左祥勝

摘 要：學生在進行科學概念學習時，一些不完善甚至錯誤的前概念對科學概念的建立影響較大?；凇罢J知沖突”的概念轉(zhuǎn)變教學，最大限度地暴露了學生原有認知結構的負面效應，使學生心理上產(chǎn)生不平衡感，有助于科學概念的建立與穩(wěn)定。本文以人教版高中物理必修1“超重和失重”為例，談談這種策略的實施過程。

關鍵詞：高中物理；超重；失重；認知沖突；概念轉(zhuǎn)變；前概念；迷離概念

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2015）7-0015-4

1 問題提出

物理概念、物理規(guī)律是中學物理基礎知識中最重要、最基本的內(nèi)容。物理概念教學的重點與難點就是概念轉(zhuǎn)變。學生在學習某一科學概念時，頭腦中不是“一張白紙”，一些不完善的甚至錯誤的認知經(jīng)驗對概念教學所產(chǎn)生的負面效應較大。因此，了解學生學習某一科學概念時的前概念（學習者頭腦中已經(jīng)存在的經(jīng)驗、觀點、認識等），并針對學生的前概念設計教學，是進行有效教學的前提。

2 基于“認知沖突”的概念轉(zhuǎn)變教學

2.1 什么是“認知沖突”

認知沖突是指人們在原有的觀念與新經(jīng)驗之間出現(xiàn)對立性矛盾時感受到的疑惑、緊張和不適的狀態(tài)。學生在以往的學習或日常的生活中，已經(jīng)積累了大量的知識經(jīng)驗，根據(jù)這些已有的知識經(jīng)驗理解新知識；當新知識與原有的知識經(jīng)驗發(fā)生矛盾時，就產(chǎn)生認知沖突。

課堂教學中，教師要有意識地制造認知沖突，讓學生意識到認知差距的存在。心理學研究表明，這種認知的不平衡感會促使學生產(chǎn)生解決這種沖突的需要（內(nèi)驅(qū)力），從而獲取新的知識。

2.2 認知沖突策略下的教學設計

2.2.1 學情分析

學生在學習本節(jié)內(nèi)容之前初步具有分析物理問題的一般思維方法，有一定的科學探究能力，對生活中常見的物理現(xiàn)象能運用物理語言進行科學的表述。學生對超重和失重現(xiàn)象有一定的認識，但是，學生往往從字面上去理解超重和失重現(xiàn)象，認為“超重”就是物體重力增加，“失重”就是物體重力減小。同時，對自由落體運動是“完全失重” 這種物理現(xiàn)象不理解。學生總是認為，“物體不就是在重力作用下向下做勻加速運動，怎么可能是完全失重呢？”

2.2.2 設計思想

現(xiàn)行的人教版教科書將本節(jié)課安排在學完牛頓第二定律之后，且以例題的形式出現(xiàn)，屬于對知識的理解與應用，這樣安排彰顯了知識性、分析問題的過程與方法并重。雖然，超重和失重是生活中的常見現(xiàn)象，但是，超重和失重現(xiàn)在已經(jīng)演化為生活語言，與物理中本來的意義有較大的不同，學生要深層次地理解有一定的困難。教學中教師可以創(chuàng)設有一定思考價值、能產(chǎn)生一定震憾效果的認知沖突情境。借助實驗、問題討論、小組合作、定性分析與定量處理相結合等形式，使學生產(chǎn)生認知上的沖突，幫助學生建立起科學的概念。因此，在教學中如何將學生的前概念上升到科學概念是本節(jié)課的重點。

2.2.3 基于認知沖突策略教學設計

1）探測認知結構，了解前概念

建構主義學習理論認為，學生的學習不是由教師向?qū)W生的傳遞知識，而是學生主動建構知識的過程。在生活中，學生總是從自己的角度去觀察和理解周圍的世界，并在與環(huán)境的相互作用中建構出自己獨特的理解。因此，針對某一具體概念的教學，可以通過調(diào)查問卷、訪談、面批、課堂反饋、作業(yè)批改、教師經(jīng)驗預測等方式了解學生的前概念。教學中，我們更應該關注學生的前概念會對學習產(chǎn)生哪些影響，如何在教學中利用其積極作用，同時避免其消極影響。

①學生對力的概念、力的產(chǎn)生有所了解；②能對物體進行受力分析，并能運用牛頓第二定律求物體的加速度，知道力與運動的關系；③知道在地球的同一地方，重力加速度是不變的；④物體重力的大小可以通過彈簧稱來測量，知道彈簧稱測力的原理。學生在潛意識中認為：彈簧稱的示數(shù)就是物體重力的大?。虎輰Τ睾褪е馗拍畹恼J識有誤區(qū)：總認為超重就是物體重力增加，失重就是物體重力減?。虎迣W生對自由落體運動有所了解，對自由落體運動處于完全失重狀態(tài)想不通。

2）激發(fā)認知沖突，厘清迷離概念

在物理概念學習的過程中，學生已有的某些概念（包括科學概念與前概念）對理解某一確定（具體）概念造成迷惑、干擾、混淆，這些概念稱為該確定（具體）概念的迷離概念。物理概念教學的重點是先引起學習者的迷離概念，教師通過創(chuàng)設認知沖突的問題情境（所謂問題情境，就是在學生原有認知結構與科學概念之間制造的一種“不協(xié)調(diào)”，讓學生產(chǎn)生激烈的認知沖突，萌發(fā)解決問題的欲望），來達到修正迷離概念、改變認知結構的目的。

學生自主體驗活動一：觀察家庭用體重計的示數(shù)變化（將體重計表盤投影到屏幕上），感受超重和失重現(xiàn)象。

讓一個學生站在體重計上，分別做如下動作：靜止、快速下蹲、快速站起，觀察體重的示數(shù)有何變化？

生：體重計的示數(shù)時而變大、時而變小。

師：體重計的示數(shù)不斷變化，難道是這位同學的重力發(fā)生了變化？

生：不是。因為在地球的同一地點，g的大小是不變的，并且質(zhì)量是物質(zhì)的本質(zhì)屬性，同學的質(zhì)量也是不變的，根據(jù)G=mg可知，重力也不變。

師：但是，我們親眼看到體重計的示數(shù)在不斷變化，難道是我們的眼睛欺騙了我們？

生：當然不是，哦……（沉思）

師：請同學們思考，體重計的測力原理是什么？所顯示的示數(shù)是物體重力嗎？

生1：由二力平衡條件可知，顯示的示數(shù)為物體重力。

生2：根據(jù)牛頓第三定律，人對地板的壓力F′與地板對人的支持力F大小相等，方向相反。當物體靜止時，其示數(shù)才等于物體的重力；當物體有加速度時，其示數(shù)就不等于物體的重力。

師（總結）：生2的看法是正確的，體重計的示數(shù)反映的是體重計所受的壓力，示數(shù)的變化意味著物體對體重計的壓力發(fā)生了改變，而物體的重力是不變的。

生：恍然大悟。

師：通過演示發(fā)現(xiàn)，我們對體重計的壓力有時候大于自身的重力，有時候小于自身的重力。在物理學中，我們把物體對支持物的壓力（或?qū)覓煳锏睦Γ┐笥谖矬w所受重力的現(xiàn)象稱為超重現(xiàn)象，物體支持物的壓力（或?qū)覓煳锏睦Γ┬∮谖矬w所受重力的現(xiàn)象稱為失重現(xiàn)象。

3）解決認知沖突，完善科學概念

在轉(zhuǎn)變學生原來的觀念后，需要對概念的內(nèi)涵和外延作進一步探討，幫助學生完成重建。

學生自主體驗活動二：觀察電梯中體重計示數(shù)的變化（為了增強真實性及觀賞性，本視頻由老師帶領各學習小組長在觀光電梯中錄制）。

師：先介紹電梯運動的基本情況。接著，教師播放錄制好的視頻，引導同學們注意觀察電梯在運動過程中，體重計示數(shù)與物體重力大小的關系，并完成表1。

表1 實驗記錄表

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師：根據(jù)表格，請同學們思考，超重和失重現(xiàn)象與物體的運動方向有關嗎？

生：沒有關系。因為電梯無論在上升還是在下降階段，物體都會產(chǎn)生超重和失重現(xiàn)象。

師：超重和失重現(xiàn)象與物體運動的加速度有何關系，我們應怎樣來理解超重和失重現(xiàn)象？

生1：有加速度就會產(chǎn)生超重和失重現(xiàn)象。

生2：如果加速度在水平方向就不會產(chǎn)生超重和失重現(xiàn)象。

生3：當物體加速度方向向上時產(chǎn)生超重現(xiàn)象，加速度方向向下時產(chǎn)生失重現(xiàn)象。

生4：無論物體在上升還是下降，只要豎直方向有加速度（或者豎直方向有加速度的分量），就會產(chǎn)生超重和失重現(xiàn)象。

師：同學們回答得都很好。超重與失重現(xiàn)象與加速度有關，與速度沒有關系。這里，我有一個疑問，能否認為超重與失重現(xiàn)象是由加速度的方向所決定的呢？也就是說，當加速度方向向上時，物體具有超重現(xiàn)象；當加速度方向向下時，物體具有失重現(xiàn)象。

生1：可以這樣認為。

生2：不能這樣認為，但說不出具體原因。

師：請同學們回憶牛頓第二定律，來想一想這里的因果關系。

生（露出心領神會的表情）：哦，不是。力是產(chǎn)生加速度的原因，當物體所受的合外力方向向上，加速度向上，產(chǎn)生超重現(xiàn)象；當物體所受的合外力方向向下，加速度向下，產(chǎn)生失重現(xiàn)象。

師：很好。牛頓第二定律不僅說明了F、m、a三者的數(shù)量關系，更反映了“力是產(chǎn)生加速度的原因”這一因果關系。

學生自主體驗活動三：理論探究超重與失重產(chǎn)生的原因（運用牛頓第二定律進行定量分析）。

人在電梯中，與電梯一起運動，以人（質(zhì)量m）為研究對象，由牛頓第二定律知：

當電梯以加速度a向上加速或向下減速時，F(xiàn)-mg=ma，F(xiàn)=ma+mg=m（a+g） >mg，超重。

當電梯以加速度a向上減速或向下加速時，mg-F=ma，F(xiàn)= mg -ma =m（g-a）

當物體向下加速時，如果加速度等于g，可以得出什么結論？

生：mg-F=mg，F(xiàn) =0。

師：請同學們思考，F(xiàn)=0說明了什么？

生：F=0表明物體對支持面或者對懸掛物沒有拉力。

師：此時物體只受重力，處于完全失重狀態(tài)。在地面上，我們以前學過哪種運動才會處于完全失重狀態(tài)？

生：自由落體運動。

學生自主體驗活動四：演示完全失重現(xiàn)象。

師：把塑料礦泉水瓶的上部挖一個小孔并蓋上瓶塞（是為了防止塑料瓶落地時水到處飛濺，又保證水上方與外界的大氣壓始終相等），下部挖幾個小孔（圖1）。裝入一定量水，水便從下部小孔流出?，F(xiàn)讓瓶子從高處自由下落，同學們注意觀察發(fā)生什么現(xiàn)象（水中添加紅墨水，便于觀察）。

生：水沒有從底部小孔中流出（圖2）。

■ ■

圖1 實驗器材 圖2 礦泉水瓶自由下落

師：為什么會出現(xiàn)這種現(xiàn)象呢？

生：當塑料礦泉水瓶和水都處于靜止狀態(tài)時，瓶子下面的水受到上面水的壓力，水自然流出來。自由下落時，塑料礦泉水瓶下面的水沒有受到上面水的壓力（也就是說，液體內(nèi)部由于液體重力而產(chǎn)生的壓強不存在了），處于完全失重狀態(tài)，水自然就不會再噴出。

師：沿水平、豎直向下、傾斜的方向?qū)⑺芰掀繏伋鋈ィ瑢W們注意觀察水有沒有噴出？

生：沒有噴出。

師：這再次說明，超重和失重現(xiàn)象與加速度有關，與物體速度沒有關系。

學生自主體驗活動五：神舟十號航天員太空授課視頻。

通過播放我國宇航員在太空授課視頻，有助于激發(fā)學生的愛國主義精神、民族自豪感、探索未知科學的熱情。教學中教師對視頻不宜過多說明，萬有引力定律和圓周運動的相關知識還沒有學習，宇宙船中發(fā)生的超失重現(xiàn)象與地面上超、失重現(xiàn)象不盡相同（本質(zhì)上是相同的）。

學生自主體驗活動六：習題講解。

例1 質(zhì)量為60 kg的人站在升降機中的體重計上，當升降機做下列各種運動時，體重計的讀數(shù)是多少（g取10 m/s2）？

1）升降機勻速上升；

2）升降機以4 m/s2的加速度上升；

3）升降機以5 m/s2的加速度下降；

4）升降機以重力加速度g加速下降。

例2 一人乘電梯上樓，在豎直上升過程中，加速度a隨時間t變化的圖線如圖3所示，以豎直向上為a的正方向，則人對地板的壓力（ ）

A.t =2 s 時最大

B.t =2 s 時最小

C.t =8.5 s 時最大

D.t =8.5 s 時最小

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圖3 例2圖示

3 教學反思

認知沖突的設置激發(fā)了學生的求知欲望，引發(fā)了學生新的學習需要，提高了課堂教學的效率，收到了事半功倍的效果。教學中我們發(fā)現(xiàn)：①概念轉(zhuǎn)變的前提條件是要了解學生的前概念。只有了解學生的前概念，才能使教學設計做到有的放矢。②概念轉(zhuǎn)變的關鍵是引發(fā)認知沖突。高級別的認知沖突不僅有利于概念的正確轉(zhuǎn)變，還有助于學生對科學概念的認知結構穩(wěn)定。③概念轉(zhuǎn)變的策略是學生自主、合作、探究式學習。教師通過問題情境，為學生提供參與學習的機會，讓學生在探索、解釋、質(zhì)疑、論證和批評中充分表達自已的觀點改進原有概念的過程中完善自己的認知結構，形成正確的科學概念。

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[4]蘇春林，胡志剛.利用認知沖突策略 創(chuàng)設教學最佳時機[J].化學教學，2012，（3）：20.

（欄目編輯 趙保鋼）