引发认知冲突 发展科学思维

田成良

(北京市海淀区教师进修学校，北京 100080)

随着新一轮课程改革的推进,我国颁布了《中国学生发展的核心素养》框架,其中物理学科核心素养明确提出,发展学生科学思维的要求,要求从物理学科视角对客观事物的本质属性,掌握内在规律及相互关系,要基于事实证据和科学推理对不同观点和结论提出质疑、批判,进而提出创造性见解的能力与品质．与此同时,教育部也在全国推广“深度学习”项目,深度学习也是指向学生思维的发展,研究如何让学习真正发生的问题．如何发展学生的思维,让学生开展深度学习呢?笔者认为,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．

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,是已有知识和经验与新知识之间存在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同化对新知识的理解．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．引发认知冲突的策略有哪些呢?笔者通过对自己的教学经验和优秀案例梳理,整理如下.

1 链接新旧知识,引起认知冲突

学习物理之前,学生通过已有知识,以及对日常生活的观察,对很多物理现象便已有了自己的认识,这就是前概念．教学中,若能抓住学生已有知识,基于这些前概念,提出一些出乎学生意料的物理问题,往往会引发学生强烈的认知冲突,从而带来很好地教学效果．

图1

例如学习“闭合电路欧姆定律”一节时,学生在初中已经学过欧姆定律,并且已经运用得很娴熟了,所以一开始要让学生对新的学习的课题抱有求知欲.那么，怎么产生求知欲呢?把如图1所示的元件放在黑板上,临时组装一个简单的电路．灯泡正常发光,然后又加了第二节干电池,开关先不闭合,先问学生:“如果把开关闭合,这个小灯泡的亮度会有什么变化”?学生认为电压表的示数肯定要比原来更大啊,有的说要烧坏,结果开关一闭合,灯泡却比原来更暗了,造成了极大的认知冲突,这是为什么呢?并且看到电压表的指针比原来更小了,为什么两节干电池,反而比一节干电池更暗呢?原来那么高的电压,去哪里了呢?这些都是新的问题,根据学生初中已有的知识已无法回答．也就是说学生遇到了一个知识台阶,这种台阶就使他们产生一种学习的需求,心里不平衡,想要消除这种不平衡．这时候需要教师指明方向,原因在哪里?很明显,只有深入到电源内部去找原因.在初中,我们是不管电源内部情况的,但是高中物理,电源也要在我们研究的范畴里．所以要把整个电路作为我们的研究对象,学习与全电路有关的电学规律．短短几分钟一下让学生意识到新的学习内容对他的意义究竟何在．

2 利用生活素材,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的生活联系起来,引发学生的认知冲突,使学生意识到新经验与原有观念的不一致,从而激发他们产生学习的心理需求．下面事例是预料之外的,但是又在情理之中的,如果能够产生这样的效果肯定是很好的一种．

图2

例如在学习“重心”时,学生在初中就掌握了重心的知识,但经常犯错,所以针对这种情况设置了一个认知冲突情境,取一段PV管(如图2所示),问学生它的重心在哪里?学生说:“在中点”,然后把它搁到桌子上,中点刚好在边缘上,教师接着问:“如果放手后还能保持平衡吗”?学生说:“可以的”．放手后PV管仍然稳稳地在那里．然后把管子向外拉出一截,大半截在外面,然后再问学生“如果这个时候放手它还能够平衡吗”?学生异口同声答“肯定要倒啊”．结果一放手,管子仍然稳稳地停在那里,这时候大家目瞪口呆．很快有人提出,这个管子里面肯定有东西,果然发现管子根部有一段金属圆柱体塞在里面．然后再问学生:根据这个实验你得到什么启发?通过这个事例,学生自然就理解了重心的位置跟质量分布有关．经常把质量分布疏忽掉,容易犯错误.这个现象让学生掉进了知识陷阱,吃一堑长一智,这是一种认知冲突．

3 通过物理实验,引发认知冲突

在物理实验教学中, 常会在学生面前呈现出日常生活中不可经验得到的或意想不到的新现象．而学习者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．

图3

例如在学习“静电屏蔽”时,学生已经对静电平衡有了一定认识,知道静电平衡时,导体内部电场为0,内部表面没有电荷,电场线只能在空腔之外．在此基础上,可以利用实验进行拓展,引发学生的认知冲突,为使学生加深对静电屏蔽的认识,进行以下操作:在绝缘支架上放一个金属罩,把验电器放在罩内,用导线连接验电器的金属球和金属罩的内侧,如图3所示.用摩擦过的带电体接触金属罩上面的金属体,发现验电器的指针不张开,说明静电屏蔽有效果．然后,把验电器留在罩内不动,只是把接金属罩的导线改接在外侧,问学生,如果再给金属罩带电,验电器的指针会张开吗?学生认为,导线接带电的金属罩外侧,验电器带电,指针肯定会偏转．实验结果却发现给金属罩带电,指针并不偏转．为什么不带电呢?学生发出惊讶的声音．此时教师不用回答,接下来把验电器放在外面,用导线把验电器的金属球和金属罩的内侧连接,问学生“如果再给金属罩带电,验电器会张开吗”?学生以为,由于导线接在金属罩的内侧,内部不会带电,所以验电器不会带电,指针不会张开．教师接下来,用实验验证猜想,发现指针却偏转了,为什么验电器接金属罩的内侧,还带电呢?学生一脸满然．这时教师,再让大家重新思考,什么是金属壳的内外?由此,学生会对静电平衡和静电屏蔽的知识有一个更深的认识．

4 借助直观手段,引发认知冲突

在教学过程中, 运用实物、挂图、模型、投影片、录像、多媒体课件等提供的直观形象, 揭示学生的前概念与科学概念之间的差异和矛盾, 也能创设问题情境, 引发学生的认知冲突．

例如在学习“点电荷的电场”时,借助直观的辉光球即可引发冲突的效果．首先用测电笔接触教室内火线,氖管发光,然后把氖管取出,问学生,不接触火线或电源,氖管能否发光?学生认为,氖管不接触电源不可能发光．这时将高频、高压电加在辉光球中心电极上,在很短的时间内可以把它当静电场处理,然后把氖管放在发光的辉光球附近,发现氖管被“点燃”(如图4所示),学生发出惊讶的声音,“不接触电源怎么能发光呢”?改变氖管与辉光球的距离,看到氖管发光程度不同．教师引导学生从静电场的角度思考,沿电场线,电势有什么变化,从而理解氖管发光的原理．

图4

接下来,教师问:“用泡沫板隔在辉光球与氖管之间,氖管还能发光吗”?学生有的认为不能发光,有的认为能发光.这时教师演示,用泡沫板挡住,氖管仍能发光．教师问如果用铝板挡住氖管,还能发光吗?接下来,教师演示操作,发现氖管不发光了,于是学生认为金属铝板能挡住电场．这时教师让学生上讲台模拟演示,却又发现氖管仍能发光．到底铝板能不能隔氖管发光呢?这种矛盾的现象又怎样解释呢?学生陷入了迷茫,无法解释．这时教师揭秘,原来教师操作时,用一只手接触了铝板,把板上的电荷导走了,铝板不带电荷,氖管一侧不会有电场,所以氖管不发光．这种做法,形成了鲜明的对比,实验现象明显,激发了学生的求知欲,更深度发散了学生的思维．

5 通过科学魔术, 引发认知冲突

科学魔术是科学和魔术的结晶,依托于自然科学,但它又不同于简单的实验

操作,它用独特的神秘外套将实验的内容隐藏起来,引人入胜却又让人感到深不可测．引发学生的认知冲突,激发强烈的求知欲望,留下深刻的印象．

图5

在学习“平面镜成像”一节时,为激发学生的求知欲望,在引课环节,可以对物理实验进行“包装”,开发设计成科学魔术．表演过程如下:给学生展示一个空鱼缸,向里面加满水,问学生,我能从空鱼缸中变出金鱼来,你信吗?学生半信半疑,目不转睛地盯着鱼缸．接下来,用一块毛巾盖住鱼缸,然后转动鱼缸让大家观察,有无问题．接下来,喊1、2、3把毛巾拿开,水中出现了几条活泼的金鱼,游来游去．此时,学生不仅想问,鲜活的金鱼哪里来的呢?教师问:想知道其中的道理吗?学生异口同声地说：“想”,此时他们的求知欲已经被激发出来了．最后给大家揭秘,鱼缸的结构如图5所示,中间隔了两块平面镜(背面贴近),先把金鱼放在鱼缸的内侧,由于平面镜不透明,观众在前面看不到金鱼,但由于平面镜成像的原理,误认为看到的是整个鱼缸的空间．用毛巾盖住鱼缸,然后转动鱼缸,把装有金鱼的那侧转向观众,拿掉毛巾,金鱼就“变出来了”．这样,不仅能激发学生的学习兴趣,拓宽知识的视野,还能加深了对平面镜成像知识的理解．

总之,激发学生认知冲突的策略有很多.引发认知冲突是一种策略,更是一种教学艺术,需要我们教师进一步的开发和实践,才能形成有效的教学资源．引发认知冲突,能促进学生深度思考,能让学生真正走向科学探究之路,也是发展学生科学思维的催化剂和助推器．