指向深度學習的高中物理教學中學生認知困難的分析和對策

(江蘇省震澤中學，江蘇 蘇州 215200)

深度學習要求學生以內在學習需求為動力，以理解性學習為基礎；運用高階思維批判性地學習新的思想和事實；能夠在知識之間進行整體性連通，將它們融入原有的認知體系進行建構；能夠在不同的情境中創造性地解決問題；能夠運用元認知策略對學習進行調控，并達到專家程度的學習。[1]然而，在高中物理教學中，學生的學習存在各種認知困難，建構缺乏理解性、批判性、整合性和創造性，遠未達到深度學習的要求。所以，研究學生認知困難的產生原因和化解策略，對推進高中物理的深度學習具有重要意義。

1 思維定勢導致認知困難

思維定勢在學生的學習過程中經常存在，它貯存在一個由新舊知識組成的認知結構之中，其積極作用表現為面對新知識、新問題會迅速地聯想并運用舊知識、舊技能進行認知。但當這個認知結構的分辨率不高時，即可出現新舊知識的干擾和混淆，其消極作用也容易暴露出來，在思想方法上表現為墨守成規，按一種模式化的思路分析和思考問題，不利于(甚至是干擾和排斥)新舊知識的同化和順應。

在研究閉合電路中電源輸出功率隨外電阻變化的規律時，會討論如下結論：當外電阻等于內阻時，電源的輸出功率達到最大。筆者在單元復習時設計了以下例題。

例1:在下列4個電路中，閉合開關后哪一個電源的輸出功率最大？

解析：結果是多數學生選擇了B，學生的這種錯誤正是由于思維定勢的負遷移所致。結果表明，學生對規律的理解不夠到位，沒有注意到該結論的適用條件：內阻是常量，外電阻是變量。正確答案應該是A。

思維沖突下學生中出現的錯誤是良好的教學資源，它能催生學生內在的學習需求和動力，教師應趁勢引導學生對原有認識進行再認知和改造，及時反思和評價自己的思維，運用元認知策略監控自己的思維活動，推動思維得以升華。[2]這樣的教學促進了數學和物理知識的整體性連通，引導學生將新知識融入原有認知體系，運用高階思維批判性地改造原有認知。

針對思維定勢的負遷移，在教學中應該注意以下幾方面：(1) 通過遷移訓練使學生打破思維定勢，必須有意識地針對學生的元認知設計遷移訓練，對學生的結果給予及時的反饋和評價，引導學生進行元認知監控。(2) 物理理論已經把相關物理現象和經驗概括化了，比個別經驗和事實更具有普遍性。在教學中要加強對基本概念的深度剖析和重要規律的應用指導，通過具體情境剖析物理概念的內涵、外延，與相關概念加以區別和聯系，在規律應用中關注適用條件、思想方法和思路，幫助學生克服思維定勢的負面影響。(3) 注重培養學生的概括能力。學生的概括能力是影響學生思維定勢的重要因素，如果學生具有高度的概括能力，就能概括出新舊知識、經驗之間的關系以及各種規律間的聯系，所以，比較應成為學生理解和思維的基礎。

2 錯誤經驗導致認知困難

學生在學習時往往有經驗性知識，這些經驗會以表象或概念的形式保留在記憶中，形成一個階段性的認知結構，其中正確的經驗可為更高層次、更廣范圍的學習和創新奠定基礎。但錯誤經驗產生的“心理錯覺”卻會引起思維障礙，從而產生認知困難。

比如物體在豎直平面內做圓周運動，通過最高點的最小速度(臨界速度)的問題，很多學生根據經驗，想當然地認為是零。教師不妨從兩方面來分析，幫助學生實現對原有認知的自我改造和認識的自主升華：一是進行受力分析，應用牛頓運動定律；二是從離心運動與近心運動的條件切入。上述分析整合了學生多方面的知識，引導學生對已有知識進行深層次加工。最終，使學生形成一個完整認識：對于無支撐模型，過最高點時速度要足夠大，大到重力不足以提供向心力，有離心的趨勢，這樣物體緊貼著軌道(或使繩子繃緊)，還受到一個指向圓心的力，它和重力一起提供向心力。上述分析有助于學生將原有的碎片化知識和認知加以整合，引導學生深入思考。

例2：貨車以8m/s的速度在鐵路上行駛，由于調度事故，在大霧中后面600米處有一快車以20m/s的速度在同一軌道上行駛。快車司機發現后趕快合上制動器，但快車仍要滑行2000米才能停下來。試判斷兩車會不會相撞？

解析：很多學生從自己的經驗出發，簡單地認為:只要計算出快車停止時與貨車的相對距離，就可以判斷快車是否與貨車相撞，結論是兩車不相撞。而事實上，當快車速度減小到等于貨車速度時，若兩車仍未相撞，則兩車將相安無事，因此本題的關鍵在于要分析計算兩車速度相等時的相對距離。對此，教師可通過三種分析加以引導和糾正：一是借助數學函數；二是分析兩者的運動過程和相對運動情況；三是借助速度-時間圖像分析過程和臨界情況及條件。此分析過程并未增加學生負擔，因為分析是在應用學生的知識儲備，并實現了整合，提升了學生分析問題、解決問題的能力。

針對學生的錯誤經驗，通過問題觸發學生的思維，引領學生耐心分析、深入思考，引導學生糾正或摒棄原有認知結構中“先入為主”和“想當然”的經驗錯覺，逐步培養學生“一切都需要小心求證”的良好思維品質。通過認知的遷移，加速知識向更高級理解的轉化，實現物理的知識梯度螺旋上升，構建一個逐漸完善的認知結構。在教學中應加強方法指導、思想引領，引導學生對知識進行更深層次的加工，推動學生能力提升，以實現學力進步，甚至催生學生的創造和創新能力。

3 隱蔽信息導致認知困難

在物理問題中，如果含有隱蔽信息，則可以考查和培養學生思維能力和判斷能力，當然也會給學生的認知帶來困難。

例3：一長輕質薄硬紙片置于光滑水平地面上，其上放質量均為1kg的A、B兩物塊，A、B與薄硬紙片之間的動摩擦因數分別為μ1=0.3，μ2=0.2，水平恒力F作用在A物塊上，如圖2所示。已知最大靜摩擦力等于滑動摩擦力，g取10m/s2。下列說法正確的是( )。

圖2

A. 若F=1.5N，則A物塊所受摩擦力大小為1.5N

B. 若F=8N，則B物塊的加速度為4.0m/s2

C. 無論力F多大，A與薄硬紙片都不會發生相對滑動

D. 無論力F多大，B與薄硬紙片都不會發生相對滑動

解析：本題中，“輕質”看似一個不起眼的條件，其實它隱蔽著一個關鍵條件。“輕質”意味著質量不計，紙片所受合力必定為零，A、B對紙片的摩擦力肯定大小相等，而A與紙片間的最大靜摩擦力較大，故A與紙片間不可能發生相對滑動，否則紙片的加速度將會無窮大。

有時，學生對關鍵條件不能科學解讀和科學建模，不能實現“已知條件具體化，文字語言數學化”，這一關鍵條件便成了一種非典型性隱蔽信息。

例4：絕緣平面上的A、B兩點分別固定兩個正的點電荷Q1和Q2，若A、B間相距為L，現以AB為直徑畫一個半圓弧(如圖3)，試求出圓弧上電勢最低點的位置。

圖3

解析：電勢最低點的特點是本題的關鍵，對其科學解讀可源于如下分析：設想一個正檢驗電荷沿半圓弧移動，分析電場力對其做功的情況，從而得到電勢能變化的情況，進而得到電勢變化的情況。設圓弧上P點電勢最低，則正檢驗電荷在該點具有的電勢能最小，那么電荷從圓弧上其他位置移到P點的過程(無論是從左側還是從右側)，電場力都是做正功，也就是說電荷在圓弧上其他點所受電場力一定存在指向P點的切向分量，而在P點電荷所受電場力恰好沿半徑方向。可見抓住電荷在電勢最低點的受力特征，問題便能迎刃而解。

本題看似內容單一，其實包含的知識容量很豐富，含有電勢、電場強度、電勢能、電場力做功等知識，其中還隱含了如何確定電勢高低分布的思想方法，學生正是由于不能捕捉到題中所隱含的信息，而對本題無從下手，只能“俯首稱臣”。所以，在平時的教學中要指導學生挖掘隱蔽信息，特別是關鍵性的隱蔽信息，并且引導學生對其進行科學解讀，使學生對隱蔽信息的挖掘、解讀的意識和能力得到不斷加強，從而克服由隱蔽信息帶來的認知困難。

4 結語

造成學生認知困難的原因不止上述三點，依據具體原因又可細分成若干點，但這些都是表象。學生種種認知困難的存在都指向一個深層次的教學現狀：高中物理教學普遍存在思維膚淺的現實，學生的學習停留在淺表層次。膚淺化教學過程中學生的思維是低階的，分析能力和思維深刻性得不到提升，思維沒有反思性和批判性，獲得的知識不能靈活應用，更談不上創造和創新。目前的教學并未做到以下幾點：教師基于學生元認知選擇真正最具代表性的典型問題，讓學生在面對認知挑戰下實現元認知體驗，通過師生對話引導學生獨立思考，在元認知監控下解決認知困難。

通過上述分析可見，要從根本上解決學生的認知困難，引導學生進行深度學習是必然選擇，深度學習應該成為化解學生認知困難的總策略，同時，策劃和化解學生認知困難又是實現深度學習的有效途徑，它們是相輔相成、相互促進的。教師應該引導學生在“問題解決”中，提高“決策能力”，形成“自我調整”的意識，逐步培養“批判性思維能力”。[3]另外，教學是基于元認知理論，通過反思性教學，提高學生反思性思考的意識和行動能力，以促進深度學習，提升學生思維的深刻性。如此，學生的認知困難便能自然而然地得到根本性化解。可以看出，本文化解認知困難的具體做法都是在指向深度學習，在化解認知困難中引領學生進行深度學習，同時，通過深度學習的推進，提升學生自主化解認知困難的能力，以期從根本上解決問題。