b的方案在教学中被广泛采用，但仍有误解。文献［6-7］所提及的实验b，仍要求长木板做匀速运动，该要求会加深对学生的误导。

因此，有必要分析其背后的实验原理。对于实验a，速度变化的瞬间滑块受力不平衡，增大滑块的滑动速度时，弹簧测力计对滑块的拉力大于滑块受到的滑动摩擦力；减小滑块的滑动速度时，弹簧测力计对滑块的拉力小于滑块受到的滑动摩擦力。对于实验b，速度变化的瞬间滑块受力平衡，增大或减小长木板的移动速度，弹簧测力计对滑块的拉力都不变，仍在数值上等于滑块受到的滑动摩擦力大小。因此，在实验a中，只有滑块做匀速运动，才满足“等量替代”的条件；在实验b中，不需要保持长木板匀速运动，就可以“等量替代”。教材中使用了实验a，所以要强调滑块做匀速运动。

通过教学，学生知道为何实验a中滑块应做匀速运动，而实验b中长木板不必保持匀速运动，消除了“匀速”对概念理解的困扰，对“等量替代”法的使用条件有了更清晰的认识。

上述讨论表明，教材中部分欠合理的实验方案会造成学生的认知冲突，需要教师在教学中加以改进。

3.2 学生的感受错在何处

在研究滑动摩擦力大小和接触面积之间的关系时，现有实验操作简单、现象明显，是很好的实验教学，但是没能对学生的体验感受作出解释，学生用手指在桌面滑动的体验可能是其错误认知的根源。因此，笔者设计实验，力图将学生的“感受”模型化、数量化，以便于解释。

以教学应尽量简洁、避免复杂化为标准，对下述实验设计进行细致梳理，认为“数量化”是可行且必要的，尤其是考虑到在现有教学方案下，有超过半数的学生不能掌握相关内容，而明确的数值对比有助于学生更清楚地理解实验，消除认知冲突带来的困惑。

使用材质、形状、大小都相同的滑块和其他器械，组装四组不同的实验装置（图3），进行实验，得到实验数据（表1）。其中，滑块质量为100 g，滑块底面积为3.5 cm2，取g = 9.8 m/s2。

对比组别c、d可知，压力不变，即使改变接触面积，滑动摩擦力大小也不变，这是现有实验教学可以得到的结果。但是如前所述，此结果不能解释学生通过手指在桌面滑动得到的感受。因此，可以将数据对应手在桌面滑动的状态，在此基础上进行数值分析，将学生的“感受”模型化、数量化。

对比组别c、e可知，在接触面积不变，压力增加一倍的情况下，滑动摩擦力会增大一倍，对应于增加手指对桌面的压力，滑动摩擦力增大。对比组别c、f可知，在接触面积增加一倍，压力增加一倍的情况下，滑动摩擦力会增大一倍，对应于增加在桌面滑动的手指数量，滑动摩擦力增大。

从学生感受的角度，第一组对比是由于压力的增大，导致的滑动摩擦力增大；第二组对比是由于接触面积的增大，导致的滑动摩擦力增大。这是“感受”引起的错误认知。

将“感受”和实验数据相结合进行分析，可以容易发现在第二组对比时，“感受”是如何错误的。在第一组对比中，变量是单一变量——“压力”，在描述手指滑动状态变化时，感受是压力变化。在第二组对比中，变量是双变量——“压力”和“接触面积”，在描述手指滑动状态变化时，感受常常只局限于接触面积变化，而忽略了压力也增大的事实。

由此可以明确学生认知冲突的根源：在学生增加手指数量时，压力和接触面积都有变化，而学生通常只注意到接触面积的变化，从而产生错误的认知。而后续实验教学采用“控制变量法”，不仅没能消除学生的错误认知，反而可能将其加深。因为控制变量实验是改变单变量，学生容易将前面的手指滑动体验实验也当作单变量实验。

需要明确并强调，手指在桌面滑动以感受摩擦力的实验，可能会导致学生的错误认知。学生体验手指滑动是一个多变量情境，而研究影响滑动摩擦力大小因素的实验是单变量情境。这细微的差异可能加深了学生的错误认知，教师应在教学中指出单变量和多变量的不同，既有利于学生正确理解滑动摩擦力的相关知识，又可以帮助学生更深入地理解控制变量法。

由此，通过将“感受”模型化、数量化，学生会发现“接触面积越大，滑动摩擦力也越大”是一种错觉，而产生这一错觉的原因是忽略了压力的影响。通过数据对比，学生可以分析变量对实验结果的影响，更好地理解压力、接触面积与滑动摩擦力之间的关系。

4 结 论

以上两个教学设计可以使学生更清楚地理解“等量替代”法，消除“匀速”对学生的困扰；使学生辨析体验实验中的“多变量”和控制变量实验中的“单变量”，看到物理规律如何被多变量所遮蔽，进而加深对控制变量法的理解。清楚地解释“滑块是否要做匀速运动”及“学生的感受错在何处”，可达到更好的教学效果，从而消除学生的认知冲突。

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