指向深度学习的高中物理教学中学生认知困难的分析和对策

(江苏省震泽中学，江苏 苏州 215200)

深度学习要求学生以内在学习需求为动力，以理解性学习为基础；运用高阶思维批判性地学习新的思想和事实；能够在知识之间进行整体性连通，将它们融入原有的认知体系进行建构；能够在不同的情境中创造性地解决问题；能够运用元认知策略对学习进行调控，并达到专家程度的学习。[1]然而，在高中物理教学中，学生的学习存在各种认知困难，建构缺乏理解性、批判性、整合性和创造性，远未达到深度学习的要求。所以，研究学生认知困难的产生原因和化解策略，对推进高中物理的深度学习具有重要意义。

1 思维定势导致认知困难

思维定势在学生的学习过程中经常存在，它贮存在一个由新旧知识组成的认知结构之中，其积极作用表现为面对新知识、新问题会迅速地联想并运用旧知识、旧技能进行认知。但当这个认知结构的分辨率不高时，即可出现新旧知识的干扰和混淆，其消极作用也容易暴露出来，在思想方法上表现为墨守成规，按一种模式化的思路分析和思考问题，不利于(甚至是干扰和排斥)新旧知识的同化和顺应。

在研究闭合电路中电源输出功率随外电阻变化的规律时，会讨论如下结论：当外电阻等于内阻时，电源的输出功率达到最大。笔者在单元复习时设计了以下例题。

例1:在下列4个电路中，闭合开关后哪一个电源的输出功率最大？

解析：结果是多数学生选择了B，学生的这种错误正是由于思维定势的负迁移所致。结果表明，学生对规律的理解不够到位，没有注意到该结论的适用条件：内阻是常量，外电阻是变量。正确答案应该是A。

思维冲突下学生中出现的错误是良好的教学资源，它能催生学生内在的学习需求和动力，教师应趁势引导学生对原有认识进行再认知和改造，及时反思和评价自己的思维，运用元认知策略监控自己的思维活动，推动思维得以升华。[2]这样的教学促进了数学和物理知识的整体性连通，引导学生将新知识融入原有认知体系，运用高阶思维批判性地改造原有认知。

针对思维定势的负迁移，在教学中应该注意以下几方面：(1) 通过迁移训练使学生打破思维定势，必须有意识地针对学生的元认知设计迁移训练，对学生的结果给予及时的反馈和评价，引导学生进行元认知监控。(2) 物理理论已经把相关物理现象和经验概括化了，比个别经验和事实更具有普遍性。在教学中要加强对基本概念的深度剖析和重要规律的应用指导，通过具体情境剖析物理概念的内涵、外延，与相关概念加以区别和联系，在规律应用中关注适用条件、思想方法和思路，帮助学生克服思维定势的负面影响。(3) 注重培养学生的概括能力。学生的概括能力是影响学生思维定势的重要因素，如果学生具有高度的概括能力，就能概括出新旧知识、经验之间的关系以及各种规律间的联系，所以，比较应成为学生理解和思维的基础。

2 错误经验导致认知困难

学生在学习时往往有经验性知识，这些经验会以表象或概念的形式保留在记忆中，形成一个阶段性的认知结构，其中正确的经验可为更高层次、更广范围的学习和创新奠定基础。但错误经验产生的“心理错觉”却会引起思维障碍，从而产生认知困难。

比如物体在竖直平面内做圆周运动，通过最高点的最小速度(临界速度)的问题，很多学生根据经验，想当然地认为是零。教师不妨从两方面来分析，帮助学生实现对原有认知的自我改造和认识的自主升华：一是进行受力分析，应用牛顿运动定律；二是从离心运动与近心运动的条件切入。上述分析整合了学生多方面的知识，引导学生对已有知识进行深层次加工。最终，使学生形成一个完整认识：对于无支撑模型，过最高点时速度要足够大，大到重力不足以提供向心力，有离心的趋势，这样物体紧贴着轨道(或使绳子绷紧)，还受到一个指向圆心的力，它和重力一起提供向心力。上述分析有助于学生将原有的碎片化知识和认知加以整合，引导学生深入思考。

例2：货车以8m/s的速度在铁路上行驶，由于调度事故，在大雾中后面600米处有一快车以20m/s的速度在同一轨道上行驶。快车司机发现后赶快合上制动器，但快车仍要滑行2000米才能停下来。试判断两车会不会相撞？

解析：很多学生从自己的经验出发，简单地认为:只要计算出快车停止时与货车的相对距离，就可以判断快车是否与货车相撞，结论是两车不相撞。而事实上，当快车速度减小到等于货车速度时，若两车仍未相撞，则两车将相安无事，因此本题的关键在于要分析计算两车速度相等时的相对距离。对此，教师可通过三种分析加以引导和纠正：一是借助数学函数；二是分析两者的运动过程和相对运动情况；三是借助速度-时间图像分析过程和临界情况及条件。此分析过程并未增加学生负担，因为分析是在应用学生的知识储备，并实现了整合，提升了学生分析问题、解决问题的能力。

针对学生的错误经验，通过问题触发学生的思维，引领学生耐心分析、深入思考，引导学生纠正或摒弃原有认知结构中“先入为主”和“想当然”的经验错觉，逐步培养学生“一切都需要小心求证”的良好思维品质。通过认知的迁移，加速知识向更高级理解的转化，实现物理的知识梯度螺旋上升，构建一个逐渐完善的认知结构。在教学中应加强方法指导、思想引领，引导学生对知识进行更深层次的加工，推动学生能力提升，以实现学力进步，甚至催生学生的创造和创新能力。

3 隐蔽信息导致认知困难

在物理问题中，如果含有隐蔽信息，则可以考查和培养学生思维能力和判断能力，当然也会给学生的认知带来困难。

例3：一长轻质薄硬纸片置于光滑水平地面上，其上放质量均为1kg的A、B两物块，A、B与薄硬纸片之间的动摩擦因数分别为μ1=0.3，μ2=0.2，水平恒力F作用在A物块上，如图2所示。已知最大静摩擦力等于滑动摩擦力，g取10m/s2。下列说法正确的是( )。

图2

A. 若F=1.5N，则A物块所受摩擦力大小为1.5N

B. 若F=8N，则B物块的加速度为4.0m/s2

C. 无论力F多大，A与薄硬纸片都不会发生相对滑动

D. 无论力F多大，B与薄硬纸片都不会发生相对滑动

解析：本题中，“轻质”看似一个不起眼的条件，其实它隐蔽着一个关键条件。“轻质”意味着质量不计，纸片所受合力必定为零，A、B对纸片的摩擦力肯定大小相等，而A与纸片间的最大静摩擦力较大，故A与纸片间不可能发生相对滑动，否则纸片的加速度将会无穷大。

有时，学生对关键条件不能科学解读和科学建模，不能实现“已知条件具体化，文字语言数学化”，这一关键条件便成了一种非典型性隐蔽信息。

例4：绝缘平面上的A、B两点分别固定两个正的点电荷Q1和Q2，若A、B间相距为L，现以AB为直径画一个半圆弧(如图3)，试求出圆弧上电势最低点的位置。

图3

解析：电势最低点的特点是本题的关键，对其科学解读可源于如下分析：设想一个正检验电荷沿半圆弧移动，分析电场力对其做功的情况，从而得到电势能变化的情况，进而得到电势变化的情况。设圆弧上P点电势最低，则正检验电荷在该点具有的电势能最小，那么电荷从圆弧上其他位置移到P点的过程(无论是从左侧还是从右侧)，电场力都是做正功，也就是说电荷在圆弧上其他点所受电场力一定存在指向P点的切向分量，而在P点电荷所受电场力恰好沿半径方向。可见抓住电荷在电势最低点的受力特征，问题便能迎刃而解。

本题看似内容单一，其实包含的知识容量很丰富，含有电势、电场强度、电势能、电场力做功等知识，其中还隐含了如何确定电势高低分布的思想方法，学生正是由于不能捕捉到题中所隐含的信息，而对本题无从下手，只能“俯首称臣”。所以，在平时的教学中要指导学生挖掘隐蔽信息，特别是关键性的隐蔽信息，并且引导学生对其进行科学解读，使学生对隐蔽信息的挖掘、解读的意识和能力得到不断加强，从而克服由隐蔽信息带来的认知困难。

4 结语

造成学生认知困难的原因不止上述三点，依据具体原因又可细分成若干点，但这些都是表象。学生种种认知困难的存在都指向一个深层次的教学现状：高中物理教学普遍存在思维肤浅的现实，学生的学习停留在浅表层次。肤浅化教学过程中学生的思维是低阶的，分析能力和思维深刻性得不到提升，思维没有反思性和批判性，获得的知识不能灵活应用，更谈不上创造和创新。目前的教学并未做到以下几点：教师基于学生元认知选择真正最具代表性的典型问题，让学生在面对认知挑战下实现元认知体验，通过师生对话引导学生独立思考，在元认知监控下解决认知困难。

通过上述分析可见，要从根本上解决学生的认知困难，引导学生进行深度学习是必然选择，深度学习应该成为化解学生认知困难的总策略，同时，策划和化解学生认知困难又是实现深度学习的有效途径，它们是相辅相成、相互促进的。教师应该引导学生在“问题解决”中，提高“决策能力”，形成“自我调整”的意识，逐步培养“批判性思维能力”。[3]另外，教学是基于元认知理论，通过反思性教学，提高学生反思性思考的意识和行动能力，以促进深度学习，提升学生思维的深刻性。如此，学生的认知困难便能自然而然地得到根本性化解。可以看出，本文化解认知困难的具体做法都是在指向深度学习，在化解认知困难中引领学生进行深度学习，同时，通过深度学习的推进，提升学生自主化解认知困难的能力，以期从根本上解决问题。