物理教学中的“引发认知冲突”策略

徐立海 黄君明

(浙江省玉环楚门中学,浙江玉环 317605)

1 什么是认知冲突

所谓认知冲突,是指学生的原有认知结构与所学新知识之间无法包容的矛盾.学生在学习新知识之前,头脑中并非一片空白,而是具有了形形色色的原有认知结构.在学习新知识时,他们总是试图以这种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,就会产生认知冲突.例如学生在初中曾做过大量的含有电压表和电流表的电路练习,这些练习无一例外地把电压表看作开路,把电流表看作通路.于是多数学生会形成错误的认识:所有的电压表在所有的情况下都可以看作开路;所有的电流表在所有的情况下都可以看作通路.而在高中学习伏安法测电阻等新课时却又不能把两表看作开路与通路,却是起到了分流与分压的作用.于是学习上述内容时学生的认知结构中就产生了新知与旧知间的矛盾,也就是爆发了认知心理上的冲突.在教学过程中,教师要学会引发学生的认知冲突,这对于促进学生积极、主动地建构良好的认知结构,有十分重要的意义.

2 为什么要引发学生的认知冲突

2.1 引发认知冲突是基于建构主义的教学策略

建构主义的学习理论认为,学生的学习不是知识由教师向学生的传递,而是学生自己主动建构知识的过程.这种建构不可能由他人代替,而在于学生自己通过新、旧知识经验之间的反复的、双向的相互作用,来形成和调整自己的经验结构.在这种建构过程中,一方面学习者以原有的经验系统为基础对新的信息进行编码,建构自己的理解;另一方面,学习者的原有知识又因为新经验的进入而得到丰富、调整和改造.因此学习并不简单是信息的量的积累,它同时包含由于学习者新旧知识经验之间的冲突而引发的观念转变和认知结构的重组.学习者学习的发生主要在于解决认知冲突或认知心理不平衡时认知结构所发生的改变.基于上述理论的启示,我们倡导教师要学会引发学生的认知冲突.所谓“引发认知冲突”,是指在教学过程中通过人为的因素(例如,教师设计的问题情境或其他教学活动),来激发学生的认知矛盾,意在引起学生的有意注意,调动学生的认知内驱力,以促进学生积极、高效的知识建构.因此说,引发认知冲突是基于建构主义的教学策略.

2.2 引发认知冲突是形成问题情境的基本条件

建构主义的教学主张“通过解决问题来学习”这就要求不断创设问题情境.所谓问题情境就是在教材内容与学生的原有认知结构之间制造一种“不协调”,从而把学生引入一种与问题有关的情境之中.问题情境的创设不仅在于提出问题,更重要的是根据学生现有认知水平设置新问题,使之与学生原有的知识经验产生激烈的认知冲突,从而使学生萌生解决问题的欲望.例如,针对前面提及的那个在初中学习中就己形成的“所有的电压表在所有的情况下都可以看作开路”的错误观念,我们可以把两个阻值很大的电阻R1、R2串联起来,接在稳压电源的两端,用同一只电压表先后接在 R1,R2的两端,依次测出电压 U1,U2,请学生计算U1、U2之和,然后再用这一只电压表测出串联电路的总电压 U.学生会发现U 明显大于U1、U2之和!这一出乎所料的结果就造成了惊奇和疑问:难道串联电路的规律此时不再成立了?由此激发了学生的探究欲望、触发了学生的思维神经.因为心理学研究表明,人都有填补认知空缺,解决认知失衡、认知冲突的本能.学生一旦有了解决问题(矛盾)的渴望,就能促使他们去思考、去探索.所以说,引发认知冲突、产生学习需要是形成问题情境的基本条件.

3.3 引发认知冲突是促使学生知识建构的契机和动力

学生的知识建构在一定程度上受学习中的情感因素的作用.奥苏伯尔认为,学习动机对学生的学习具有重要影响.他认为学习动机主要有3种成份,即认知内驱力、附属内驱力和自我提高内驱力,其中认知内驱力最为重要.所谓认知内驱力,就是学生求知和理解的欲望,掌握知识、阐明和解决问题的欲望.笔者认为,引发学生的认知冲突,正是调动学生认知内驱力的一种有效手段.因为学生一旦产生了认知冲突,就会引起认知心理上的不平衡,就能激起他们的求知欲和好奇心,并产生解决这种认知矛盾以求得心理平衡的需要,从而促使学生进行认知结构的同化和顺应.所以说,引发认知冲突是调动学生的情感因素,促使学生实现知识建构的契机和动力.

3 怎样引发学生的认知冲突

在教学过程中,引发学生认知冲突的方法很多,以下几种途径可供参考.

3.1 利用日常概念与科学概念的矛盾引发认知冲突

日常概念(前概念)是指个体在没有接受正式的科学概念教育之前,对现实生活现象所形成的经验性概念.由于中学生的知识经验有限,辩证思维不发达,看不到事物的本质特征,往往形成一些错误的日常概念.这些错误的日常概念对形成正确的科学概念极为不利,甚至排斥科学概念的建立.比如,物体的自然状态是静止的,只有在力的作用下,物体才能运动,并且运动快慢与力的大小有关;落体的快慢与物体的重量有关,物体越重,下落得越快;将酒瓶提在空中,手握得越紧,摩擦力会越大.所以,在教学过程中,通过创设问题情境,揭示学生的日常概念与科学概念之间的差异和矛盾,可以很容易引发学生的认知冲突.例如,在进行“牛顿第三定律”的教学时,教师可以先让学生讨论这样一个问题:甲乙两队拔河,甲队获胜,是否因为甲队的拉力大于乙队的拉力呢?学生往往给予肯定的回答.教师则予以否定,从而引发学生认知心理上的矛盾与冲突,产生问题情境.

3.2 利用学生猜想与实验事实的矛盾引发认知冲突

我国学者钟启泉教授指出,“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”.由此,教师可以通过创设探究性实验情境,预先让学生尝试作出猜想,然后在学生面前呈现出日常生活中不可经验到的或意想不到的新现象,促使学生用原有的认知结构去同化、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.例如,在进行“闭合电路的欧姆定律”的教学时,可以先在示教板上设计如图1所示电路,在用电压表测出两个不同电源的电动势E1=3 V、E2=9 V后,将开关扳到位置1,小灯炮几乎发白光,接着让学生讨论、猜想:如果把开关扳到位置2,将会出现什么情况?大多数学生讨论的结果是认为灯泡会烧毁,而实际的结果是灯的亮度还不如接E1时亮.这一结果使学生困惑不解,如何解释这一现象呢?学生的求知欲望之火被迅速点燃,从而兴致勃勃地进入了“角色”.

3.3 利用物理理论与物理事实的矛盾引发认知冲突

物理理论中的公式、定理、定律往往都有一定的适用条件.比如机械能守恒定律的适用条件是除了重力和弹力以外的其他力不做功;库仑定律的两个适用条件是真空和点电荷.在物理学习中,由于学生对于公式、定理、定律没有一个完整的认识,不了解它们的内涵和外延,没有掌握它们的适用条件,所以在应用过程中,经常会遇到理论知识与实际情况不相符的情况,在教学过程中恰恰可以利用这一矛盾,引发学生的认知冲突.例如,在进行“经典力学的局限性”的教学时,教师可以先让学生解决一问题:一个质量为1 kg的物体,在103N的外力作用下做加速运动,则6×105s末的速度是多大?学生根据牛顿第二定律及匀变速运动速度公式,得出 v=6×108m/s,这个速度是真空中光速的两倍!大家知道这是不可能的.公式和计算都没有错误,为何得出荒谬的结果?由此引发了学生的认知冲突.事实上,任何物理规律都有其适用范围,在范围内是真理,出了范围就变成谬误.牛顿运动定律也不例外,它仅适用宏观物体的低速运动,对高速运动(及微观粒子)是不成立的.相比之下,跟用一句话把牛顿定律适用范围告诉学生相比,这种方法给学生印象显然深刻多了.

3.4 利用物理与数学两学科间的矛盾引发认知冲突

数学知识是学习和研究物理学的重要工具,能否恰当运用数学工具解决物理问题也是衡量学生能力高低的重要方面.但物理学不同于数学,物理学更重要的是物理事实、物理本质和物理关系.学生由于从小就接受数学教育,在思考物理问题时常常有“数学惯性”,以数学关系来理解物理概念.例如,对牛顿第二定律的表达式学生会认为忽视了 F、m 、a三者之间相互不能割裂的物理关系;对库仑定律会认为 r→0时,F→∞,忽视了物理事实.所以,在教学过程中,教师可以运用物理与数学两学科间的矛盾来引发学生的认知冲突,以此来加深学生对物理概念或物理规律的理解与认识.例如,为了暴露学生在使用位移公式和速度公式时出现的“数学惯性”错误,教师可以让学生解决这样一个问题:汽车以10 m/s的速度在平直公路上匀速行驶,刹车后经2s速度变为6 m/s.求:(1)刹车后前进9 m所用的时间.(2)刹车后8s内前进的距离.

引导学生分析:怎么会有两个结果,这两个结果是否都正确呢?以此来引发学生对结论的质疑和再思考.如果将t2=9 s代入速度公式得,v=-8 m/s,即汽车刹车后车又反向运动,引发认知冲突,同样(2)也会同样引发学生强烈的认知冲突.

3.5 利用学生原有认知与解释新问题的矛盾引发认知冲突

建构主义认为,在学习新知识和面对新问题时,个体往往可以基于原有的知识、经验,依据他们原有的认知能力对新问题给以解释或提出预期的假设.由于学生原有认知结构的不足,这往往会导致学生的预期与客观的事实不相符合.故此,在物理教学中,教师可以针对性地选择事例或现象,让学生用原有的知识去对事例或现象进行解释,使他们原有的认识与当前面临的现实产生无法调和的矛盾,从而激起学生学习的兴趣.举例如下:

用两种方法计算灯丝的电阻,结果为什么会相差这么大呢?师:(出示灯泡)这是一只普通的白炽灯泡,上面标有“220 V、100 W”的字样,它表明什么意思?如何利用它们来计算灯丝的电阻?

师:要测定灯丝的电阻,通常情况下用什么方法?

生:伏安法.

演示:如图2,连接好实验线路.

闭合S,测出灯丝两端电压及通过的电流;计算灯丝电阻 R=

图2

生:(惊奇)怎么回事?(有些学生认为计算时点错了小数点,经检查无误)

师:要弄清这个问题,还得研究导体的电阻与哪些因素有关?是什么关系?(提出问题)

这一独具匠心的实验设计,能够从学生原有的认知结构出发,通过学生的观察和思维,造成学生认知冲突,用原有的认知结构无法解决实验得出的结果,使学生感到好奇并渴望求解,学生产生了进一步学习的兴趣,有利于学生进入特定的学习状态,有利于教学目标的顺利实现.

3.6 利用将错就错激化的思维内部矛盾引发认知冲突

要使学生放弃原有错误的观念,接受新的观念并非易事,应设法给学生一个巨大的“震颤”(认知冲突),以动摇其顽固“信念”的基础.于此,采用“将错就错”策略就能激化的思维内部矛盾,从而达成引发学生认知冲突的目的.因为,通过层级式的引导性问题,引导学生继续错下去,将矛盾逐步深化,当学生突然发现,从原概念框架出发通过正确的推理得出的结论,自己认为是荒谬的、无法接受时,这时候便产生了认知冲突,同时也激起了学生强烈的探究和解决冲突的欲望,最后致使学生放弃原有错误的想法.

例如,在闭合电路欧姆定律教学中的片断.

教师:如果干路电流 I增大,路端电压U将如何变化?

学生:路端电压U将增大.

教师:我们先记住你的这个回答.再问,电流 I增大,电源的内电压U内又将如何变化呢?

学生:根据 U内=Ir可得,电流 I增大,内电压 U内也增大.

教师:那么,电流 I增大,路端电压 U和内电压U内都增大了.这样有可能吗?

学生:不可能,因为电源电动势 E=U+U内是恒定的,即内外电压之和应保持不变.

教师:这就说明我们以上判断是有错误的,请想一想,究竟错在哪里呢?

学生:我明白了,电流I增大,路端电压U应该减小.我原来是按照U=IR来判断,而没考虑到 R其实也要变化的.因为要使电流I增大,必须要减小变阻器R的阻值.

在学习中出错是难免的,当学生出错时,教师不要急于指出错误,说明正确答案.如果直接给出正确答案,可能造成学生一听就懂,一过就忘,一用就错.若能将错就错,创设纠错情境,在错误结论的基础上,引导学生继续往前推理,直至推出学生认为是错误的、甚至是荒谬的结果.让学生通过自己教育自己,充分发挥学生在学习中的主体作用.通过这一过程,学生获得的知识就不是教师硬塞给他们的,而是理解了的知识,掌握得也就牢固了.

3.7 利用学生间讨论与对话中观点的矛盾引发认知冲突

对于每个学习者来说,由于其对问题认知的深度和广度不同,对事物的理解都会受自身条件、认知水平的局限,都会受原有知识背景的影响.因此,对同一问题的认知往往会因人而异,有的较全面,有的较片面,有的较深刻,有的则完全错误.这样,在合作学习中,学习者之间就会产生不同观点的对立、碰撞,从而引发学习者的认知冲突.例如,在一次教学中,为了引发学生间的争辩,笔者给出了如下一个问题.

问题:同步卫星距地心的距离为 r,加速度为a1,地球赤道上的物体随地球自转的向心加速度为 a2,地球半径为R.则以下比值正确的是

先让学生集体举手表决,全班接近80%的学生选择了(A).这一结果令笔者非常惊讶.笔者没有直接否定他们的错误想法,而是请了一位学生来阐述他们选(A)的理由.

小李:我认为应该选(B),因为同步卫星与赤道上的物体具有相同的转动周期和角速度,根据公式a=ω2r,可以得出选项(B)的结论.

教师:下面,就请同学们针对两种不同的观点来展开辩论吧!

小林:我支持选(A),因为物体环绕地球做圆周运动,离地面越远轨道半径越大,向心加速度就越小,而且这个结论是利用牛顿第二定律得出来的,因此不会有错.

小李(反驳说):那么,你们来说说看,我的解法有什么错误呢?同步卫星与赤道上的物体的角速度难道不相同吗?式子a=ω2r难道错了吗?

……

新课程改革倡导师生之间、生生之间的思维对话,其目的就是为了让学生在相互争辩中,剖析事理、去伪存真.而辩论的前提是要有两种对立的观点.在课堂上,学生只有对相同的知识点持有不同的观点,才有必要进行思维对话.教师如果发现多数学生在课堂上出现错误,就说明“真理只是掌握在少数人手中”.此时,教师千万不可急于做出评判,而要抓住契机,“挑逗”持不同观点的学生进行辩论,让学生在辩论中产生思维的碰撞.这种碰撞会让学生不断否定自我,逐步弄清事理.