物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)中認(rèn)知沖突策略的實(shí)踐研究

汪穎 彭曉春

【摘要】學(xué)生如何學(xué)習(xí)新知識(shí)呢？往往會(huì)嘗試運(yùn)用已有認(rèn)知結(jié)構(gòu)去理解新知識(shí)，當(dāng)無法用已有知識(shí)結(jié)構(gòu)解釋新知識(shí)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生認(rèn)知沖突。在物理課堂教學(xué)中教師可以通過演示實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入到認(rèn)知沖突的狀態(tài)，又通過演示實(shí)驗(yàn)走出了認(rèn)知沖突的迷茫。演示實(shí)驗(yàn)是揭示學(xué)生原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)與新觀念對(duì)立的重要手段，“演示實(shí)驗(yàn)是在學(xué)習(xí)者的面前引起日常生活中不可能經(jīng)驗(yàn)到的現(xiàn)象，違背學(xué)習(xí)者常識(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，將造成學(xué)習(xí)者意識(shí)中的認(rèn)知失衡狀態(tài)，擺脫這種認(rèn)知矛盾狀態(tài)求得解放的需求，就成了學(xué)習(xí)的動(dòng)機(jī)”。課堂需要認(rèn)知沖突，憤、悱狀態(tài)是學(xué)生處于最佳的認(rèn)知和最強(qiáng)求知欲的時(shí)刻。演示實(shí)驗(yàn)展現(xiàn)教材中新、舊知識(shí)點(diǎn)呈現(xiàn)的“矛盾”引發(fā)認(rèn)知沖突;演示實(shí)驗(yàn)展現(xiàn)學(xué)生猜想與實(shí)驗(yàn)事實(shí)的“矛盾”引發(fā)認(rèn)知沖突;演示實(shí)驗(yàn)展現(xiàn)日常經(jīng)驗(yàn)性知識(shí)與科學(xué)知識(shí)的“矛盾”引發(fā)認(rèn)知沖突。

【關(guān)鍵詞】物理演示實(shí)驗(yàn);認(rèn)知沖突;實(shí)踐研究

一個(gè)人已建立的認(rèn)知結(jié)構(gòu)與當(dāng)前面臨的學(xué)習(xí)情境之間暫時(shí)的矛盾與沖突就是認(rèn)知沖突，是學(xué)生已有的認(rèn)知與對(duì)新知識(shí)的理解之間存在某種差距而導(dǎo)致的意外與心理失衡。就高中物理教學(xué)而言，即學(xué)生原有物理知識(shí)結(jié)構(gòu)與新知識(shí)之間存在的差異而產(chǎn)生的一種無法理解的心理茫然狀態(tài)。學(xué)生在學(xué)習(xí)新知識(shí)的過程中，往往會(huì)嘗試調(diào)動(dòng)已有知識(shí)結(jié)構(gòu)去理解新知識(shí)，當(dāng)無法用已有知識(shí)結(jié)構(gòu)解釋新知識(shí)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生認(rèn)知沖突，就會(huì)產(chǎn)生解決新問題的渴求和欲望。教師應(yīng)善于引發(fā)并利用學(xué)生的認(rèn)知沖突，激發(fā)學(xué)生的求知欲，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，重新建構(gòu)已有的知識(shí)結(jié)構(gòu)，打通“任督”二脈，走出茫然無措的狀態(tài)，讓新的知識(shí)精彩呈現(xiàn)，使課堂教與學(xué)的效果提升。

演示實(shí)驗(yàn)是學(xué)生獲得感性材料的重要源泉，成功的演示實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生印象鮮明而深刻，教師利用演示實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入到認(rèn)知沖突的狀態(tài)，又通過演示實(shí)驗(yàn)走出了認(rèn)知沖突的迷茫。在物理教學(xué)中，揭示學(xué)生原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)與新觀念對(duì)立的重要手段是演示實(shí)驗(yàn)，“通過演示實(shí)驗(yàn)在學(xué)習(xí)者的面前引起日常生活中不可能經(jīng)驗(yàn)到的現(xiàn)象，違背學(xué)習(xí)者常識(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，將造成學(xué)習(xí)者意識(shí)中的認(rèn)知失衡狀態(tài)，擺脫這種認(rèn)知矛盾狀態(tài)求得解放的需求，就成了學(xué)習(xí)的動(dòng)機(jī)”。課堂需要認(rèn)知沖突，憤、悱狀態(tài)是學(xué)生處于最佳的認(rèn)知和最強(qiáng)求知欲的時(shí)刻。

1.演示實(shí)驗(yàn)展現(xiàn)教材中新、舊知識(shí)點(diǎn)呈現(xiàn)的“矛盾”引發(fā)認(rèn)知沖突

要展現(xiàn)物理教材中新、舊知識(shí)的矛盾，就一定要對(duì)新舊知識(shí)有充分的了解，使學(xué)生的新舊知識(shí)發(fā)生有效的聯(lián)系。

【案例】在上物理選修3-1時(shí)遇到這樣一個(gè)練習(xí)題（有刪減內(nèi)容），

如下圖所示，電源電壓保持不變，小燈泡L1、L2、L3是相同的三只燈泡，當(dāng)S 與S1閉合時(shí)，燈L1能夠正常發(fā)光，當(dāng)S2、S3都閉合，燈泡L1亮度會(huì)如何改變？

學(xué)生認(rèn)為：燈L1依然能夠正常發(fā)光，亮度不變。

原因分析：在初中物理所學(xué)的電路，主要是恒壓源，即總是認(rèn)為電源的電壓是一個(gè)定值，所以當(dāng)S2、S3都閉合，學(xué)生們此時(shí)還是認(rèn)為加在燈泡L1兩端的電壓沒有改變，燈泡電阻不變，因而L1亮度不變。其根本原因是沒有考慮電源的內(nèi)阻。

于是設(shè)計(jì)了如右圖所示的演示實(shí)驗(yàn)：

1）閉合干路電鍵和某一支路電鍵，燈泡發(fā)光。

2）閉合干路電鍵和某兩支路電鍵，兩燈泡發(fā)光變暗了。

3）閉合干路電鍵和某兩支路電鍵，三燈泡發(fā)光明顯變暗了。

學(xué)生所觀察到的演示實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象，與學(xué)生所得到的結(jié)論不相吻合，學(xué)生解釋不了，陷入迷茫。引入學(xué)生對(duì)閉合回路歐姆定律的研究與學(xué)習(xí)之中。利用演示實(shí)驗(yàn)呈現(xiàn)了新、舊知識(shí)之間的矛盾，產(chǎn)生了認(rèn)知沖突，引導(dǎo)著學(xué)生積極的思考，關(guān)注老師進(jìn)一步知識(shí)的講解。

【案例】在講圓周運(yùn)動(dòng)的應(yīng)用時(shí)，將“水流星”這個(gè)雜技表演節(jié)目搬到了教學(xué)課堂上，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示。給杯子中裝水，周邊套上繩，讓杯子快速地在豎直面內(nèi)作圓周運(yùn)動(dòng)，水流星在演示的過程中，學(xué)生紛紛躲閃，擔(dān)心水從杯中流出，結(jié)果快速轉(zhuǎn)動(dòng)一會(huì)兒，發(fā)現(xiàn)即使經(jīng)過圓周運(yùn)動(dòng)最高點(diǎn)時(shí)，水也沒有從杯子中流出。

老師引導(dǎo)發(fā)問：裝水的杯子經(jīng)過最高點(diǎn)時(shí)，杯口朝下，為什么水不會(huì)漏出來呢？學(xué)生們陷入思考，并且放松了對(duì)水杯的戒備。老師逐漸降低水杯轉(zhuǎn)動(dòng)的速度，一下子水又漏了出來，附近學(xué)生驚叫起來。老師再次發(fā)問：為什么現(xiàn)在水杯的水會(huì)漏出來呢？老師邊演示實(shí)驗(yàn)邊引導(dǎo)學(xué)生思考。在以往舊知識(shí)中倒轉(zhuǎn)水杯，水是會(huì)漏出來的。可現(xiàn)在快速轉(zhuǎn)動(dòng)水杯，水杯倒掛時(shí)不漏水，而緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，水杯倒掛水還是會(huì)流出。此時(shí)利用演示實(shí)驗(yàn)展現(xiàn)教材中新、舊知識(shí)點(diǎn)呈現(xiàn)的“矛盾”引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突。然后引導(dǎo)學(xué)生對(duì)最高點(diǎn)水的受力分析，揭開水流星的秘密。

2.演示實(shí)驗(yàn)展現(xiàn)學(xué)生猜想與實(shí)驗(yàn)事實(shí)的“矛盾”引發(fā)認(rèn)知沖突

在物理學(xué)習(xí)的過程，學(xué)生利用已擁有的知識(shí)，對(duì)一些物理現(xiàn)象進(jìn)行了猜想，可是結(jié)果卻“不可思議”。

【案例】在講《力的分解》時(shí)，“一指斷鋼絲”演示實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生掌握力的分解規(guī)律。

師：上課前我們先來做個(gè)實(shí)驗(yàn)。（展示鋼絲）這是一根鋼絲，請(qǐng)一位學(xué)生來試試能否將鋼絲拉斷，男生勁大，請(qǐng)一位男生來做這個(gè)實(shí)驗(yàn)。（示意一男生甲）

男生甲：（戴上準(zhǔn)備好的棉手套，使了很大的勁，臉漲紅了，可是鋼絲沒有拉斷）

師：（教師微笑著出招，按照上圖所示將鋼絲固定在A、B兩）下面我們請(qǐng)一位女生上來拉斷鋼絲。（示意女生乙）

女生乙：（女生在老師的引導(dǎo)下，從中部壓下，鋼絲瞬間斷裂）

全班學(xué)生：驚呼。（該現(xiàn)象超出了學(xué)生猜想結(jié)論之外）

師：太不可思議了，這位女生完成了剛才那位男生無法完成的事，這是什么原因呢？要揭開這個(gè)謎底，需要學(xué)習(xí)“力的分解”。

該實(shí)驗(yàn)操作過程簡單明了，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象清晰直觀，具有較強(qiáng)的視覺沖擊力，讓學(xué)生在“不可思議”中產(chǎn)生認(rèn)知沖突，鋼絲是很難斷的，這是已有的認(rèn)識(shí)，為什么現(xiàn)在用了這樣的方式，一位手無束雞之力的女生就能拉斷鋼絲呢？由此激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，使學(xué)生處于憤悱的狀態(tài)之中，思維的火花等待著點(diǎn)燃。

【案例】在學(xué)習(xí)“超重失重”時(shí)，為了讓學(xué)生認(rèn)識(shí)完全失重狀態(tài)，設(shè)計(jì)了一個(gè)演示實(shí)驗(yàn)，一個(gè)盛水的塑料瓶兩側(cè)有小孔，當(dāng)塑料瓶靜止放置時(shí)，小孔內(nèi)會(huì)有水柱流出。

老師問：同學(xué)們，如果現(xiàn)在讓塑料瓶自由下落，小孔內(nèi)還會(huì)有水柱流出嗎？

有學(xué)生回答：會(huì)啊。

老師演示實(shí)驗(yàn)，學(xué)生對(duì)小孔進(jìn)行觀察，學(xué)生驚奇地發(fā)現(xiàn)小孔內(nèi)沒有水柱流出了。因?yàn)橄侣涮欤瑢W(xué)生觀察現(xiàn)象不明顯，于是用手機(jī)“慢動(dòng)作”拍攝下來，然后放給學(xué)生們觀看，可以清晰地看到水柱在自由下落開始的瞬間就停止流出。學(xué)生感覺到“不可思議”。

老師引導(dǎo)：為什么塑料瓶自由下落時(shí)，小孔內(nèi)沒有水溢出？是因?yàn)樗畬?duì)瓶沒有了壓力，如果液體受到重力而使內(nèi)部存在壓力，小孔以上部分的水對(duì)以下部分的水的壓力造成小孔處的水流出。當(dāng)瓶子自由下落時(shí)，瓶中的水處于完全失重狀態(tài)，小孔以上部分的水對(duì)以下部分的水沒有壓力，小孔沒有水流出。

老師進(jìn)一步引導(dǎo)：完全失重狀態(tài)就是物體對(duì)支持物的壓力（或?qū)覓煳锏睦Γ榱愕臓顟B(tài)。

在對(duì)完全失重狀態(tài)的認(rèn)識(shí)過程中，先通過演示實(shí)驗(yàn)打破學(xué)生認(rèn)知平衡，讓學(xué)生處于驚異于現(xiàn)象而又難以理解的狀態(tài)，在老師引導(dǎo)重新建構(gòu)了對(duì)完全失重的理解，使得學(xué)生的認(rèn)知達(dá)到新的平衡，使認(rèn)知得到了發(fā)展。

3.演示實(shí)驗(yàn)展現(xiàn)日常經(jīng)驗(yàn)性知識(shí)與科學(xué)知識(shí)的“矛盾”引發(fā)認(rèn)知沖突

有的學(xué)生在學(xué)習(xí)物理時(shí)是經(jīng)驗(yàn)主義，依據(jù)日常的經(jīng)驗(yàn)去思考問題，通過演示實(shí)驗(yàn)展現(xiàn)“出乎意外”的結(jié)果，引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突。

【案例】在講授牛頓第三定律時(shí)，找兩名同學(xué)做拔河游戲，其中一個(gè)是高大結(jié)實(shí)的男生，一個(gè)是瘦弱體重很輕的女生。結(jié)果男生輕松就贏了。

老師問：男同學(xué)為什么能贏女同學(xué)？

學(xué)生答：當(dāng)然是因?yàn)槟型瑢W(xué)的力氣比女同學(xué)大，男生拉女生的力大于女同學(xué)拉男生的力。

老師接著做實(shí)驗(yàn)，讓男同學(xué)穿上了溜冰鞋和女同學(xué)再進(jìn)行拔河比賽，結(jié)果女同學(xué)輕松地獲勝了。

老師接著引導(dǎo)：男生拉女生的力大于女同學(xué)拉男生的力，那為什么女生獲勝了呢？

這時(shí)候，學(xué)生腦海里就產(chǎn)生了眼前的現(xiàn)象與自己頭腦中的預(yù)設(shè)不一樣的認(rèn)知沖突。學(xué)生們會(huì)繼續(xù)思考決定拔河輸贏的因素究竟是什么？男生拉女生的力大于女生拉男生的力這個(gè)原因不正確嗎？帶著疑惑，學(xué)生們嘗試著通過努力學(xué)習(xí)解決疑難的問題。

【案例】在講“自感現(xiàn)象”時(shí)，通過“閉合電路后燈才‘逐漸亮，而斷開電路后燈卻‘不會(huì)立即熄滅”產(chǎn)生認(rèn)知沖突，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)：“當(dāng)導(dǎo)體中的電流發(fā)生變化時(shí)，導(dǎo)體本身就產(chǎn)生感應(yīng)電流，這個(gè)電流總是阻礙導(dǎo)體中原來電流的變化”。

演示實(shí)驗(yàn)一：通電自感現(xiàn)象

依據(jù)上圖電路圖連接實(shí)物，并逐一介紹給學(xué)生，清晰展示給學(xué)生。

觀察：開關(guān)接通時(shí)，可以看到什么現(xiàn)象？

現(xiàn)象：L2立刻亮，L1逐漸變亮。

認(rèn)知沖突原因：為什么電鍵閉合后，L1沒有立刻變亮？以往的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)是電鍵閉合燈就亮，與以往的知識(shí)產(chǎn)生了沖突。

演示實(shí)驗(yàn)二：斷電自感現(xiàn)象

同樣依據(jù)上圖電路圖連接實(shí)物，并逐一介紹給學(xué)生，清晰展示給學(xué)生。

觀察：開關(guān)斷開時(shí)，可以看到什么現(xiàn)象？

現(xiàn)象：燈泡沒有馬上熄滅。

認(rèn)知沖突原因：以往的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)是電鍵斷開，電燈就熄滅，而現(xiàn)在開關(guān)斷開，燈泡沒有馬上熄滅，甚至比原來更亮了一些。

“通時(shí)不亮斷時(shí)亮”，通過演示實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生產(chǎn)生認(rèn)知沖突，使學(xué)生更加明確了“阻礙”的含義：當(dāng)通過螺線管中原來的電流I增大時(shí)，螺線管中產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢阻礙I 變大;當(dāng)通過螺線管中原來的電流I減小時(shí)，螺線管中產(chǎn)生的自感電動(dòng)阻礙I減小。

【案例】在研究沸點(diǎn)與什么因素有關(guān)時(shí)，準(zhǔn)備好演示實(shí)驗(yàn)器材：燒杯及內(nèi)裝90℃以上的熱水、陶瓷杯、橡膠手套。

演示實(shí)驗(yàn)：首先準(zhǔn)備一燒杯溫度大于90℃的水，然后往針管中吸入些許熱水，戴上手套，用手堵住小口處，用力向外拔針管的活塞，發(fā)現(xiàn)針管中的水竟然沸騰了，熱水在沸騰冒泡。學(xué)生感覺到非常吃驚。

認(rèn)知沖突原因：水的沸騰在學(xué)生以往的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)中，往往需要對(duì)水進(jìn)行加熱才能使水沸騰。而此時(shí)并沒能對(duì)水加熱，水卻沸騰起來，讓學(xué)生感覺到茫然。

通過老師引導(dǎo)，使學(xué)生明了，水要沸騰，必須要達(dá)到水的沸點(diǎn)，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，水的沸點(diǎn)約為100℃，但沸點(diǎn)會(huì)隨外界壓強(qiáng)變化而改變，壓強(qiáng)變低沸點(diǎn)也會(huì)隨之降低。在以上演示實(shí)驗(yàn)中針管中加入未沸騰的熱水之后，堵住一頭，將活塞用力外拉，針管內(nèi)的空氣體積變大，壓強(qiáng)變小，從而導(dǎo)致水的沸點(diǎn)降低，于是針管內(nèi)的水開始沸騰了。

學(xué)生在學(xué)習(xí)新的知識(shí)之前，頭腦里已具有一定的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，學(xué)生會(huì)利用已有的知識(shí)結(jié)構(gòu)來分析理解新的知識(shí)。如果是原有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)無法解釋新知識(shí)，那就會(huì)產(chǎn)生認(rèn)知沖突。認(rèn)知沖突打破了學(xué)生原有的認(rèn)知平衡，促使學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)得到發(fā)展而達(dá)到新的平衡。要有效引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突，就得了解學(xué)生已有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)或者認(rèn)知經(jīng)驗(yàn)。

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