轉換與構建物理學習中的認知建構

陳 鋒

(南京師范大學附屬中學 江蘇 南京 210003)

轉換與構建物理學習中的認知建構

陳 鋒

(南京師范大學附屬中學 江蘇 南京 210003)

傳統教學側重于如何教，忽視對學生學習過程的研究，必然導致教與學的脫節，進而制約教學質量的提高．從轉換與構建認知結構的基礎、契機、機制及條件對學生學習物理的心理過程進行分析，探索學生學習物理的認知過程與規律，實現對當前所學知識的意義建構，用以指導物理教學．

物理學習 轉換 構建 認知建構

學生學習物理的過程就是認知轉換與構建的過程，我們教學的目的就在于不斷優化學生的認知結構，優化過程的實質是將學科的知識結構轉化為學生的認知結構．認知結構簡單來說是學生已有的觀念的全部內容及其組織．它是學習者在一定的情境下，借助他人(教師、同學)的幫助，運用已有的認知結構去主動探索、主動發現和對所學知識意義的主動建構．

1 認知建構的基礎——前概念學習

我國著名學者張光鑒說過：“研究事物的異中之同，能使千頭萬緒的現象變得簡明、清晰；而研究事物的同中之異，又能使我們看到事物間那種關系的多樣性、靈活性，使我們的頭腦不僵化并且能提高我們的預見性、創造性，少走彎路，起到事半功倍的作用．”

類比是推理的一種重要方式，是人們認識新事物或做出新發現的重要思維形式． 但類比的結果是

否正確，還需要經過實踐檢驗．學生在應用概念解決問題時，會在頭腦中搜尋經歷過的類似情景，通過某些方面的比較，擬定解決問題的方案．如果學生在應用概念解決問題時，對新舊問題不仔細地進行比較，只看到它們間的相同，沒看到它們間的異同，采用“拿來主義”的態度，盲目代換，就會出現概念僵化，形成知識的負遷移．

譬如，如圖1所示，站在岸上的人通過跨過定滑輪的不可伸長的繩子拉動停在平靜湖面上的小船,若人拉著自由端Q以水平速度v0勻速向左前進,當細繩與水平面的夾角為θ時，求：船運動速度的v．

圖1 繩子通過定滑輪拉動湖面小船

學生通常解法：把v0分解為v1和v2(圖2)，得到小船的速度為v=v1=v0cosθ．

圖2 小船運動速度分解的錯誤

這是一種典型的錯解．學生出現這樣的錯誤，主要有以下兩方面的原因：

(1)沒有理解和分清小船的合運動與分運動，錯將沿繩子收縮的速度v0當成合速度(圖2)．

(2)將運動的分解與力的分解相混淆．

教育心理學認為：學習是一個連續的過程，新概念的學習總是建立在原有概念學習的基礎之上，新問題的解決總是受到先前問題解決的影響，這種現象叫做學習遷移．力的分解是已學知識，它對學習運動的分解產生了積極影響(正遷移)，同時也產生消極影響(負遷移)．兩種分解雖然形式上相同，但它們有著本質的區別，由于沒有弄清它們的本質區別，學生在解決上述問題時，想當然地用了力的分解方法，以為就像把繩子拉力進行分解一樣(圖3)，所以出錯．

圖3 注意實際中速度與力分解的區別

教學實踐證明，學生頭腦中的前概念會促進科學概念的建構與掌握．這樣的前概念，對教師和學生來說都是一種資源．我們應把這種資源，作為讓學生理解新知識的生長點，引導學生從原有的前概念中生長出新的科學概念，幫助學生建構正確的物理概念．

2 認知建構的契機——引發認知沖突

學生在學習高中物理之前，已經具備了一種原始的認知結構，在學習高中物理時，他們總是試圖以這種原始認知結構來構建對新知識的理解，當遇到不能理解的新現象時，必然要發生新舊認知結構的轉換，這一轉換起始于認知沖突的產生，終止于認知沖突的解決．

所謂認知沖突，就是原有的認知結構與新現象之間產生的無法包容的矛盾，或是新現象與原有認知結構之間產生的“不協調”．在學生認知心理中就會產生新概念與原有認知結構中的前概念的對立與矛盾，也就引發了認知心理上的沖突，這種沖突是學生學習新概念、構建新的認知結構的契機與動力．

案例：“閉合電路歐姆定律”從學生原有的認知出發，設計以下情境.

情境：如圖4所示的電路，問學生：“開關閉合后，電壓表示數改變嗎？

圖4 閉合電路歐姆定律的電路圖

引發沖突：學生：“不變”．如果變阻器滑片移動呢？“不變！”學生回答非常自信．實驗結果和學生的認知水平發生了強烈的沖突(學生在初中一直認為電源兩端電壓是保持不變的)，極大地激發了學生的探究熱情，為學生進一步探究設置了非常好的情境．

消除沖突：在上述電路中再串聯一只電阻R0，如圖5所示．

圖5 在圖4電路中又串聯一只電阻

師：開關閉合后，如果將變阻器滑片向左移動，將會看到什么現象？

生：電壓表示數要變小．

師：實驗驗證，變阻器滑片向左移動時電壓表示數為什么變小？

生：由于變阻器連入電路的阻值減小，回路中電流變大，電阻R0兩端電壓變大，因而變阻器兩端電壓變小，電壓表示數變小．

師：根據前后兩次實驗現象，你有什么想法或猜測？

生：兩次現象相同，感覺電源好像有電阻似的？

師：請你設計實驗檢驗電源存在內電阻的假設．

在學生充分討論交流的基礎上設計出圖6所示的電路，證實了電源存在內阻的猜想．

圖6 證實電源存在電阻的實驗

不論是概念的形成還是規律的發現都源于學生認知結構的沖突，在物理教學中，作為揭示學生認知結構與新觀念對立的重要手段“實驗”． “實驗是在學習者的面前引起日常生活中不可能經驗到的現象．違背學習者常識的實驗結果，將造成學習者意識中的認知失衡狀態，擺脫這種認知矛盾狀態求得解決的需求，就成了學習的動機”．

3 認知建構的機制——同化與順應學習

學生解決認知沖突和矛盾的過程是個體在與環境的不斷相互作用中其內部心理結構不斷變化的過程，在這個過程中，如果學生能夠利用已有的圖式把刺激整合到自己的認知結構中，這就是同化．同化過程是學生主體過濾、改造外界刺激的過程，通過同化，加強并豐富原有的認知結構，同化使圖式得到量的變化．不能利用原有圖式接受和解釋當前的刺激情景時，其認知結構由于刺激的影響而發生改變，這就是順應．順應是當學生主體的圖式不能適應客體的要求時，就要改變原有圖式，或創造新的圖式，以適應環境需要的過程．順應使圖式得到質的改變．同化表明主體改造客體的過程，順應表明主體得到改造的過程．通過同化和順應建構新知識，不斷形成和發展新的認知結構．如在探究感應電流的方向由哪些因素決定，遵循什么規律的過程中，學生在獲得圖式---導體切割磁感線時產生感應電流，磁鐵插入線圈、磁鐵從線圈中抽出產生感應電流，用開關或變阻器控制一個線圈中的電流，能夠在另一個線圈中產生感應電流等，概括它們的共性和特征，進行同化或順應過程，使學生逐步建立產生感應電流的條件，在獲得產生感應電流的條件圖式后，教師再定向指導學生對磁鐵插入線圈、磁鐵從線圈中抽出過程中感應電流磁場方向的研究，再用產生感應電流條件圖式來同化或順應磁鐵插入線圈、磁鐵從線圈中抽出感應電流的方向，就能使我們進一步鞏固、深化理解感應電流方向的特點：感應電流產生的磁場總要阻礙引起感應電流的磁通量的變化---楞次定律．這一過程可用框圖7表示．

圖7 學習框圖

4 認知建構的條件——問題引領學習

學生學習是一個動態的建構過程，即不斷地由舊的認知結構向新的認知結構轉換的過程，學生必須通過對知識的應用，獲得知識遷移能力；通過對更高層次問題的解決，以拓寬思路，重建自己的認知結構，從而達到舉一反三、融會貫通的目的．

譬如在“力的分解”這一節的教學中，關于斜面上物體所受重力的效果分解，在完成分解得出兩個分力的表達式后，呈現如下引領性的問題：兩個分力作用在什么物體上？斜面對物體的支持力、摩擦力多大？為什么？若斜面光滑，物體受到的合力多大？為什么？若斜面粗糙，當斜面傾角增大時，物體所受的摩擦力大小如何變化？支持力大小如何變化？這些問題具有明顯的遞進性，在力的效果分解基礎上進行了知識的應用與知識間的綜合，涉及兩力平衡、力的合成和摩擦定律等，顯著地擴大了教學效果，提升了學生綜合應用知識解決問題的能力．這種問題解決的學習過程就是認知結構遷移和重建過程，也是認知結構的構建與發展過程．

總之，學生學習物理的過程，就是認知結構的轉換與建構的過程；學生認知結構的轉換是一個復雜的心理過程，其前題是造成學生的認知沖突．教師的教學就是引發學生的認知沖突、并幫助學生解決認知沖突、實現轉換與構建學生的認知結構；教學有必要深入研究學習中的認知過程，以尋求教與學的最佳契合點．

1 (美)加儂，(美)柯蕾著.建構主義學習設計.宋玲,譯.北京：中國輕工業出版社

2 布魯克斯著.建構主義課堂教學案例.北京：中國輕工業出版社

3 高文，徐斌艷，吳剛主編.建構主義教育研究.北京：教育科學出版社

4 張雅軍著.建構主義指導下的自主學習理論與實踐.武漢：華中師范大學出版社

2016-08-29)