基于建構主義的認知沖突策略在化學實驗教學中的運用

來玲玲 胡志剛

（福建師范大學化學與材料學院福建福州350007）

化學實驗教學有利于培養學生學習化學的興趣，啟發學生的科學思維，引導其掌握科學探究方法，進而提高科學素養。但在實際教學中，許多老師只是按部就班地指導學生完成教材實驗，沒有深入地挖掘知識內涵和實驗現象后面的科學本質。這樣的教學方式，使學生的思維困于固定的模式中，學生的大腦就像被事先設計好程序的機器，而不是靈活多變的創新源泉。一成不變的教學方式使學生對實驗缺乏新奇感，習慣以旁觀者的態度看熱鬧，學習動機和興趣都不高。

如何提高學生的化學學習興趣，如何使學生在喜愛實驗的基礎上使知識、技能、情感都獲得一定的發展和提升，筆者認為基于建構主義的認知沖突策略是連接有效教學與有效學習的橋梁。

一、基于建構主義的認知沖突教學策略

建構主義學習理論認為，學生的學習不應是教師向學生的簡單傳遞，而是學生積極主動建構知識的過程。在建構中，當原有知識與新知識、新情境之間不相符時，學生就會產生心理上的矛盾或沖突，稱之為認知沖突。認知沖突能夠使學生產生一種緊張、急切感，促使其以積極的情緒狀態和深層次的認知方式去投入學習、解決矛盾。

心理學研究發現：學生實際的認知結構與教師認為他們應該有的認知結構不相同，從而造成教學工作中達不到理想的結果［1］。又由于學習者是以自身的知識經驗為背景，作為新知識的增長點，這種建構的角度和深度都有所不同。總結以上兩點，筆者認為認知沖突不僅僅包括新舊知識之間的沖突，還包括由于教師與學生的認知差異和學生與學生之間的認知差異而產生的認知沖突。

因此，從認知建構的角度認真研究教材，巧妙變換實驗呈現方式，有效利用課堂教學中的意外生成，并尊重學生的個體差異，引發認知沖突，對于激發學生的認知內驅力，促使學生積極主動建構知識具有重要意義。

二、認知沖突策略在化學實驗教學中的運用

1.利用趣味實驗，引發認知沖突，使學生見證“奇跡”，提高興趣

中學生興趣廣泛，對新奇、獨特的事物易充滿好奇。在教學中，教師可以基于這一心理特征，利用趣味實驗所呈現的如魔術般生動、奇特的實驗現象引發認知沖突，巧設懸念，激發學生的學習興趣，讓學生在獲取知識的同時，體驗到化學的另外一種魅力與美麗。

案例1：在講酸堿反應和酸堿指示劑時，我設計了“秘密情報”實驗：用蘸有酚酞溶液的毛筆在白紙上寫下秘密情報內容，晾干后，將噴霧器A中的溶液噴灑于紙上，白紙立即顯現紅色“情報”，再噴灑噴霧器B中的溶液，“情報”消失了。在忽隱忽現的現象中，學生的好奇心一下子被調動了起來。但這時學生的興趣是暫時的、直觀的、不穩定的。于是，我又拋出以下問題：噴霧器A、B中分別裝的是什么溶液？能否調換一下順序？請說明你的看法和理由。就這樣，通過趣味實驗引發認知沖突，調動學生的好奇心，從而使學生有了繼續學習的欲望和動力。類似的趣味實驗還有很多，例如：乙醇的“燒不壞的手帕”實驗，二氯化鈷吸水的“天氣預報員”實驗，高錳酸鉀與濃硫酸的“魔棒點燈”實驗等等。

現代心理學研究表明情感是人們接受信息渠道中的閥門，積極的情感是學生認識活動的“能源”和“發動機”［2］。利用趣味實驗，引發認知沖突，提高學生的學習興趣，可使學生在學習過程中保持積極的情感狀態，并使其逐漸內化為一種持久的學習動力。

2.利用實驗本身的不足，引發認知沖突，使學生陷于“困境”，合作創新

教材中的實驗由于客觀條件的限制，有些存在一些不足。這些不足，常常會給學生的操作帶來許多障礙，有時稍有疏忽，就會導致實驗的失敗，學生內心的失落可想而知。學生的認知方式具有個體差異性，這種差異性是創新性思維孕育的基礎。因此，教師可以充分利用這種差異性，組織學生在小組合作學習中探討實驗所存在的不足。當學生發現所持觀點與他人不同時，他們往往會對自己先前所持有的觀念產生懷疑與疑惑，從而引發認知沖突。就這樣，通過相互的協作和溝通，一步步引導學生在不斷地審視、反思批判中改進完善實驗，發揮集體智慧，脫離困境。

案例2：人教版化學教材上有一個實驗——空氣中氧氣的含量測定，筆者在授課時發現許多學生對紅磷在瓶外引燃，卻在瓶內測定很困惑，認為將引燃的紅磷伸入容器內的瞬間，會使容器內的空氣發生膨脹，部分空氣被排出，導致實驗結果偏高；另外學生對體積的估算還不成熟準確，讓他們通過觀察進水量的多少，從而推斷氧氣約占空氣體積的1／5，似乎太過牽強，不夠定量，不利于培養他們嚴謹的科學態度。因此，在另一個班教學時，我改變了教學策略，將學生分組，分別從實驗試劑、加熱方式、改進實驗裝置等方面，分析該實驗有哪些不足，又該如何改進。最后各小組匯報討論，其他小組提出意見，進行批判。具體教學過程如下：

【實驗藥品小組】我們認為可以用白磷、鐵粉、銅、蠟燭代替紅磷：白磷的著火點只有40℃，燃燒較紅磷充分，耗氧完全；鐵粉、銅絲在潮濕的空氣中易被腐蝕，耗氧；蠟燭燃燒生成二氧化碳和水，污染程度較紅磷小很多。

【其他小組反駁批判】鐵粉、銅絲的腐蝕氧化過程比較緩慢，無法在課堂上直接展示；蠟燭雖然污染比較小，但其燃燒生成的二氧化碳氣體，增加了瓶內二氧化碳的含量，不符合實驗原理。

（改進實驗試劑小組那位提出利用蠟燭演示實驗的學生不好意思笑了笑。）

【實驗試劑小組】可采用水浴法加熱白磷，在瓶內引燃白磷；也可以將燃燒匙連通電源，通過通電加熱引燃白磷；也可以用熱毛巾圍在裝置外，利用其散發的熱量使白磷燃燒。

【其他小組反駁批判】采用水浴法要考慮不能再用集氣瓶，那該選擇什么裝置與之對應？用熱毛巾的想法雖不錯，但如果將毛巾圍在裝置外，我們該如何觀察實驗的過程？

【實驗裝置小組】我們覺得可以用玻璃注射器和帶刻度試管代替集氣瓶。

【其他小組反駁批判】用玻璃注射器雖然考慮到實驗的微型化，但只有前排的同學觀察方便；用注射器的推壓、摩擦所產生的熱量能否引燃白磷？另外由于水的顏色與玻璃的顏色相近，坐在后排的學生往往觀察不清楚有水進入集氣瓶中的現象，也不好分辨水位是否上升，這個問題又該如何解決？

【學生建議】可以在原水位用一根橡皮筋或防水筆畫線做標記，并在水中滴加幾滴紅墨水，這樣就方便觀察。

最后各小組總結以上討論、陳述，設計出最佳實驗方案。

整個教學過程中，學生通過質疑實驗（認知不平衡）→改進實驗（認知平衡）→接受批判（認知不平衡）→再次改進（認知平衡）一系列認知沖突的轉化過程中，思維的批判性、創新性都得到一定的鍛煉。這種學習體驗無疑是意義深刻、回味無窮的。

3.利用對比實驗，引發認知沖突，使學生提高關注，深入細節

對比實驗是在同一實驗中的不同部分或不同實驗之間進行比較的一個或一組實驗［3］。認知心理學研究發現：設置認知沖突可以強化學生注意，促使頭腦保持一般警覺和知覺集中。將原本陳舊、簡單的演示實驗變成對比實驗，使學生在求同存異的對比觀察中，引發認知沖突。可使學生提高對實驗的關注度，深入細節，明確實驗的關鍵點。

案例3：在利用CuSO4溶液和NaOH溶液驗證乙醛性質的實驗中，以往教學中總是出現學生對試劑的用量抱著不以為然的態度。為了使學生轉變這一觀念，我設計了以下對比實驗讓兩位同學上臺演示：A同學依照課本在試管里加入5%的NaOH溶液3mL，滴2%的CuSO4溶液3～4滴，振蕩后加入0.5mL乙醛溶液，加熱至沸騰，有紅色沉淀產生；B同學在試管里加入2%的CuSO4溶液3mL，滴入5%的NaOH溶液3～4滴，振蕩后加入0.5mL乙醛溶液，加熱至沸騰，生成黑色沉淀。當學生發現將CuSO4溶液和NaOH溶液的用量和滴加順序做了改變，實驗結果竟如此不同時，產生困惑，引發認知沖突：為什么NaOH要過量？看著學生急切的目光，我明白學生的思維、注意力已凝聚在實驗中了。于是，我就把Cu（OH）2在NaOH溶液中的穩定性進行了介紹，通過介紹使學生明白了Cu（OH）2只有在堿性環境中才能穩定存在，即實驗的關鍵是要保證NaOH過量。之后的分組實驗中，再也沒有人馬虎大意了。

太過簡單、沒有思維容量和深度的實驗，無法使學生感受深刻，更別提注重實驗細節。巧用對比實驗所形成的強烈反差，引發認知沖突，讓學生自己提高注意力，比教師反復強調效果更好。

4.利用差異性實驗，引發認知沖突，使學生激發內需，重構認知

差異性實驗是指結果出人意料，與學生的前概念或常識相違背的科學實驗。這些實驗的新奇、反常的現象，與學生原有的認知結構相矛盾，呈現出認知結構沖突的情景［4］。認知心理學家認為：當學習者發現不能用頭腦中的知識來解釋一個新問題或發現新知識與頭腦中已有的知識相悖時，就會產生“認知失衡”，從而激發其認知內驅力。利用差異性實驗，使學生在觀察實驗——認知失衡——激發內需——同化、順應——重構認知的教學過程中去偽存真、主動糾錯，將其認知體系提升到新的高度。

案例4：在探討苯酚與CO2的反應時，先讓學生設想可能生成什么物質。許多同學聯想到先前所學的CO2與NaOH反應，認為當CO2過量時，應生成NaHCO3；當CO2不足時，則生成Na2CO3。也有一部分同學認為苯酚酸性比碳酸弱，不敢妄下結論。解決困惑的最好辦法是讓事實說明一切，當同學們最終發現往苯酚中通入CO2無論過量還是不足，生成物都是NaHCO3而不是Na2CO3時，都困惑不解，產生了認知沖突，紛紛向我投來期盼的目光。現代教學論研究表明，當學生感受到已有知識的局限性時，僅僅告知舊知的不足和缺陷是無法根除學生腦海中根深蒂固的觀念的，而應恰當地予以點撥，引導其理性地分析舊知與新知的相同點與不同點，找準知識更新的轉化點，才能避免知識的混淆。于是，我不失時機地提出是不是苯酚與碳酸鈉不能共存，兩者會反應呢？該如何通過實驗驗證我們的猜想？能否從理論上找到證據？聽到這些話學生紛紛頓悟，并著手設計實驗、驗證猜想。

由于教材編寫的系統性和學生各種思維技能發展的非線性，無法要求學生對知識的掌握一步到位。利用差異性實驗，引發學生強烈的認知沖突和認知失衡，使學生感受到已有知識的局限性，明確知識遷移時的一般與特殊，從而克服思維定勢，使自己的認知體系更加堅固和完善。

5.利用異常現象，引發認知沖突，使學生主動探究，尋根溯源

實驗中的異常現象，指的是在正常操作的實驗過程中出現的反常現象。由于它是以不速之客的身份出現，有些不易被學生理解和接受［5］。教育家第斯多惠認為不稱職的教師要求學生死記真理，而優秀的教師則交給學生發現真理的基本途徑和方法。因此，教師應充分利用這些異常現象所引發的認知沖突，由淺入深地啟發學生尋根溯源，分析異常現象產生的根本原因，培養學生探究能力。

案例5：Fe2+與Fe3+轉化實驗

實驗中的異常現象往往使學生的心理活動處在觀察—發現—疑問的積極思維狀態［6］，教師可充分利用學生思維狀態的不平衡所引起的認知沖突，指導學生開展研究性學習，讓他們發表自己的看法，培養其尊重事實、獨立思考、敢于批判的研究意識及態度。

總之，教師應根據實驗要求和學生已有經驗知識狀況，巧設契機，引發認知沖突，多給予學生一些自主學習和建構的機會，才能有效促進教學方式與學習方式的轉變。

［1］陳琦，劉儒德.當代教育心理學［M］.北京：北京師范大學出版社，2005：100

［2］廖國.利用趣味實驗激發學生學習化學的興趣［J］.中國教育技術裝備，2008，（7）：48

［3］何禹信.對比實驗在教學中的運用［J］.實驗教學與儀器，1998，（12）：3

［4］廖唐斌，王后雄.差異性實驗及其在中學化學探究教學中的運用［J］.華東師范大學研究生學報，2009，16（2）：149-152

［5］［6］劉芝蓮.實驗異常現象研究性學習能力探討［J］.教學儀器與實驗（中學版），2003，（12）：25

［7］李遠軍，李瓊華，王穎.化學教學中設置“認知沖突”的探索［J］.西昌學院學報（自然科學版），2006，20（2）：139-141