利用“认知冲突”进行物理概念教学，本文主要内容关键词为：认知论文,冲突论文,物理论文,概念论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
物理概念是反映物理现象、物理过程本质属性时的一种科学抽象，“是在大量观察、实验的基础上，运用逻辑思维的方法，把一些事物本质的共同的特征集中起来加以概括而形成的。”所以物理概念不仅是物理基础知识的重要组成部分，也是组成物理规律、建构物理公式和完善物理理论的基础和前提。物理概念是学生学好物理的关键，而学生形成、理解和掌握物理概念又是一个复杂的认识过程，既要以感觉、知觉、表象为基础，又要进行分析、综合、抽象、概括等思维活动。可是学生在学习物理概念时，往往对概念只是死记硬背，不去理解物理概念的实质，故而在应用物理概念时也就错误百出，这是造成很多学生认为物理难学、甚至放弃学习物理的根本原因之一。据调查，高中学生放弃理科选学文科的人中，60%以上是因为学不好物理。
国内外许多科学教育研究人员对于学生在科学学习中的概念化理解开展过大量研究，尤其是对于学生错误观念的探查、转变及传播科学知识的教学策略等方面都进行了大量研究，取得了一些颇有价值的成果。笔者联系自己多年在物理教学中利用“认知冲突”进行物理概念的教学体会，写出此文望能得到同仁指教。
一、前概念对物理概念学习的影响
学生学习物理概念之前，已经在生活中对客观世界有了一定的认识和了解，形成了一系列物理观念，但这些观念往往是片面的，有些甚至是错误的，这就是前概念。学生的错误物理前概念具有顽固性，与物理科学概念的形成相抵触。
我们的学生，不管在初中阶段还是高中阶段，甚至有很多已读大学的理科生中，都有前概念广泛存在于头脑中。能正确反映客观事物本质的感性前概念是学习物理概念的巨大财富。如力的合成，学生根据日常生活经验形成了“合力就是几个力之和”；浮力的方向是向上的；“要让物体由静止变为运动，必须施加力的作用”；鹅毛等轻小物体在空中下落时比石头、铁块慢很多；串联就是一个个物体连贯成一行；电流就是电荷像水流一样朝一个方向运动……
物理概念来源于生活、生产经验，正如爱因斯坦所言“科学的概念最初总是日常生活中的普通概念，但它们经过发展就完全不同了。它们已经变换过了，并失去了普通语言中所带有的含糊性质，从而获得了严格的定义，这样它们就可应用于科学的思维。”物理概念虽然来源于生产生活实践，但它们又是经过抽象、概括而来的，与不能反映物理现象和过程本质属性的原初实践经验不可同日而语。如合力概念，由于力是矢量，故合力是一些力的矢量之和而不是代数和；要使物体由静止变为运动必须施加力的作用，但力并不是维持物体运动的原因；鹅毛等轻小物体在空中比石块、铁块下落得慢，但不能就说轻物体比重物体就一定下落得慢……我们生活中的经验和感受有很多只是一部分或在某一条件下是对的。但要注意，也不能简单提示学生说“按生活经验去做、去理解是会发生错误的！”这又会从另一极端造成学生一种错误思想，认为“学习物理不能联系生活和实际”，会让学生在情感、态度、价值观方面发生扭曲，与物理科学的精神相冲突。
因此，教师要正确认识前概念的影响，既要知道如何科学应用正确前概念来引导学生学习物理概念，又要了解错误前概念对学生学习物理概念的干扰与抵触作用，只有这样才能有利于物理概念教学。
前概念的顽固性，使很多从教多年的物理教师有这么一个体会，传统的讲授式教学很难使物理概念被学生掌握并正确使用。那么针对这一问题较好的教学策略是什么呢？我认为让学生“体验到认知冲突”是行之有效的方法。
二、利用物理实验的直观性引起认知冲突
物理实验能为物理概念的建立提供科学的感性认识。如人们在生活中普遍认为“重物体比轻物体下落得快”，针对这一点先拿一铁锁和一鹅毛从同一高度同时下落，结果毫无疑问；再用一张信纸代替鹅毛并问学生重复刚才的实验会怎样？学生肯定回答“信纸下落慢”，答案是对的；但当信纸质量没变教师把它紧紧地揉成团，并让它和锁同时从同一高度下落，其结果又会如何？学生毫不犹豫地同声回答“信纸慢”，这时别急着给出答案，可让一个学生上讲台演示给其他同学看，大家会发现结果并不是预期的那样，它们几乎同时落地。利用实验现象引起的这一认知冲突否定了生活中形成的“重物体一定比轻物体下落快”的错误观念，在解释清楚引起这一现象的原因后引出“自由落体”概念，再用毛钱管做自由落体实验。这样处理后，学生对“自由落体”运动的概念清楚了，探究“自由落体运动”的规律也就顺利了。
又如对牛顿第一运动定律的理解，生活中确实可以看到很多“物体的运动需要力来维持”的现象，那么这个结论真的是正确的吗？取一玻璃小球先让它在水平桌面上滚动，不久就停了；再把玻璃球放在一块长长的水平玻璃板上滚动，会发现小球一直滚出玻璃板。两次实验同样没有推力作用，让学生思考产生不同结果的原因：假设球与板间无摩擦，结果又是如何？师生经共同分析可得结论：“光滑的玻璃小球和玻璃板在水平方向并没有受到力的作用，而竖直方向受到的是一对平衡力”，因而“运动并不一定要力来维持”即“力不是维持物体运动的原因”。到此，多数学生即可真正理解牛顿第一定律了。对牛顿第三定律所说作用力与反作用力之间的大小关系问题，学生们普遍认为主动施力肯定更大，这时只要给学生每人一把弹簧秤，让两人互相对拉实验（提醒他们注意弹簧秤的测量），他们会立即得到结论“作用力与反作用力大小相等”。类似的物理实验还可做很多，都可利用其现象引起的认知冲突来加深学生对物理概念的理解。
再如对于“电流”概念，由于受到“流”字的影响，学生会认为灯泡等用电器是让电流“流进”并加以消耗的终端设备；对此，教师只需引导学生用多个一样电功率的小灯泡串联起来接入电源，让学生们看灯泡的亮度是否会因距离电源正极越远而越暗，这样他们就会明白电流只是“流过”用电器并未被消耗。这样处理不仅使学生理解了电流概念，也为理解电能与其他形式能的转化提供了感性基础。
三、利用数学方法引起认知冲突
物理学的表达语言是数学。牛顿著作《自然科学的数学原理》（1678年）把数学化确立为近代科学成功的标志；在物理学中有许多概念都是可以用数学公式的形式表示的，如“功W=Fscos α”，“加速度
”，“机械能中的动能
、重力势能
”，还有动量、冲量等。此外，与实验一样，利用数学方法引起的认知冲突同样可以消除错误前概念的影响，使学生正确理解并应用科学的物理概念。
1.匹配好相应的数学知识
在初中物理教学中较重要的数学知识是“正比例和反比例关系”，这一知识学生在八年级学习物理前已经学过了，故只需教师引导学生理解它们间的相互渗透、相互联系。高中在学习力学时，由于力、位移、速度、加速度、动量、冲量等都是矢量，且矢量的初步运算（加、减）贯穿始终，因此初步的矢量加减法意义及运算必须给学生匹配好。可这一部分数学知识通常在高二才学，为物理概念的理解带来了很大困难，这就要求物理教师提前采用专题教育，使学生懂得这一专题数学知识的基本意义和应用。具体地说，通过“互成角度的两个力合成”学生实验，让学生在感知的基础上认识到，互成角度的两个力（矢量）合成（相加）时应按照“平行四边形定则”进行，这样做就抽象上升到了“矢量加法”层次，然后再进行“矢量减法”和“矢量点乘（标积）”等知识教学。这一数学知识的匹配虽要占用几课时的教学时间，但为物理概念的理解带来了极大好处。
2.应用数学方法引起认知冲突
功概念，在初中被定义为“力与物体沿力的方向移动的距离的乘积；如果力用F表示，s表示物体沿力的方向移动的距离，W表示功，则用计算公式表示为W=Fs”。在高中学习时教师通常都是先举一例让学生温故知新：在水平面上用水平力推一箱子前进一段距离，分析箱子所受力为推力、重力、支持力和摩擦力。学生几乎都知道推力做了多少功，重力和支持力都没做功。最后问学生：摩擦力有没有做功？很多学生回答“不做功！”“为什么？”“因为在摩擦力的方向上没有发生位移，力与位移的方向相反。”这就是学生记忆中的功的概念。
对此，可先在师生共同推导出与位移方向成任一角度α的拉力作用下功的公式“W=Fscos α”后，再从数学角度来讨论摩擦力是否做功。因摩擦力与位移方向相反即α=180°，故求出的功并不为零而为负值。这一数学讨论的结果与学生记忆中的功概念产生了矛盾冲突，应用数学方法引起的这一认知冲突激发了学生讨论判断的热情。通过讨论、交流，学生对功概念有了一定理解，而且教师还可引导学生从“功是能量转移、转化的量度”角度来进一步理解，从而使功的概念得到真正掌握。
再如加速度概念，它是初学物理的人感到最难的概念之一。学生认为“有时加速度很大但速度并不一定很快；有时速度很快但加速度却很小，甚至有时是负值；匀速圆周运动的速度明明没变却有加速度，真是太难理解了！”从公式可知，加速度是速度矢量变化与发生这一变化所用时间的比值。
表示速度，
是速度变化量，
是速度的变化率，故加速度是表示速度变化快慢的物理量；公式中表示矢量减法，当物体做直线运动时则用代数加减法运算，但物体做曲线运动时这一矢量运算结果是不为零的，这就明白了匀速圆周运动中速度大小明明没变却有加速度的原因。有了这些数学知识，就能使学生对加速度这一中学阶段最难的概念有一较清楚的理解。等今后结合牛顿第二定律
，从加速度产生的原因角度一并思考，应能解决有关加速度的所有问题。
数学方法引起的认识冲突的利用，通常是教师只需把问题提出，让学生以小组形式开展讨论，其收效会更大。大多数科学教育工作者的实验研究对此已经认可，同辈间的合作学习优于个体单独学习。在小组合作学习中，学生间、师生间的口头交流是教学枢纽，口头交流可使学生大脑中的思考和推理过程外观化，同时可以帮助教师考查学生所掌握的概念与物理科学概念之间的差距，使学生对概念的认知水平在学生讨论及教师对概念的讲解中不断提高，其错误的物理概念也会渐渐变成科学的物理概念。
四、利用类比方法引起认知冲突
类比方法是根据两个或两类对象之间在某些方面的相似或相同，推出它们在其他方面也可能相似或相同的一种推理方法。通过类比可以帮助学生理解一些较复杂较深难的物理概念，如“加速度”；而类比对象则应选择生动、直观且为学生熟悉的事物。
加速度概念首先是伽利略提出的，没学过物理的人不可能知道加速度，更不可能理解其意义。因为在我们的日常生活中，运动物体走了多远朝哪个方向去了，是位移的概念；要问它走得多快，是速度的概念。然而，在生活语言中却没有与加速度对应的词。这时可叫学生设想“你自己是高中生，与一个小学生赛跑，小朋友跑50米用了10秒，你跑100米用了15秒，由于小朋友用的时间少，所以小朋友赢了。这样讲对吗？”让学生与赛跑类比后再想想比较速度变化快慢的问题，能否只考虑速度的大小变化而不考虑时间？他们马上会感觉豁然开朗。
再如“电流”概念，由于受“流”字的影响，学生会误认为灯泡等用电器是让电流“流进”并将电流消耗的终端设备，而并非只停留在让电流“流过”上。这时可让学生仔细类比思考并有机会观察水力发电的情况，“水从高处流下冲动了水轮机叶片使其转动，从而把机械能转移给了水轮机，但水是否就没有了呢？”通过类比，让学生正确理解电流概念。当然，类比对象的选择要恰当。
物理概念是整个物理学知识体系的基石，是学生学好物理的关键之一。我们物理教育工作者应多关注学生形成、理解、掌握物理概念的复杂认知过程，并采取有效策略来帮助学生学习物理概念，使物理这一自然科学能被更多的学生所喜欢。
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