物理演示实验教学中认知冲突策略的实践研究

汪颖 彭晓春

【摘要】学生如何学习新知识呢？往往会尝试运用已有认知结构去理解新知识，当无法用已有知识结构解释新知识时，就会产生认知冲突。在物理课堂教学中教师可以通过演示实验引导学生进入到认知冲突的状态，又通过演示实验走出了认知冲突的迷茫。演示实验是揭示学生原有认知结构与新观念对立的重要手段，“演示实验是在学习者的面前引起日常生活中不可能经验到的现象，违背学习者常识的实验结果，将造成学习者意识中的认知失衡状态，摆脱这种认知矛盾状态求得解放的需求，就成了学习的动机”。课堂需要认知冲突，愤、悱状态是学生处于最佳的认知和最强求知欲的时刻。演示实验展现教材中新、旧知识点呈现的“矛盾”引发认知冲突;演示实验展现学生猜想与实验事实的“矛盾”引发认知冲突;演示实验展现日常经验性知识与科学知识的“矛盾”引发认知冲突。

【关键词】物理演示实验;认知冲突;实践研究

一个人已建立的认知结构与当前面临的学习情境之间暂时的矛盾与冲突就是认知冲突，是学生已有的认知与对新知识的理解之间存在某种差距而导致的意外与心理失衡。就高中物理教学而言，即学生原有物理知识结构与新知识之间存在的差异而产生的一种无法理解的心理茫然状态。学生在学习新知识的过程中，往往会尝试调动已有知识结构去理解新知识，当无法用已有知识结构解释新知识时，就会产生认知冲突，就会产生解决新问题的渴求和欲望。教师应善于引发并利用学生的认知冲突，激发学生的求知欲，调动学生的学习积极性，重新建构已有的知识结构，打通“任督”二脉，走出茫然无措的状态，让新的知识精彩呈现，使课堂教与学的效果提升。

演示实验是学生获得感性材料的重要源泉，成功的演示实验，让学生印象鲜明而深刻，教师利用演示实验引导学生进入到认知冲突的状态，又通过演示实验走出了认知冲突的迷茫。在物理教学中，揭示学生原有认知结构与新观念对立的重要手段是演示实验，“通过演示实验在学习者的面前引起日常生活中不可能經验到的现象，违背学习者常识的实验结果，将造成学习者意识中的认知失衡状态，摆脱这种认知矛盾状态求得解放的需求，就成了学习的动机”。课堂需要认知冲突，愤、悱状态是学生处于最佳的认知和最强求知欲的时刻。

1.演示实验展现教材中新、旧知识点呈现的“矛盾”引发认知冲突

要展现物理教材中新、旧知识的矛盾，就一定要对新旧知识有充分的了解，使学生的新旧知识发生有效的联系。

【案例】在上物理选修3-1时遇到这样一个练习题（有删减内容），

如下图所示，电源电压保持不变，小灯泡L1、L2、L3是相同的三只灯泡，当S 与S1闭合时，灯L1能够正常发光，当S2、S3都闭合，灯泡L1亮度会如何改变？

学生认为：灯L1依然能够正常发光，亮度不变。

原因分析：在初中物理所学的电路，主要是恒压源，即总是认为电源的电压是一个定值，所以当S2、S3都闭合，学生们此时还是认为加在灯泡L1两端的电压没有改变，灯泡电阻不变，因而L1亮度不变。其根本原因是没有考虑电源的内阻。

于是设计了如右图所示的演示实验：

1）闭合干路电键和某一支路电键，灯泡发光。

2）闭合干路电键和某两支路电键，两灯泡发光变暗了。

3）闭合干路电键和某两支路电键，三灯泡发光明显变暗了。

学生所观察到的演示实验的现象，与学生所得到的结论不相吻合，学生解释不了，陷入迷茫。引入学生对闭合回路欧姆定律的研究与学习之中。利用演示实验呈现了新、旧知识之间的矛盾，产生了认知冲突，引导着学生积极的思考，关注老师进一步知识的讲解。

【案例】在讲圆周运动的应用时，将“水流星”这个杂技表演节目搬到了教学课堂上，进行实验演示。给杯子中装水，周边套上绳，让杯子快速地在竖直面内作圆周运动，水流星在演示的过程中，学生纷纷躲闪，担心水从杯中流出，结果快速转动一会儿，发现即使经过圆周运动最高点时，水也没有从杯子中流出。

老师引导发问：装水的杯子经过最高点时，杯口朝下，为什么水不会漏出来呢？学生们陷入思考，并且放松了对水杯的戒备。老师逐渐降低水杯转动的速度，一下子水又漏了出来，附近学生惊叫起来。老师再次发问：为什么现在水杯的水会漏出来呢？老师边演示实验边引导学生思考。在以往旧知识中倒转水杯，水是会漏出来的。可现在快速转动水杯，水杯倒挂时不漏水，而缓慢转动时，水杯倒挂水还是会流出。此时利用演示实验展现教材中新、旧知识点呈现的“矛盾”引发学生的认知冲突。然后引导学生对最高点水的受力分析，揭开水流星的秘密。

2.演示实验展现学生猜想与实验事实的“矛盾”引发认知冲突

在物理学习的过程，学生利用已拥有的知识，对一些物理现象进行了猜想，可是结果却“不可思议”。

【案例】在讲《力的分解》时，“一指断钢丝”演示实验，引导学生掌握力的分解规律。

师：上课前我们先来做个实验。（展示钢丝）这是一根钢丝，请一位学生来试试能否将钢丝拉断，男生劲大，请一位男生来做这个实验。（示意一男生甲）

男生甲：（戴上准备好的棉手套，使了很大的劲，脸涨红了，可是钢丝没有拉断）

师：（教师微笑着出招，按照上图所示将钢丝固定在A、B两）下面我们请一位女生上来拉断钢丝。（示意女生乙）

女生乙：（女生在老师的引导下，从中部压下，钢丝瞬间断裂）

全班学生：惊呼。（该现象超出了学生猜想结论之外）

师：太不可思议了，这位女生完成了刚才那位男生无法完成的事，这是什么原因呢？要揭开这个谜底，需要学习“力的分解”。

该实验操作过程简单明了，实验现象清晰直观，具有较强的视觉冲击力，让学生在“不可思议”中产生认知冲突，钢丝是很难断的，这是已有的认识，为什么现在用了这样的方式，一位手无束鸡之力的女生就能拉断钢丝呢？由此激发了学生学习的兴趣，使学生处于愤悱的状态之中，思维的火花等待着点燃。

【案例】在学习“超重失重”时，为了让学生认识完全失重状态，设计了一个演示实验，一个盛水的塑料瓶两侧有小孔，当塑料瓶静止放置时，小孔内会有水柱流出。

老师问：同学们，如果现在让塑料瓶自由下落，小孔内还会有水柱流出吗？

有学生回答：会啊。

老师演示实验，学生对小孔进行观察，学生惊奇地发现小孔内没有水柱流出了。因为下落太快，学生观察现象不明显，于是用手机“慢动作”拍摄下来，然后放给学生们观看，可以清晰地看到水柱在自由下落开始的瞬间就停止流出。学生感觉到“不可思议”。

老师引导：为什么塑料瓶自由下落时，小孔内没有水溢出？是因为水对瓶没有了压力，如果液体受到重力而使内部存在压力，小孔以上部分的水对以下部分的水的压力造成小孔处的水流出。当瓶子自由下落时，瓶中的水处于完全失重状态，小孔以上部分的水对以下部分的水没有压力，小孔没有水流出。

老师进一步引导：完全失重状态就是物体对支持物的压力（或对悬挂物的拉力）为零的状态。

在对完全失重状态的认识过程中，先通过演示实验打破学生认知平衡，让学生处于惊异于现象而又难以理解的状态，在老师引导重新建构了对完全失重的理解，使得学生的认知达到新的平衡，使认知得到了发展。

3.演示实验展现日常经验性知识与科学知识的“矛盾”引发认知冲突

有的学生在学习物理时是经验主义，依据日常的经验去思考问题，通过演示实验展现“出乎意外”的结果，引发学生的认知冲突。

【案例】在讲授牛顿第三定律时，找两名同学做拔河游戏，其中一个是高大结实的男生，一个是瘦弱体重很轻的女生。结果男生轻松就赢了。

老师问：男同学为什么能贏女同学？

学生答：当然是因为男同学的力气比女同学大，男生拉女生的力大于女同学拉男生的力。

老师接着做实验，让男同学穿上了溜冰鞋和女同学再进行拔河比赛，结果女同学轻松地获胜了。

老师接着引导：男生拉女生的力大于女同学拉男生的力，那为什么女生获胜了呢？

这时候，学生脑海里就产生了眼前的现象与自己头脑中的预设不一样的认知冲突。学生们会继续思考决定拔河输赢的因素究竟是什么？男生拉女生的力大于女生拉男生的力这个原因不正确吗？带着疑惑，学生们尝试着通过努力学习解决疑难的问题。

【案例】在讲“自感现象”时，通过“闭合电路后灯才‘逐渐亮，而断开电路后灯却‘不会立即熄灭”产生认知冲突，引导学生认识：“当导体中的电流发生变化时，导体本身就产生感应电流，这个电流总是阻碍导体中原来电流的变化”。

演示实验一：通电自感现象

依据上图电路图连接实物，并逐一介绍给学生，清晰展示给学生。

观察：开关接通时，可以看到什么现象？

现象：L2立刻亮，L1逐渐变亮。

认知冲突原因：为什么电键闭合后，L1没有立刻变亮？以往的知识经验是电键闭合灯就亮，与以往的知识产生了冲突。

演示实验二：断电自感现象

同样依据上图电路图连接实物，并逐一介绍给学生，清晰展示给学生。

观察：开关断开时，可以看到什么现象？

现象：灯泡没有马上熄灭。

认知冲突原因：以往的知识经验是电键断开，电灯就熄灭，而现在开关断开，灯泡没有马上熄灭，甚至比原来更亮了一些。

“通时不亮断时亮”，通过演示实验让学生产生认知冲突，使学生更加明确了“阻碍”的含义：当通过螺线管中原来的电流I增大时，螺线管中产生的自感电动势阻碍I 变大;当通过螺线管中原来的电流I减小时，螺线管中产生的自感电动阻碍I减小。

【案例】在研究沸点与什么因素有关时，准备好演示实验器材：烧杯及内装90℃以上的热水、陶瓷杯、橡胶手套。

演示实验：首先准备一烧杯温度大于90℃的水，然后往针管中吸入些许热水，戴上手套，用手堵住小口处，用力向外拔针管的活塞，发现针管中的水竟然沸腾了，热水在沸腾冒泡。学生感觉到非常吃惊。

认知冲突原因：水的沸腾在学生以往的经验知识中，往往需要对水进行加热才能使水沸腾。而此时并没能对水加热，水却沸腾起来，让学生感觉到茫然。

通过老师引导，使学生明了，水要沸腾，必须要达到水的沸点，在标准大气压下，水的沸点约为100℃，但沸点会随外界压强变化而改变，压强变低沸点也会随之降低。在以上演示实验中针管中加入未沸腾的热水之后，堵住一头，将活塞用力外拉，针管内的空气体积变大，压强变小，从而导致水的沸点降低，于是针管内的水开始沸腾了。

学生在学习新的知识之前，头脑里已具有一定的认知结构，学生会利用已有的知识结构来分析理解新的知识。如果是原有的认知结构无法解释新知识，那就会产生认知冲突。认知冲突打破了学生原有的认知平衡，促使学生的认知结构得到发展而达到新的平衡。要有效引发学生的认知冲突，就得了解学生已有的认知结构或者认知经验。

参考文献：

[1]薛燕敏.基于认知冲突下的物理课堂教学[J].中学物理，2014（2）：12-13.

[2]季渴.物理教学中认知冲突策略研究[D].大连：辽宁师范大学，2011.

[3]赵绪昌.认知冲突的教学意义及其实践策略[J].课程教学研究，2014（10）：57-61.