基于“认知冲突”的概念转变教学

左祥胜

摘 要：学生在进行科学概念学习时，一些不完善甚至错误的前概念对科学概念的建立影响较大。基于“认知冲突”的概念转变教学，最大限度地暴露了学生原有认知结构的负面效应，使学生心理上产生不平衡感，有助于科学概念的建立与稳定。本文以人教版高中物理必修1“超重和失重”为例，谈谈这种策略的实施过程。

关键词：高中物理；超重；失重；认知冲突；概念转变；前概念；迷离概念

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2015）7-0015-4

1 问题提出

物理概念、物理规律是中学物理基础知识中最重要、最基本的内容。物理概念教学的重点与难点就是概念转变。学生在学习某一科学概念时，头脑中不是“一张白纸”，一些不完善的甚至错误的认知经验对概念教学所产生的负面效应较大。因此，了解学生学习某一科学概念时的前概念（学习者头脑中已经存在的经验、观点、认识等），并针对学生的前概念设计教学，是进行有效教学的前提。

2 基于“认知冲突”的概念转变教学

2.1 什么是“认知冲突”

认知冲突是指人们在原有的观念与新经验之间出现对立性矛盾时感受到的疑惑、紧张和不适的状态。学生在以往的学习或日常的生活中，已经积累了大量的知识经验，根据这些已有的知识经验理解新知识；当新知识与原有的知识经验发生矛盾时，就产生认知冲突。

课堂教学中，教师要有意识地制造认知冲突，让学生意识到认知差距的存在。心理学研究表明，这种认知的不平衡感会促使学生产生解决这种冲突的需要（内驱力），从而获取新的知识。

2.2 认知冲突策略下的教学设计

2.2.1 学情分析

学生在学习本节内容之前初步具有分析物理问题的一般思维方法，有一定的科学探究能力，对生活中常见的物理现象能运用物理语言进行科学的表述。学生对超重和失重现象有一定的认识，但是，学生往往从字面上去理解超重和失重现象，认为“超重”就是物体重力增加，“失重”就是物体重力减小。同时，对自由落体运动是“完全失重” 这种物理现象不理解。学生总是认为，“物体不就是在重力作用下向下做匀加速运动，怎么可能是完全失重呢？”

2.2.2 设计思想

现行的人教版教科书将本节课安排在学完牛顿第二定律之后，且以例题的形式出现，属于对知识的理解与应用，这样安排彰显了知识性、分析问题的过程与方法并重。虽然，超重和失重是生活中的常见现象，但是，超重和失重现在已经演化为生活语言，与物理中本来的意义有较大的不同，学生要深层次地理解有一定的困难。教学中教师可以创设有一定思考价值、能产生一定震憾效果的认知冲突情境。借助实验、问题讨论、小组合作、定性分析与定量处理相结合等形式，使学生产生认知上的冲突，帮助学生建立起科学的概念。因此，在教学中如何将学生的前概念上升到科学概念是本节课的重点。

2.2.3 基于认知冲突策略教学设计

1）探测认知结构，了解前概念

建构主义学习理论认为，学生的学习不是由教师向学生的传递知识，而是学生主动建构知识的过程。在生活中，学生总是从自己的角度去观察和理解周围的世界，并在与环境的相互作用中建构出自己独特的理解。因此，针对某一具体概念的教学，可以通过调查问卷、访谈、面批、课堂反馈、作业批改、教师经验预测等方式了解学生的前概念。教学中，我们更应该关注学生的前概念会对学习产生哪些影响，如何在教学中利用其积极作用，同时避免其消极影响。

①学生对力的概念、力的产生有所了解；②能对物体进行受力分析，并能运用牛顿第二定律求物体的加速度，知道力与运动的关系；③知道在地球的同一地方，重力加速度是不变的；④物体重力的大小可以通过弹簧称来测量，知道弹簧称测力的原理。学生在潜意识中认为：弹簧称的示数就是物体重力的大小；⑤对超重和失重概念的认识有误区：总认为超重就是物体重力增加，失重就是物体重力减小；⑥学生对自由落体运动有所了解，对自由落体运动处于完全失重状态想不通。

2）激发认知冲突，厘清迷离概念

在物理概念学习的过程中，学生已有的某些概念（包括科学概念与前概念）对理解某一确定（具体）概念造成迷惑、干扰、混淆，这些概念称为该确定（具体）概念的迷离概念。物理概念教学的重点是先引起学习者的迷离概念，教师通过创设认知冲突的问题情境（所谓问题情境，就是在学生原有认知结构与科学概念之间制造的一种“不协调”，让学生产生激烈的认知冲突，萌发解决问题的欲望），来达到修正迷离概念、改变认知结构的目的。

学生自主体验活动一：观察家庭用体重计的示数变化（将体重计表盘投影到屏幕上），感受超重和失重现象。

让一个学生站在体重计上，分别做如下动作：静止、快速下蹲、快速站起，观察体重的示数有何变化？

生：体重计的示数时而变大、时而变小。

师：体重计的示数不断变化，难道是这位同学的重力发生了变化？

生：不是。因为在地球的同一地点，g的大小是不变的，并且质量是物质的本质属性，同学的质量也是不变的，根据G=mg可知，重力也不变。

师：但是，我们亲眼看到体重计的示数在不断变化，难道是我们的眼睛欺骗了我们？

生：当然不是，哦……（沉思）

师：请同学们思考，体重计的测力原理是什么？所显示的示数是物体重力吗？

生1：由二力平衡条件可知，显示的示数为物体重力。

生2：根据牛顿第三定律，人对地板的压力F′与地板对人的支持力F大小相等，方向相反。当物体静止时，其示数才等于物体的重力；当物体有加速度时，其示数就不等于物体的重力。

师（总结）：生2的看法是正确的，体重计的示数反映的是体重计所受的压力，示数的变化意味着物体对体重计的压力发生了改变，而物体的重力是不变的。

生：恍然大悟。

师：通过演示发现，我们对体重计的压力有时候大于自身的重力，有时候小于自身的重力。在物理学中，我们把物体对支持物的压力（或对悬挂物的拉力）大于物体所受重力的现象称为超重现象，物体支持物的压力（或对悬挂物的拉力）小于物体所受重力的现象称为失重现象。

3）解决认知冲突，完善科学概念

在转变学生原来的观念后，需要对概念的内涵和外延作进一步探讨，帮助学生完成重建。

学生自主体验活动二：观察电梯中体重计示数的变化（为了增强真实性及观赏性，本视频由老师带领各学习小组长在观光电梯中录制）。

师：先介绍电梯运动的基本情况。接着，教师播放录制好的视频，引导同学们注意观察电梯在运动过程中，体重计示数与物体重力大小的关系，并完成表1。

表1 实验记录表

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师：根据表格，请同学们思考，超重和失重现象与物体的运动方向有关吗？

生：没有关系。因为电梯无论在上升还是在下降阶段，物体都会产生超重和失重现象。

师：超重和失重现象与物体运动的加速度有何关系，我们应怎样来理解超重和失重现象？

生1：有加速度就会产生超重和失重现象。

生2：如果加速度在水平方向就不会产生超重和失重现象。

生3：当物体加速度方向向上时产生超重现象，加速度方向向下时产生失重现象。

生4：无论物体在上升还是下降，只要竖直方向有加速度（或者竖直方向有加速度的分量），就会产生超重和失重现象。

师：同学们回答得都很好。超重与失重现象与加速度有关，与速度没有关系。这里，我有一个疑问，能否认为超重与失重现象是由加速度的方向所决定的呢？也就是说，当加速度方向向上时，物体具有超重现象；当加速度方向向下时，物体具有失重现象。

生1：可以这样认为。

生2：不能这样认为，但说不出具体原因。

师：请同学们回忆牛顿第二定律，来想一想这里的因果关系。

生（露出心领神会的表情）：哦，不是。力是产生加速度的原因，当物体所受的合外力方向向上，加速度向上，产生超重现象；当物体所受的合外力方向向下，加速度向下，产生失重现象。

师：很好。牛顿第二定律不仅说明了F、m、a三者的数量关系，更反映了“力是产生加速度的原因”这一因果关系。

学生自主体验活动三：理论探究超重与失重产生的原因（运用牛顿第二定律进行定量分析）。

人在电梯中，与电梯一起运动，以人（质量m）为研究对象，由牛顿第二定律知：

当电梯以加速度a向上加速或向下减速时，F-mg=ma，F=ma+mg=m（a+g） >mg，超重。

当电梯以加速度a向上减速或向下加速时，mg-F=ma，F= mg -ma =m（g-a）

当物体向下加速时，如果加速度等于g，可以得出什么结论？

生：mg-F=mg，F =0。

师：请同学们思考，F=0说明了什么？

生：F=0表明物体对支持面或者对悬挂物没有拉力。

师：此时物体只受重力，处于完全失重状态。在地面上，我们以前学过哪种运动才会处于完全失重状态？

生：自由落体运动。

学生自主体验活动四：演示完全失重现象。

师：把塑料矿泉水瓶的上部挖一个小孔并盖上瓶塞（是为了防止塑料瓶落地时水到处飞溅，又保证水上方与外界的大气压始终相等），下部挖几个小孔（图1）。装入一定量水，水便从下部小孔流出。现让瓶子从高处自由下落，同学们注意观察发生什么现象（水中添加红墨水，便于观察）。

生：水没有从底部小孔中流出（图2）。

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图1 实验器材 图2 矿泉水瓶自由下落

师：为什么会出现这种现象呢？

生：当塑料矿泉水瓶和水都处于静止状态时，瓶子下面的水受到上面水的压力，水自然流出来。自由下落时，塑料矿泉水瓶下面的水没有受到上面水的压力（也就是说，液体内部由于液体重力而产生的压强不存在了），处于完全失重状态，水自然就不会再喷出。

师：沿水平、竖直向下、倾斜的方向将塑料瓶抛出去，同学们注意观察水有没有喷出？

生：没有喷出。

师：这再次说明，超重和失重现象与加速度有关，与物体速度没有关系。

学生自主体验活动五：神舟十号航天员太空授课视频。

通过播放我国宇航员在太空授课视频，有助于激发学生的爱国主义精神、民族自豪感、探索未知科学的热情。教学中教师对视频不宜过多说明，万有引力定律和圆周运动的相关知识还没有学习，宇宙船中发生的超失重现象与地面上超、失重现象不尽相同（本质上是相同的）。

学生自主体验活动六：习题讲解。

例1 质量为60 kg的人站在升降机中的体重计上，当升降机做下列各种运动时，体重计的读数是多少（g取10 m/s2）？

1）升降机匀速上升；

2）升降机以4 m/s2的加速度上升；

3）升降机以5 m/s2的加速度下降；

4）升降机以重力加速度g加速下降。

例2 一人乘电梯上楼，在竖直上升过程中，加速度a随时间t变化的图线如图3所示，以竖直向上为a的正方向，则人对地板的压力（ ）

A.t =2 s 时最大

B.t =2 s 时最小

C.t =8.5 s 时最大

D.t =8.5 s 时最小

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图3 例2图示

3 教学反思

认知冲突的设置激发了学生的求知欲望，引发了学生新的学习需要，提高了课堂教学的效率，收到了事半功倍的效果。教学中我们发现：①概念转变的前提条件是要了解学生的前概念。只有了解学生的前概念，才能使教学设计做到有的放矢。②概念转变的关键是引发认知冲突。高级别的认知冲突不仅有利于概念的正确转变，还有助于学生对科学概念的认知结构稳定。③概念转变的策略是学生自主、合作、探究式学习。教师通过问题情境，为学生提供参与学习的机会，让学生在探索、解释、质疑、论证和批评中充分表达自已的观点改进原有概念的过程中完善自己的认知结构，形成正确的科学概念。

参考文献：

[1]朱铁成.中学物理教学案例研究与分析[M].杭州：浙江大学出版社，2012.

[2]物理课程教材研究开发中心.物理（必修1）[M].北京：人民教育出版社，2010.

[3]物理课程教材研究开发中心.物理（必修1）教师教学用书 [M].北京：人民教育出版社，2009.

[4]苏春林，胡志刚.利用认知冲突策略 创设教学最佳时机[J].化学教学，2012，（3）：20.

（栏目编辑 赵保钢）