關注學生已有認知 促進學生認知發展
——以“壓強”教學為例

朱曉娟

(廣東省廣州市荔灣區金道中學,廣東 廣州 510380)

1 認知整合發展簡述

認知整合發展包含學生物理知識體系的建構和獲得知識過程中認知能力的發展，兩者是緊密聯系、不可分離的。物理概念是在觀察和實驗基礎上，運用科學的思維方法，排除偶然的、非本質的因素，抓住一類物理現象共同的本質屬性，加以抽象和概括而建構的。學生在建構物理概念的過程中，可以他們的前認知為基礎，促進其概念體系和認知能力的整合發展。

2 促進學生認知整合發展的教學案例

筆者在人教版八年級第九章第1節“壓強”的教學中，以學生的已有前認知為基礎，促進學生認知整合發展，教學過程簡述如下。

2.1 利用力的知識基礎，關注概念之間的聯系與區別

教師將一包紙巾放在桌面上，創設教學情境，引導學生分析紙巾的受力。

生：紙巾處于靜止狀態，受到重力和支持力。

師：根據力的作用是相互的，紙巾是否對其他物體有力的作用？

生：對地球有引力、對桌面有壓力。

教師引導學生比較、分析壓力和重力在力的三要素(即力的作用點、方向、大小)及產生原因上的差異，并形成結論(表1)。

將物體放置在水平面、斜面和豎直墻面上，讓學生比較三種情況下的壓力和重力的區別。

教師引導學生回顧“力的作用效果”，并提出問題：紙巾對桌面有壓力，我們能觀察到這一壓力所產生的作用效果嗎？

表1

針對學生提出的紙巾對桌面的壓力過小而導致無法觀察到力的作用效果這一問題，教師將一個質量為5kg的大秤砣放置在桌面上，此時學生仍未能觀察到壓力的作用效果。

學生建議將物體放置在一個較軟的海綿上，通過海綿的形變來呈現壓力的作用效果。

教師將5kg大秤砣和紙巾分別放置在海綿上，觀察到海綿明顯發生了形變，而紙巾放在海綿上時未觀察到明顯的效果。教師將紙巾放置在兩端有支撐的軟木片上，學生發現軟木片明顯變彎。

設計意圖：學生在學習“壓強”之前，已經具備一定的力學知識基礎，已經學習過力的三要素、力的作用效果，教師通過引導學生分析壓力的作用效果(這里指的是形變)，建立起新舊知識間的聯系。但由于生活經驗的影響，學生往往會將重力和壓力混淆。教學中充分運用學生已有的知識基礎，幫助學生進行概念辨析。此外，教師還巧妙利用軟木片的形變來直觀展示軟木片受到輕小物體所施加的壓力及所產生的效果，修正學生認為“重的物體才會產生力的作用效果”的錯誤前認知。同時幫助學生建立起對轉換法的認識，即通過觀察受力物體的形變量來比較壓力的作用效果。

2.2 應用控制變量法，探究壓力作用效果的影響因素

教師提問：通過之前的實驗發現，當不同的物體放在海綿上時，所產生的作用效果是不同的，那么影響壓力作用效果的因素有哪些？

學生猜想：壓力、受力面積……

教師為學生提供以下實驗器材：海綿、小桌、鉤碼、削好的鉛筆等，學生分組討論并制定實驗方案。

方案一:(1) 將小桌的四個腳放在海綿上，并將10個鉤碼放在桌上，觀察到四個腳的接觸處產生了明顯形變；(2) 將桌面放在海綿上，同樣將10個鉤碼放在桌上，觀察到此時接觸處產生的形變不明顯。

方案二:(1) 將小桌的四個腳放在海綿上，并放置5個鉤碼在桌上，觀察到桌腳陷入海綿；(2) 將10個鉤碼放在桌上，觀察到桌腳陷入海綿更深。

方案三:用兩塊海綿壓著鉛筆的兩端，觀察到整個筆尖陷入海綿中，未削的另一端幾乎未進入海綿。

師:大家在實驗中均用到了海綿，使用海綿的原因是什么呢？這三組實驗均用到了什么方法？

生:利用海綿使不明顯的形狀改變變得明顯，三組實驗均用到了控制變量法。

在實驗過程中，有的小組將砝碼并排放置在海綿上，并觀察壓力的作用效果，此時壓力和受力面積均發生了改變，未控制變量，因此無法進行比較。

學生通過歸納，發現:實驗方案一控制了壓力大小不變，改變受力面積，表明在壓力大小相同的情況下，受力面積越小，壓力的作用效果越明顯；實驗方案二控制了受力面積不變，改變壓力大小，表明在受力面積相同的情況下，壓力越大，壓力的作用效果越明顯；實驗方案三同樣控制壓力大小不變，改變受力面積，也表明在壓力大小相同的情況下，受力面積越小，壓力的作用效果越明顯。

學生據此得出結論:壓力的作用效果與壓力大小、受力面積有關，壓力越大作用效果越明顯，受力面積越小作用效果越明顯。

設計意圖：通過對前一階段實驗現象的觀察，引導學生猜測壓力的作用效果與壓力和受力面積有關。提供實驗器材引導學生自主設計實驗進行探究，實驗中需要用到控制變量法，但實驗設計之初教師未對“控制變量法”進行特別強調，是因為“控制變量法”是物理學中常用的一種科學方法，初中生在“研究影響滑動摩擦力大小的因素”等實驗中就對此方法有一定了解，八年級學生可較熟練地應用“控制變量法”來解決不熟悉的壓力作用效果這一問題，讓學生自主設計實驗方案、開展實驗探究、得到實驗結論。在這一過程中學生不僅增強了對壓力作用效果影響因素的理解，還對控制變量法、比較法、實驗歸納法等科學方法有了深入理解。

2.3 回顧比值定義法，建構壓強概念

教師引導學生利用探究得到的影響壓力作用效果的兩個因素來建構一個新的物理概念——壓強，用來描述壓力的作用效果。

教師引導學生回顧常用的定義物理概念的方法——比值定義法，并列舉學生已學習過的密度、速度等概念的定義式，幫助學生建構壓強概念。

在此基礎上教師引導學生探討用比值定義法定義“密度”和“壓強”的區別，深化對比值法的認識。

設計意圖：通過與學生已學習的密度、速度等概念的定義建立聯系，引導學生自主建構壓強概念。在此基礎上，比較中學物理中運用比值法定義物理概念的兩種類型：一類是兩個或多個物理量的比值是個常數，比值反映的是物質本身的一種性質，例如密度，它的大小僅由物質本身決定，與定義式中的其他物理量無關；另一類是描述物體的狀態、外在的作用強弱等，并不反映其自身固有屬性，例如速度、壓強等，它的大小受定義式中其他物理量的影響，壓強反映了壓力的作用效果與壓力大小、受力面積之間的關系。

2.4 應用所學知識，解決生活實際問題

教師讓學生列舉生活中增大和減小壓強的兩類實例，并結合所學知識進行解釋。

學生舉例：增大壓強的例子有磨刀、圖釘、注射器針尖等；減小壓強的例子有履帶、減少書包質量等。

要求學生將所列舉的例子按照改變的影響因素進行分類，學生指出：改變壓力大小的有減少書包重量等；改變受力面積的有磨刀、圖釘、注射器針尖、履帶等。

設計意圖：引導學生將所學的知識和相關生活現象聯系起來，并從不同角度思考問題，從而對所學知識有新的認識，拓展了學生的思維。

3 結語

在初中物理教學中應注重引導學生將已有知識和新知識相聯系，關注思維方法等的學習，從而幫助學生逐步實現認知整合。在本節課上讓學生經歷自主建構壓強概念的過程，不僅在知識上注重壓強與已習得的力學知識的聯系，在認知方式上也注重應用學生已學習的方法，例如轉換法、控制變量法以及比值定義法等，幫助學生應用已學知識理解新知識，應用已學方法解決新問題，有利于促進學生的認知整合，進而提高學生的物理學科核心素養。