左祥勝

摘 要：學(xué)生在進(jìn)行科學(xué)概念學(xué)習(xí)時(shí)，一些不完善甚至錯(cuò)誤的前概念對(duì)科學(xué)概念的建立影響較大?；凇罢J(rèn)知沖突”的概念轉(zhuǎn)變教學(xué)，最大限度地暴露了學(xué)生原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)的負(fù)面效應(yīng)，使學(xué)生心理上產(chǎn)生不平衡感，有助于科學(xué)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?wù)勥@種策略的實(shí)施過程。

關(guān)鍵詞：高中物理；超重；失重；認(rèn)知沖突；概念轉(zhuǎn)變；前概念；迷離概念

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2015）7-0015-4

1 問題提出

物理概念、物理規(guī)律是中學(xué)物理基礎(chǔ)知識(shí)中最重要、最基本的內(nèi)容。物理概念教學(xué)的重點(diǎn)與難點(diǎn)就是概念轉(zhuǎn)變。學(xué)生在學(xué)習(xí)某一科學(xué)概念時(shí)，頭腦中不是“一張白紙”，一些不完善的甚至錯(cuò)誤的認(rèn)知經(jīng)驗(yàn)對(duì)概念教學(xué)所產(chǎn)生的負(fù)面效應(yīng)較大。因此，了解學(xué)生學(xué)習(xí)某一科學(xué)概念時(shí)的前概念（學(xué)習(xí)者頭腦中已經(jīng)存在的經(jīng)驗(yàn)、觀點(diǎn)、認(rèn)識(shí)等），并針對(duì)學(xué)生的前概念設(shè)計(jì)教學(xué)，是進(jìn)行有效教學(xué)的前提。

2 基于“認(rèn)知沖突”的概念轉(zhuǎn)變教學(xué)

2.1 什么是“認(rèn)知沖突”

認(rèn)知沖突是指人們?cè)谠械挠^念與新經(jīng)驗(yàn)之間出現(xiàn)對(duì)立性矛盾時(shí)感受到的疑惑、緊張和不適的狀態(tài)。學(xué)生在以往的學(xué)習(xí)或日常的生活中，已經(jīng)積累了大量的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)這些已有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)理解新知識(shí)；當(dāng)新知識(shí)與原有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)發(fā)生矛盾時(shí)，就產(chǎn)生認(rèn)知沖突。

課堂教學(xué)中，教師要有意識(shí)地制造認(rèn)知沖突，讓學(xué)生意識(shí)到認(rèn)知差距的存在。心理學(xué)研究表明，這種認(rèn)知的不平衡感會(huì)促使學(xué)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(shí)。

2.2 認(rèn)知沖突策略下的教學(xué)設(shè)計(jì)

2.2.1 學(xué)情分析

學(xué)生在學(xué)習(xí)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(xué)探究能力，對(duì)生活中常見的物理現(xiàn)象能運(yùn)用物理語言進(jìn)行科學(xué)的表述。學(xué)生對(duì)超重和失重現(xiàn)象有一定的認(rèn)識(shí)，但是，學(xué)生往往從字面上去理解超重和失重現(xiàn)象，認(rèn)為“超重”就是物體重力增加，“失重”就是物體重力減小。同時(shí)，對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)是“完全失重” 這種物理現(xiàn)象不理解。學(xué)生總是認(rèn)為，“物體不就是在重力作用下向下做勻加速運(yùn)動(dòng)，怎么可能是完全失重呢？”

2.2.2 設(shè)計(jì)思想

現(xiàn)行的人教版教科書將本節(jié)課安排在學(xué)完牛頓第二定律之后，且以例題的形式出現(xiàn)，屬于對(duì)知識(shí)的理解與應(yīng)用，這樣安排彰顯了知識(shí)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(xué)生要深層次地理解有一定的困難。教學(xué)中教師可以創(chuàng)設(shè)有一定思考價(jià)值、能產(chǎn)生一定震憾效果的認(rèn)知沖突情境。借助實(shí)驗(yàn)、問題討論、小組合作、定性分析與定量處理相結(jié)合等形式，使學(xué)生產(chǎn)生認(rèn)知上的沖突，幫助學(xué)生建立起科學(xué)的概念。因此，在教學(xué)中如何將學(xué)生的前概念上升到科學(xué)概念是本節(jié)課的重點(diǎn)。

2.2.3 基于認(rèn)知沖突策略教學(xué)設(shè)計(jì)

1）探測(cè)認(rèn)知結(jié)構(gòu)，了解前概念

建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論認(rèn)為，學(xué)生的學(xué)習(xí)不是由教師向?qū)W生的傳遞知識(shí)，而是學(xué)生主動(dòng)建構(gòu)知識(shí)的過程。在生活中，學(xué)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(gòu)出自己獨(dú)特的理解。因此，針對(duì)某一具體概念的教學(xué)，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(yàn)預(yù)測(cè)等方式了解學(xué)生的前概念。教學(xué)中，我們更應(yīng)該關(guān)注學(xué)生的前概念會(huì)對(duì)學(xué)習(xí)產(chǎn)生哪些影響，如何在教學(xué)中利用其積極作用，同時(shí)避免其消極影響。

①學(xué)生對(duì)力的概念、力的產(chǎn)生有所了解；②能對(duì)物體進(jìn)行受力分析，并能運(yùn)用牛頓第二定律求物體的加速度，知道力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)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(cè)量，知道彈簧稱測(cè)力的原理。學(xué)生在潛意識(shí)中認(rèn)為：彈簧稱的示數(shù)就是物體重力的大??；⑤對(duì)超重和失重概念的認(rèn)識(shí)有誤區(qū)：總認(rèn)為超重就是物體重力增加，失重就是物體重力減??；⑥學(xué)生對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)有所了解，對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)處于完全失重狀態(tài)想不通。

2）激發(fā)認(rèn)知沖突，厘清迷離概念

在物理概念學(xué)習(xí)的過程中，學(xué)生已有的某些概念（包括科學(xué)概念與前概念）對(duì)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(xué)的重點(diǎn)是先引起學(xué)習(xí)者的迷離概念，教師通過創(chuàng)設(shè)認(rèn)知沖突的問題情境（所謂問題情境，就是在學(xué)生原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)與科學(xué)概念之間制造的一種“不協(xié)調(diào)”，讓學(xué)生產(chǎn)生激烈的認(rèn)知沖突，萌發(fā)解決問題的欲望），來達(dá)到修正迷離概念、改變認(rèn)知結(jié)構(gòu)的目的。

學(xué)生自主體驗(yàn)活動(dòng)一：觀察家庭用體重計(jì)的示數(shù)變化（將體重計(jì)表盤投影到屏幕上），感受超重和失重現(xiàn)象。

讓一個(gè)學(xué)生站在體重計(jì)上，分別做如下動(dòng)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(jì)的示數(shù)時(shí)而變大、時(shí)而變小。

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

生：不是。因?yàn)樵诘厍虻耐坏攸c(diǎn)，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(xué)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(jì)的示數(shù)在不斷變化，難道是我們的眼睛欺騙了我們？

生：當(dāng)然不是，哦……（沉思）

師：請(qǐng)同學(xué)們思考，體重計(jì)的測(cè)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(duì)地板的壓力F′與地板對(duì)人的支持力F大小相等，方向相反。當(dāng)物體靜止時(shí)，其示數(shù)才等于物體的重力；當(dāng)物體有加速度時(shí)，其示數(shù)就不等于物體的重力。

師（總結(jié)）：生2的看法是正確的，體重計(jì)的示數(shù)反映的是體重計(jì)所受的壓力，示數(shù)的變化意味著物體對(duì)體重計(jì)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(duì)體重計(jì)的壓力有時(shí)候大于自身的重力，有時(shí)候小于自身的重力。在物理學(xué)中，我們把物體對(duì)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(rèn)知沖突，完善科學(xué)概念

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

學(xué)生自主體驗(yàn)活動(dòng)二：觀察電梯中體重計(jì)示數(shù)的變化（為了增強(qiáng)真實(shí)性及觀賞性，本視頻由老師帶領(lǐng)各學(xué)習(xí)小組長(zhǎng)在觀光電梯中錄制）。

師：先介紹電梯運(yùn)動(dòng)的基本情況。接著，教師播放錄制好的視頻，引導(dǎo)同學(xué)們注意觀察電梯在運(yùn)動(dòng)過程中，體重計(jì)示數(shù)與物體重力大小的關(guān)系，并完成表1。

表1 實(shí)驗(yàn)記錄表

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師：根據(jù)表格，請(qǐng)同學(xué)們思考，超重和失重現(xiàn)象與物體的運(yùn)動(dòng)方向有關(guān)嗎？

生：沒有關(guān)系。因?yàn)殡娞轃o論在上升還是在下降階段，物體都會(huì)產(chǎn)生超重和失重現(xiàn)象。

師：超重和失重現(xiàn)象與物體運(yùn)動(dòng)的加速度有何關(guān)系，我們應(yīng)怎樣來理解超重和失重現(xiàn)象？

生1：有加速度就會(huì)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(huì)產(chǎn)生超重和失重現(xiàn)象。

生3：當(dāng)物體加速度方向向上時(shí)產(chǎn)生超重現(xiàn)象，加速度方向向下時(shí)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(huì)產(chǎn)生超重和失重現(xiàn)象。

師：同學(xué)們回答得都很好。超重與失重現(xiàn)象與加速度有關(guān)，與速度沒有關(guān)系。這里，我有一個(gè)疑問，能否認(rèn)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(dāng)加速度方向向上時(shí)，物體具有超重現(xiàn)象；當(dāng)加速度方向向下時(shí)，物體具有失重現(xiàn)象。

生1：可以這樣認(rèn)為。

生2：不能這樣認(rèn)為，但說不出具體原因。

師：請(qǐng)同學(xué)們回憶牛頓第二定律，來想一想這里的因果關(guān)系。

生（露出心領(lǐng)神會(huì)的表情）：哦，不是。力是產(chǎn)生加速度的原因，當(dāng)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(dāng)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(guān)系，更反映了“力是產(chǎn)生加速度的原因”這一因果關(guān)系。

學(xué)生自主體驗(yàn)活動(dòng)三：理論探究超重與失重產(chǎn)生的原因（運(yùn)用牛頓第二定律進(jìn)行定量分析）。

人在電梯中，與電梯一起運(yùn)動(dòng)，以人（質(zhì)量m）為研究對(duì)象，由牛頓第二定律知：

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

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

當(dāng)物體向下加速時(shí)，如果加速度等于g，可以得出什么結(jié)論？

生：mg-F=mg，F(xiàn) =0。

師：請(qǐng)同學(xué)們思考，F(xiàn)=0說明了什么？

生：F=0表明物體對(duì)支持面或者對(duì)懸掛物沒有拉力。

師：此時(shí)物體只受重力，處于完全失重狀態(tài)。在地面上，我們以前學(xué)過哪種運(yùn)動(dòng)才會(huì)處于完全失重狀態(tài)？

生：自由落體運(yùn)動(dòng)。

學(xué)生自主體驗(yàn)活動(dòng)四：演示完全失重現(xiàn)象。

師：把塑料礦泉水瓶的上部挖一個(gè)小孔并蓋上瓶塞（是為了防止塑料瓶落地時(shí)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(gè)小孔（圖1）。裝入一定量水，水便從下部小孔流出。現(xiàn)讓瓶子從高處自由下落，同學(xué)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）。

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圖1 實(shí)驗(yàn)器材 圖2 礦泉水瓶自由下落

師：為什么會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象呢？

生：當(dāng)塑料礦泉水瓶和水都處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，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(shí)，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(qiáng)不存在了），處于完全失重狀態(tài)，水自然就不會(huì)再噴出。

師：沿水平、豎直向下、傾斜的方向?qū)⑺芰掀繏伋鋈?，同學(xué)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(guān)，與物體速度沒有關(guān)系。

學(xué)生自主體驗(yàn)活動(dòng)五：神舟十號(hào)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(xué)生的愛國主義精神、民族自豪感、探索未知科學(xué)的熱情。教學(xué)中教師對(duì)視頻不宜過多說明，萬有引力定律和圓周運(yùn)動(dòng)的相關(guān)知識(shí)還沒有學(xué)習(xí)，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(xué)生自主體驗(yàn)活動(dòng)六：習(xí)題講解。

例1 質(zhì)量為60 kg的人站在升降機(jī)中的體重計(jì)上，當(dāng)升降機(jī)做下列各種運(yùn)動(dòng)時(shí)，體重計(jì)的讀數(shù)是多少（g取10 m/s2）？

1）升降機(jī)勻速上升；

2）升降機(jī)以4 m/s2的加速度上升；

3）升降機(jī)以5 m/s2的加速度下降；

4）升降機(jī)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(shí)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(duì)地板的壓力（ ）

A.t =2 s 時(shí)最大

B.t =2 s 時(shí)最小

C.t =8.5 s 時(shí)最大

D.t =8.5 s 時(shí)最小

■

圖3 例2圖示

3 教學(xué)反思

認(rèn)知沖突的設(shè)置激發(fā)了學(xué)生的求知欲望，引發(fā)了學(xué)生新的學(xué)習(xí)需要，提高了課堂教學(xué)的效率，收到了事半功倍的效果。教學(xué)中我們發(fā)現(xiàn)：①概念轉(zhuǎn)變的前提條件是要了解學(xué)生的前概念。只有了解學(xué)生的前概念，才能使教學(xué)設(shè)計(jì)做到有的放矢。②概念轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵是引發(fā)認(rèn)知沖突。高級(jí)別的認(rèn)知沖突不僅有利于概念的正確轉(zhuǎn)變，還有助于學(xué)生對(duì)科學(xué)概念的認(rèn)知結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。③概念轉(zhuǎn)變的策略是學(xué)生自主、合作、探究式學(xué)習(xí)。教師通過問題情境，為學(xué)生提供參與學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)，讓學(xué)生在探索、解釋、質(zhì)疑、論證和批評(píng)中充分表達(dá)自已的觀點(diǎn)改進(jìn)原有概念的過程中完善自己的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，形成正確的科學(xué)概念。

參考文獻(xiàn)：

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[3]物理課程教材研究開發(fā)中心.物理（必修1）教師教學(xué)用書 [M].北京：人民教育出版社，2009.

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（欄目編輯 趙保鋼）