消除認(rèn)知沖突

摘 要：教學(xué)中多方面的信息可能會造成學(xué)生的認(rèn)知沖突，影響學(xué)生對知識的理解。以滑動摩擦力教學(xué)中的兩個難點(diǎn)為例，從學(xué)生認(rèn)知的角度出發(fā)，設(shè)計實(shí)驗教學(xué)，分析實(shí)驗結(jié)果。通過對比實(shí)驗及原理分析，消除“勻速”對學(xué)生的困擾；通過“多變量”“定量化”實(shí)驗，明確接觸面積不影響滑塊所受的滑動摩擦力大小，并通過對“單變量”和“多變量”的比較，幫助學(xué)生更深入地理解控制變量法。

關(guān)鍵詞：認(rèn)知沖突；滑動摩擦力；等量替代法；控制變量法

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2024）10-0038-4

收稿日期：2024-04-10

基金項目：寧波大學(xué)教研項目“初中科學(xué)實(shí)驗教學(xué)研究”（JYXMXZD2022175）。

作者簡介：季嘉豪（2003-），男，本科生，主要從事中學(xué)科學(xué)實(shí)驗教學(xué)研究。

*通信作者：王培卿（1979-），男，實(shí)驗師，主要從事中學(xué)科學(xué)實(shí)驗教學(xué)研究。

滑動摩擦力是初中物理教學(xué)的重要內(nèi)容，重難點(diǎn)在于探究哪些因素會對滑動摩擦力的大小產(chǎn)生影響。學(xué)生通常會提出四個影響因素：滑塊對接觸面的壓力、接觸面積、接觸面的粗糙程度和滑塊運(yùn)動速度。用控制變量法設(shè)計實(shí)驗，完成實(shí)驗并分析數(shù)據(jù)可知，有兩個因素會影響滑動摩擦力的大小，即“滑塊對接觸面的壓力”和“接觸面的粗糙程度”。然而文獻(xiàn)顯示，在高中進(jìn)行滑動摩擦力教學(xué)時，部分學(xué)生仍會將“滑塊運(yùn)動速度”和“接觸面積”列為可能的影響因素［1-5］。

為了解學(xué)生對滑動摩擦力知識的掌握情況，本研究對寧波市124名中學(xué)生進(jìn)行問卷調(diào)查，其中包括83名初中生和41名高中生。41名高中生均來自于普通高中學(xué)校，生源情況多樣，涵蓋學(xué)習(xí)基礎(chǔ)較好的學(xué)生和普通學(xué)生。在問卷中，詢問學(xué)生關(guān)于“哪些因素會對滑動摩擦力的大小產(chǎn)生影響”的看法。結(jié)果顯示，選擇“接觸面積”的學(xué)生占比為60.48%，選擇“滑塊運(yùn)動速度”的學(xué)生占比為20.97%。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，初中生中有56.47%的學(xué)生選擇“接觸面積”，23.53%的學(xué)生選擇“滑塊運(yùn)動速度”；而高中生中，69.23%的學(xué)生選擇“接觸面積”，15.38%的學(xué)生選擇“滑塊運(yùn)動速度”。

盡管學(xué)生的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)存在差異，但調(diào)查結(jié)果表明大部分學(xué)生對滑動摩擦力的知識掌握欠佳。半數(shù)以上的學(xué)生認(rèn)為“接觸面積”會影響滑動摩擦力的大小，這一錯誤認(rèn)知在高中生和初中生中均有所體現(xiàn)。這一結(jié)果提示教師需要深入分析學(xué)生錯誤理解的根源，并設(shè)計相應(yīng)的教學(xué)方案來幫助他們糾正這些誤解。

1 問題分析

通過與學(xué)生交流及分析教學(xué)過程，發(fā)現(xiàn)有兩個可能因素對學(xué)生產(chǎn)生誤導(dǎo)。第一，在以滑動速度為變量的教學(xué)中，文獻(xiàn)和教材［5-10］都提到“滑塊做勻速直線運(yùn)動”。學(xué)生在實(shí)驗時常常難以控制滑塊的滑動速度，并使其保持勻速，這增加了實(shí)驗操作的難度，而在后續(xù)的課堂數(shù)據(jù)分析中，卻得出“滑動摩擦力的大小與滑塊的滑動速度并無直接關(guān)聯(lián)”的結(jié)論。這種“實(shí)驗過程中的速度控制要求”與“實(shí)驗結(jié)果中的速度無關(guān)性”之間的不一致，會使學(xué)生感到困惑。實(shí)際上，學(xué)生在理解這一概念時出現(xiàn)了偏差，錯誤地認(rèn)為：“實(shí)驗過程中需要控制木塊是否勻速，因此摩擦力的大小可能與滑塊是否勻速有關(guān)，進(jìn)而摩擦力大小與速度有關(guān)”。

第二，在感受摩擦力時，學(xué)生將一根手指按在桌面上時易于滑動，將整個手掌按在桌面上時難以滑動。學(xué)生由此認(rèn)為“接觸面積越大，滑動摩擦力也越大”。在實(shí)踐教學(xué)中，教師用彈簧測力計牽動長方形滑塊，將滑塊平置、豎置、側(cè)置于桌面上，滑塊和桌面的接觸面積改變，而滑塊在桌面上滑動時受到的滑動摩擦力卻不變，因此可知接觸面積沒有改變滑動摩擦力的大小。上述實(shí)驗操作簡單、現(xiàn)象明顯，是很好的實(shí)驗教學(xué)。但是，沒能對學(xué)生原有的感受作出解釋。此時，學(xué)生會有兩種相互沖突的認(rèn)知：一方面是自己的感受，另一方面是實(shí)驗數(shù)據(jù)，學(xué)生知道正確答案，但不知道自己的感受為什么是錯誤的。

可見，認(rèn)知沖突導(dǎo)致了學(xué)生不能正確理解知識，教師需要從學(xué)生的認(rèn)知角度分析問題，進(jìn)而解答學(xué)生的困惑。

2 文獻(xiàn)分析

在“探究摩擦力大小與滑塊滑動速度的關(guān)系”的相關(guān)文獻(xiàn)中，多是關(guān)于教具改進(jìn)的文章［5-6，11-13］，分析教學(xué)過程的文章較少。梁旭［14］指出，中學(xué)“滑動摩擦力”的教學(xué)目標(biāo)包含“學(xué)生能正確理解滑動摩擦力與物體運(yùn)動速度無關(guān)”。桑兆飛［15］通過課堂教學(xué)發(fā)現(xiàn)，在組織學(xué)生小組實(shí)驗中，學(xué)生一般是設(shè)計滑塊做勻速直線運(yùn)動，而如何控制滑塊勻速又成為小組實(shí)驗中費(fèi)時的難點(diǎn)。黃晶［16］提出，可以根據(jù)粵教版高中物理教材中一道課后練習(xí)來改進(jìn)實(shí)驗，以非勻速拉動滑塊下的長方形木塊，突破教學(xué)中維持滑塊勻速運(yùn)動的難點(diǎn)。總體而言，多數(shù)文獻(xiàn)提出了新穎的實(shí)驗改進(jìn)方案［5-6，11-16］，但較少文獻(xiàn)涉及原理講解，這導(dǎo)致學(xué)生的認(rèn)知沖突依舊未能消除。

在“探究摩擦力大小與接觸面積”的相關(guān)文獻(xiàn)中，研究者們通常探討滑動摩擦力與接觸面積之間的關(guān)系［17-20］，并將其作為教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。眾多教師［21-24］在“摩擦力”一課中將“手掌在桌面滑動感受到阻力”作為課堂導(dǎo)入，以引導(dǎo)學(xué)生切身體驗滑動摩擦力。謝昱圣［25］指出，在實(shí)際教學(xué)中，有學(xué)生發(fā)現(xiàn)使用一根手指滑動較整個手掌滑動更為省力，由此產(chǎn)生了滑動摩擦力與接觸面積有關(guān)的錯誤概念。蔡鉗、陳信余［18］、錢勇［19］與龔勁濤［20］從微觀角度分析滑動摩擦力的實(shí)質(zhì)，旨在回答滑動摩擦力與接觸面積無關(guān)的原理，但該理論涉及電磁力與剛體力學(xué)的知識，學(xué)生的錯誤性認(rèn)知并沒有得到針對性糾正。

綜合來看，眾多文獻(xiàn)提供了有益的改進(jìn)方案，并進(jìn)行了富有深度的討論，但鮮有文獻(xiàn)從認(rèn)知沖突的角度消除學(xué)生的疑惑。

3 教學(xué)設(shè)計

3.1 滑塊是否要做勻速運(yùn)動

教材中的實(shí)驗設(shè)計用到“等量替代”法，即將滑塊受到的滑動摩擦力大小與滑塊受到的拉力大小在數(shù)值上等同。有學(xué)生提出，是否只有在滑塊做勻速運(yùn)動時“等量替代”才能成立？解釋這一問題可從對比實(shí)驗著手。

實(shí)驗a是教材中的方案，實(shí)驗b［16］是在教學(xué)中廣泛采用的方案（圖1）。這一組實(shí)驗的目的不是改進(jìn)設(shè)計，而是結(jié)合教學(xué)內(nèi)容引導(dǎo)學(xué)生對比思考。

觀察速度變化的瞬間，彈簧測力計的讀數(shù)是否變化。在實(shí)驗a中，通過彈簧測力計拉動滑塊，在拉動過程中改變滑塊的滑動速度，彈簧測力計的讀數(shù)會有較大變化；在實(shí)驗b中，將彈簧測力計固定在鐵架臺上，滑塊放置在長木板上，彈簧測力計通過一根細(xì)長線和滑塊相連，以變速拉動長木板，彈簧測力計的讀數(shù)仍能保持穩(wěn)定。

用拉力傳感器替代實(shí)驗b中的彈簧測力計，可以更直觀地呈現(xiàn)實(shí)驗數(shù)據(jù)。并分別以慢、中、快三個速度拉動長木板，滑塊所受滑動摩擦力分別對應(yīng)圖2中①②③三段。可見，長木板移動速度的快慢不影響滑塊所受滑動摩擦力的大小。

雖然實(shí)驗b的方案在教學(xué)中被廣泛采用，但仍有誤解。文獻(xiàn)［6-7］所提及的實(shí)驗b，仍要求長木板做勻速運(yùn)動，該要求會加深對學(xué)生的誤導(dǎo)。

因此，有必要分析其背后的實(shí)驗原理。對于實(shí)驗a，速度變化的瞬間滑塊受力不平衡，增大滑塊的滑動速度時，彈簧測力計對滑塊的拉力大于滑塊受到的滑動摩擦力；減小滑塊的滑動速度時，彈簧測力計對滑塊的拉力小于滑塊受到的滑動摩擦力。對于實(shí)驗b，速度變化的瞬間滑塊受力平衡，增大或減小長木板的移動速度，彈簧測力計對滑塊的拉力都不變，仍在數(shù)值上等于滑塊受到的滑動摩擦力大小。因此，在實(shí)驗a中，只有滑塊做勻速運(yùn)動，才滿足“等量替代”的條件；在實(shí)驗b中，不需要保持長木板勻速運(yùn)動，就可以“等量替代”。教材中使用了實(shí)驗a，所以要強(qiáng)調(diào)滑塊做勻速運(yùn)動。

通過教學(xué)，學(xué)生知道為何實(shí)驗a中滑塊應(yīng)做勻速運(yùn)動，而實(shí)驗b中長木板不必保持勻速運(yùn)動，消除了“勻速”對概念理解的困擾，對“等量替代”法的使用條件有了更清晰的認(rèn)識。

上述討論表明，教材中部分欠合理的實(shí)驗方案會造成學(xué)生的認(rèn)知沖突，需要教師在教學(xué)中加以改進(jìn)。

3.2 學(xué)生的感受錯在何處

在研究滑動摩擦力大小和接觸面積之間的關(guān)系時，現(xiàn)有實(shí)驗操作簡單、現(xiàn)象明顯，是很好的實(shí)驗教學(xué)，但是沒能對學(xué)生的體驗感受作出解釋，學(xué)生用手指在桌面滑動的體驗可能是其錯誤認(rèn)知的根源。因此，筆者設(shè)計實(shí)驗，力圖將學(xué)生的“感受”模型化、數(shù)量化，以便于解釋。

以教學(xué)應(yīng)盡量簡潔、避免復(fù)雜化為標(biāo)準(zhǔn)，對下述實(shí)驗設(shè)計進(jìn)行細(xì)致梳理，認(rèn)為“數(shù)量化”是可行且必要的，尤其是考慮到在現(xiàn)有教學(xué)方案下，有超過半數(shù)的學(xué)生不能掌握相關(guān)內(nèi)容，而明確的數(shù)值對比有助于學(xué)生更清楚地理解實(shí)驗，消除認(rèn)知沖突帶來的困惑。

使用材質(zhì)、形狀、大小都相同的滑塊和其他器械，組裝四組不同的實(shí)驗裝置（圖3），進(jìn)行實(shí)驗，得到實(shí)驗數(shù)據(jù)（表1）。其中，滑塊質(zhì)量為100 g，滑塊底面積為3.5 cm2，取g = 9.8 m/s2。

對比組別c、d可知，壓力不變，即使改變接觸面積，滑動摩擦力大小也不變，這是現(xiàn)有實(shí)驗教學(xué)可以得到的結(jié)果。但是如前所述，此結(jié)果不能解釋學(xué)生通過手指在桌面滑動得到的感受。因此，可以將數(shù)據(jù)對應(yīng)手在桌面滑動的狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)值分析，將學(xué)生的“感受”模型化、數(shù)量化。

對比組別c、e可知，在接觸面積不變，壓力增加一倍的情況下，滑動摩擦力會增大一倍，對應(yīng)于增加手指對桌面的壓力，滑動摩擦力增大。對比組別c、f可知，在接觸面積增加一倍，壓力增加一倍的情況下，滑動摩擦力會增大一倍，對應(yīng)于增加在桌面滑動的手指數(shù)量，滑動摩擦力增大。

從學(xué)生感受的角度，第一組對比是由于壓力的增大，導(dǎo)致的滑動摩擦力增大；第二組對比是由于接觸面積的增大，導(dǎo)致的滑動摩擦力增大。這是“感受”引起的錯誤認(rèn)知。

將“感受”和實(shí)驗數(shù)據(jù)相結(jié)合進(jìn)行分析，可以容易發(fā)現(xiàn)在第二組對比時，“感受”是如何錯誤的。在第一組對比中，變量是單一變量——“壓力”，在描述手指滑動狀態(tài)變化時，感受是壓力變化。在第二組對比中，變量是雙變量——“壓力”和“接觸面積”，在描述手指滑動狀態(tài)變化時，感受常常只局限于接觸面積變化，而忽略了壓力也增大的事實(shí)。

由此可以明確學(xué)生認(rèn)知沖突的根源：在學(xué)生增加手指數(shù)量時，壓力和接觸面積都有變化，而學(xué)生通常只注意到接觸面積的變化，從而產(chǎn)生錯誤的認(rèn)知。而后續(xù)實(shí)驗教學(xué)采用“控制變量法”，不僅沒能消除學(xué)生的錯誤認(rèn)知，反而可能將其加深。因為控制變量實(shí)驗是改變單變量，學(xué)生容易將前面的手指滑動體驗實(shí)驗也當(dāng)作單變量實(shí)驗。

需要明確并強(qiáng)調(diào)，手指在桌面滑動以感受摩擦力的實(shí)驗，可能會導(dǎo)致學(xué)生的錯誤認(rèn)知。學(xué)生體驗手指滑動是一個多變量情境，而研究影響滑動摩擦力大小因素的實(shí)驗是單變量情境。這細(xì)微的差異可能加深了學(xué)生的錯誤認(rèn)知，教師應(yīng)在教學(xué)中指出單變量和多變量的不同，既有利于學(xué)生正確理解滑動摩擦力的相關(guān)知識，又可以幫助學(xué)生更深入地理解控制變量法。

由此，通過將“感受”模型化、數(shù)量化，學(xué)生會發(fā)現(xiàn)“接觸面積越大，滑動摩擦力也越大”是一種錯覺，而產(chǎn)生這一錯覺的原因是忽略了壓力的影響。通過數(shù)據(jù)對比，學(xué)生可以分析變量對實(shí)驗結(jié)果的影響，更好地理解壓力、接觸面積與滑動摩擦力之間的關(guān)系。

4 結(jié) 論

以上兩個教學(xué)設(shè)計可以使學(xué)生更清楚地理解“等量替代”法，消除“勻速”對學(xué)生的困擾；使學(xué)生辨析體驗實(shí)驗中的“多變量”和控制變量實(shí)驗中的“單變量”，看到物理規(guī)律如何被多變量所遮蔽，進(jìn)而加深對控制變量法的理解。清楚地解釋“滑塊是否要做勻速運(yùn)動”及“學(xué)生的感受錯在何處”，可達(dá)到更好的教學(xué)效果，從而消除學(xué)生的認(rèn)知沖突。

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