認知沖突模型在物理教學設計中的應用

李佳欣 崔雪梅

【摘 要】建構主義學習理論認為學生的學習不應是單向、被動的接受式學習，而應是師生在情境中雙向、主動的發(fā)現(xiàn)式學習。基于建構主義學習理論，利用認知沖突模型創(chuàng)設教學情境，可有效激發(fā)學生的學習動機，提高教學質量。由此，本文利用科沃恩認知沖突模型與李和科沃恩認知沖突模型進行教學設計并對比分析，從而得出兩者的利弊及適用范圍，可為一線教師提供借鑒。

【關鍵詞】物理教學;認知沖突模型;教學設計

【中圖分類號】G633.7? 【文獻標識碼】A? 【文章編號】1671-8437（2021）16-0246-03

國內(nèi)對認知沖突在教學中的應用研究主要集中在地理、生物和化學學科。在地理學科，張浩利用“水星上面既然沒有液態(tài)水為什么還叫水星？八大行星圍著太陽轉，為什么不會存在相撞的可能性？”這一問題創(chuàng)設認知沖突，引出“太陽系的成員、結構特征、運動特征”[1]。在生物學科，張年逢在新課引入、知識點講解以及習題評估三個方面創(chuàng)設認知沖突，提出了認知沖突中問題情境的條件以及認知沖突策略的應用意義[2]。在化學學科，胡美玲利用“在前兩天事先配置好的Fe2+溶液中加入硫氰化鉀溶液會產(chǎn)生什么現(xiàn)象？”這一問題創(chuàng)設認知沖突，引出“Fe2+和Fe3+的性質”[3]。目前國內(nèi)對將認知沖突模型應用于物理教學設計的應用研究較少，對此，筆者利用科沃恩認知沖突模型與李和科沃恩認知沖突模型進行物理教學設計，并將兩者對比分析，以期為廣大一線教師提供教學參考。

1? ?模型介紹

將認知沖突模型應用于教學可有效激發(fā)學生的學習動機，從而提高教學質量，所以選擇適合課題的認知沖突模型尤為重要。當前認知沖突模型主要有：Tsai提出典型的沖突圖模型，包含學生的新認知（P1）、差異性事件（DE）、學生的迷思概念（Cx）、目標科學概念（C1）、批判性事件或解釋（CE）、關聯(lián)科學概念（C2，C3，C4）[4]。權栽述將認知沖突分為五種類型，分別為前概念與前環(huán)境的沖突（C1-R1）、前概念與新環(huán)境的沖突（C1-R2）、新概念與前環(huán)境的沖突（C2-R1）、新概念與新環(huán)境的沖突（C2-R2）、新舊概念間的沖突（C1-C2）[5]。王春玲提出維基百科協(xié)同編輯過程模型，描述了用戶認知結構與維基百科版本內(nèi)容之間的認知沖突過程[6]。李海峰和王煒基于經(jīng)驗之塔和認知沖突理論構建了經(jīng)驗認知沖突探究法理論模型，隨后進

行了三輪迭代實驗形成了認知沖突探究法理論模型[7]。

認知沖突模型中最為常見的模型是科沃恩認知沖突模型與李和科沃恩認知沖突模型，目前還沒有將兩者進行對比分析的研究。本文利用兩個模型進行教學設計并對比分析，接下來著重介紹這兩個模型。

1.1? 科沃恩（Cowan）認知沖突模型

科沃恩根據(jù)認知沖突的產(chǎn)生階段“平衡—不平衡—平衡”的形成特征，將認知沖突劃分為如圖1所示的三種類型[8]：

C1和C2代表學生頭腦中的認知結構，而R1和R2代表認知結構下所處的環(huán)境。類型一沖突（C1-R2）代表新環(huán)境與前概念之間的沖突，類型二沖突（C2-R1）代表原環(huán)境與新認知結構之間的沖突，類型三沖突（C1-C2）代表新認知結構與前概念之間的沖突。

由圖可知，一段完整的認知沖突過程必須滿足三個條件：第一，認知結構的改變必須在環(huán)境中實現(xiàn)。物理概念及規(guī)律是抽象的，對于學生來說，將感性經(jīng)驗直接轉變成抽象的物理知識具有一定難度，所以教師需要創(chuàng)設合適的情境，在情境中改變學生的認知結構，讓學生對物理的認識經(jīng)歷從經(jīng)驗到理性再到抽象最后到本質的過程。第二，新舊認知結構之間有必然的聯(lián)系與區(qū)別。新舊認知結構的轉變可理解為一種學習進階，這里的“階”代表著對同一物理主題的不同知識層次的理解。新的認知結構代表著更高層次的“階”，學生在經(jīng)歷認知沖突后對同一主題有了更科學的理解。學生完成一次該模式下的認知沖突，就相當于進行了一次進階。第三，創(chuàng)設的環(huán)境必須凸顯認知結構的特點。認知沖突的最終目的是建立新的更完善的認知結構，這就要求教師創(chuàng)設的情境能夠將認知結構作為要點呈現(xiàn)。在情境中，若是主次不分、要點不明、內(nèi)容模糊不清，則會使學生在經(jīng)歷認知沖突后無法形成正確的認知結構或是糾正原有錯誤的前認知結構。

1.2? 李和科沃恩（Gyoungho Lee）認知沖突模型

李和科沃恩提出如圖2所示的認知沖突過程的模式圖，以此來解釋學生在面對反例時，認知上的沖突過程[8]。

該認知沖突過程模式圖是一種心理狀態(tài)過程圖，它分為三個階段，分別是初級階段、沖突階段以及解決階段。初級階段是認知沖突發(fā)生的起點，學生在接收異常情景前相信現(xiàn)有的認知結構，異常情景是現(xiàn)有認知結構的反例。當學生接收異常情景后，相信異常情景的真實性，從而進入了沖突階段。在此時，學生會識別到異常情景和認知結構的不同，從而引發(fā)了反例與原有認知結構之間的認知沖突，這樣的沖突會直接導致學生心理狀態(tài)改變，學生會產(chǎn)生興奮或焦慮的情緒，或者重新評估自己的認知。由此進入了解決階段，學生將上述心理狀態(tài)反映在行為上就形成了學習動機，并用行為去證明異常情景的真實性以達到心理狀態(tài)的平衡。異常情景作為反例，必須是與原有認知結構具有明顯區(qū)別且驗證難度在學生最近發(fā)展區(qū)內(nèi)的情景，這樣才能夠讓學生在原有認知結構的基礎上實現(xiàn)學習進階。

2? ?教學過程設計

基于科沃恩與李和科沃恩的認知沖突模型進行教學設計。教學內(nèi)容選自八年級物理上冊中的物理知識：慣性的大小只與質量有關，且質量越大慣性越大。部分學生在學習本節(jié)前具有錯誤前概念，即慣性的大小與速度有關，且速度越大慣性越大。

教學目標：①知識與技能：知道慣性的大小與質量有關，且質量越大慣性越大。②過程與方法：了解控制變量法。③情感態(tài)度與價值觀：學會從物理的角度解釋生活現(xiàn)象。

2.1? 基于科沃恩認知沖突模型的教學設計

2.1.1? 類型一沖突（C1-R2）

教師提問：當公交車急剎車時，為什么乘客的身體會有往前傾的感覺？在什么情況下，前傾感會更加明顯？

學生猜想與討論。

設計意圖：通過生活現(xiàn)象，讓具有錯誤前概念的學生暴露觀點，鍛煉具有正確前概念的學生的質疑能力。

教師：我們會有前傾的感覺是因為地球上的物體都具有慣性，慣性是物體固有的屬性。那它的大小與什么有關呢？

學生猜想慣性的大小與速度有關。

【預備實驗】將不同質量的小車放置在斜面木板上的同一高度處滑下，用測速儀測量小車滑到斜面最低點時的速度。

【總結】從同一高度滑下的小車，具有相同的初速度。

【設計意圖】初二學生暫未學習機械能守恒，不能理解從同一高度滑下的小車具有相同的初速度，由此教師需進行演示實驗讓學生信服，為之后的實驗作知識上的準備。

【演示實驗】將同一個小車兩次分別放置斜面同一位置，調整木板斜面不同的角度（初速度不同），記錄小車滑出的距離。

學生總結：慣性的大小與速度無關。

教師：那慣性和質量有沒有關系呢？請同學們開始實驗驗證。

學生自主實驗：將小車從斜面木板的同一高度滑下（控制初速度相同），記錄小車滑出的距離。將10克、

20克、30克砝碼分別依次放到小車上同一位置，重復以上操作。

【設計意圖】打破原有認知結構，創(chuàng)設新環(huán)境，引發(fā)兩者間的沖突。

教師：本次實驗我們控制了小車的初速度不變，改變了小車質量，這樣的實驗方法為控制變量法。

【設計意圖】根據(jù)教學目標中過程與方法維度，著重提出實驗方法。

2.1.2? 類型二沖突（C2-R1）

教師：經(jīng)過以上實驗，可以得出慣性的大小與速度無關，與質量有關，且質量越大慣性越大。那有人可以解答汽車急剎車時，前傾感大小的原因嗎？

學生：體重大的人感受到的前傾感大，體重小的人感受到的前傾感小。

【設計意圖】將每個實驗聯(lián)系起來進行歸納，形成完整的新概念C2。將課堂轉回最初的前傾感問題，制造類型二沖突（C2-R1）。

2.1.3? 類型三沖突（C1-C2）

教師：這節(jié)課你們學習了什么？與大家在實驗前的猜想有何不同？在生活中大家看見過哪些與今天所學知識有關的現(xiàn)象呢？

學生總結：慣性是物質的根本屬性，它與速度無關，只與質量有關，且質量越大慣性越大。生活中的現(xiàn)象有汽車追尾、跳遠等。

【設計意圖】對本堂課反思總結，將新認知結構與前概念進行對比，制造類型三沖突（C1-C2）。鞏固新概念，培養(yǎng)學生物理思維，讓學生學會用物理知識解釋生活現(xiàn)象。

2.2? 基于李和科沃恩認知沖突模型的教學設計

2.2.1? 初級階段

【預備實驗】將不同質量的小車放置在斜面木板上的同一高度處滑下，用測速儀測量小車滑到斜面最低點時的速度。

【總結】從同一高度滑下的小車，具有相同的初

速度。

【演示實驗】將同一個小車兩次分別放置斜面同一位置，調整木板斜面不同的角度（初速度不同）。教師：小車哪次滑出的距離較遠？為什么？

學生：斜面角度高的那次小車滑出的距離較遠，因為速度更大。

【設計意圖】將實驗作為異常情景，讓學生意識到自己的錯誤。

2.2.2? 沖突階段

教師：為什么小車滑出的距離相同？抵達平面后，小車為什么繼續(xù)前進？

學生猜想與討論。

教師：小車繼續(xù)前進是因為地球上的物體都具有慣性，慣性是物體的根本屬性。小車滑出的距離相同，說明慣性的大小與速度無關。那慣性的大小與什么因素有關？

【設計意圖】學生觀察演示實驗發(fā)現(xiàn)原有認知結構與實驗現(xiàn)象沖突，產(chǎn)生強烈的學習興趣和求知欲，或者選擇重新自我評估。

2.2.3? 解決階段

學生設計實驗：將小車從斜面木板的同一高度滑下（控制初速度相同），記錄小車滑出的距離。將10克、

20克、30克砝碼分別依次放到小車上同一位置，重復以上操作。

學生總結：慣性的大小與速度無關，與質量有關，且質量越大速度越大。

教師：本次實驗我們控制了小車的初速度不變，改變了小車質量，這樣的實驗方法為控制變量法。

【設計意圖】讓學生產(chǎn)生的興趣和求知欲體現(xiàn)在學習行為上，通過實驗獲取知識，自主構建新的認知結構。

3? ?分析與討論

3.1? 結構

首先，李和科沃恩模型給出了認知沖突的三個過程，而科沃恩模型給出了認知沖突的三種類型。其次，科沃恩模型要求沖突在環(huán)境中進行，李和科沃恩并無此要求。再次，李和科沃恩模型比科沃恩模型多了學習者內(nèi)部心理活動的表現(xiàn)。最后，李和科沃恩模型只引出學習行為，沒有科沃恩模型中的類型三沖突里將新舊知識

沖突的部分。

3.2? 內(nèi)容

首先，科沃恩模型的沖突過程較為完整，是一個完整的由前概念進階形成新知識結構的過程。而李和科沃恩模型的認知沖突只在沖突階段發(fā)生，并且整個過程在學習行為階段結束，少了新舊概念間對比的沖突。新舊概念間的對比沖突是一個反思與評估的過程，學生通過同化或順應從而達到新的平衡。李和科沃恩模型下并未知曉學生是否重構了知識結構，只是解決了問題。其次，科沃恩模型要求沖突在環(huán)境中發(fā)生，類似于情境教學。情境教學的核心是激發(fā)學生的情感，這與李和科沃恩模型中沖突階段的興奮與焦慮相似。李和科沃恩模型雖然也是通過激發(fā)情感而引發(fā)沖突，但并未要求將沖突置于環(huán)境中，而是要求通過反例來引發(fā)學生心理上的興奮與焦慮。最后，李和科沃恩模型由沖突引發(fā)了學習行為，讓學生自主建構知識，體現(xiàn)了以人為本的理念，而科沃恩模型沒有給出學生知識建構的渠道，留給了使用者更多的空間。

3.3? 適用范圍

首先，由以人為本的角度可知，李和科沃恩模型強調知識的自主建構，這一模式更適用于實驗課。建議教師使用時，在學習行為結束后加入科沃恩模型中的類型三沖突，讓學生反思評估，重建知識結構。其次，由沖突發(fā)生的條件要求可知，科沃恩模型適用于應用情境教學的課堂，建議在此過程中加入李和科沃恩模型解決階段的學習行為部分，以鍛煉學生在情境中自主解決問題的能力。最后，從知識的建構角度出發(fā)，由科沃恩模型中的類型三沖突，可知其適用于教學內(nèi)容是在前概念的基礎上進行進階的教學，而李和科沃恩模型中由反例引發(fā)的沖突更適用于培養(yǎng)學生科學論證思維的教學。

【參考文獻】

[1]張浩.高中地理教學中認知沖突策略設計與應用研究[D].開封：河南大學，2018.

[2]張年逢.認知沖突策略在高中生物教學中的應用研究[D].蘇州：蘇州大學，2009.

[3]胡美玲.認知沖突教學策略在高中化學教學中的應用研究[D].哈爾濱：哈爾濱師范大學，2017.

[4]Tsai C C.International Journal of Science Education，2000（3）.

[5]權栽述.科學概念形成的一個認知模型[J].物理教育，1989（5）.

[6]王春玲.Wikipedia中認知沖突對協(xié)同知識創(chuàng)新的影響規(guī)律研究[D].大連：大連理工大學，2012.

[7]李海峰，王煒.經(jīng)驗認知沖突探究法——一種翻轉課堂模式下的深度協(xié)作知識構建學習策略探索[J].課程與教學，2020（1）.

[8]張佳麗.認知沖突策略在高中物理規(guī)律教學中的實踐研究[D].上海：上海師范大學，2020.

【作者簡介】

李佳欣（1995-），女，漢族，四川南充人，碩士。研究方向：物理課程與教學論方向。

崔雪梅（1969-），女，朝鮮族，吉林延吉人，博士，教授。研究方向：物理課程與教學論方向。