预设认知冲突，提高生物课堂教学有效性

解玉嘉

（淮南市第二中学，安徽 淮南232038）

实施高中新课程改革以来，课堂教学发生了令人瞩目的变化，同时也存在着不容忽视的问题。其中，不少课堂在看似生动活泼，热闹非凡的表象下掩盖着实质深处的萧条——忽视对学生思维品质的培养。为此，近年来笔者在高中生物教学实践中，以新课程理念为指导，致力于“预设认知冲突，提高生物课堂教学有效性”的思考与探索，产生了一些认识和体会。

一、预设认知冲突理论依据

认知发展理论认为：在学习者认知发展过程中，当原有概念(或认知结构)与现实情境存在某些差距时，会引发他们心理产生矛盾或冲突，这就是认知冲突。当学习者已有知识经验与新知识情景之间存在某种差距而导致心理失衡时，就会产生认知冲突。产生认知冲突后，需要学习者及时调整自己的认知结构，以期与新的学习情景之间实现新的平衡。新的平衡产生过程就是学习者心理不断适应变化和建构的过程。

认知发展理论创立者皮亚杰认为，适应包括同化和顺应两种作用和过程，当学习者面对一个新的刺激情景，能利用已有图式把这一刺激整合到自己原有的认知结构中，这就是同化；当学习者不能利用原有图式接受和解释时，其认知结构由于刺激的影响而发生改变，这就是顺应。在认知主体的认知发展过程中，只有当产生认知冲突时，才会发生顺应过程，顺应结果是对原有知识结构进行改造或重组，达到一种新的、更高级的认知平衡。学习者也正是在这一平衡与不平衡交替变化中，不断建构和完善认知结构，实现认知发展。

二、预设认知冲突现实价值

有效的课堂教学不仅要关注学生当下发展，更要关注他们未来可持续发展；不仅要让学习者获得知识，更要培养他们的思维方式，提升思维能力，进一步升华为一种思维品质和精神理念，对其长远发展产生深远持久影响。

提高课堂教学有效性，离不开教师主导作用的发挥。教师作为教学过程中的组织者、指导者，通过预设认知冲突，造成学生认知结构的不平衡，将他们带入“愤悱”学习心境，使他们借助于他人（教师、学伴）的帮助，在一定的情境和文化背景下，利用必要的学习资源，自己主动地建构知识，通过新旧知识之间的反复、双向相互作用，来促成新认知结构的形成，在这一过程中激发学生思维，从而提高生物课堂教学有效性。

（一）激发学生认知内驱力

生物课堂教学活动并非一种纯认知的探索或传输行为，它必然伴随着强烈的情感反应。学习动机对学生的学习具有重要影响。认知—接受学习理论的倡导者奥苏伯尔认为：学习动机主要包括认知内驱力、附属内驱力和自我提高内驱力，其中认知内驱力最为重要，不仅是学生求知和理解的欲望，而且是掌握知识、阐明和解决问题的欲望。学习者具有保持认知平衡的倾向，当他们发现不能用头脑中已有的知识来解释一个新问题、或发现新知识与已有的知识相悖时，就会产生“认知失衡”，导致一种“紧张感”。故笔者认为，课堂教学中如能引发学生的认知冲突，正是调动他们认知内驱力的一种有效手段。 因为学生一旦产生认知冲突，就会引起“认知失衡”，就能激起他们的求知欲和好奇心，并产生解决这种认知矛盾的需要，以求得心理平衡，从而促使学生进行认知结构的同化和顺应。所以说，引发认知冲突是调动学生情感因素，促使他们实现知识建构的契机和动力。

（二）发展学生思维能力

在生物课堂教学中，培养学生科学思维能力是其根本目标，学生思维能力的发展，是发展其他能力的基础和核心。而必备的知识储备是发展思维能力的基础，故要把生物用语、概念、原理等必备知识系统地转化给学生，建构认知结构。然而，当学生产生认知冲突后，为消除“认知失衡”以实现新的认知平衡，就必须迅速激活原有的认知结构，从中选择接受相关信息，并进行有目的加工和整合。这种历经假设、观察、实验、交流、推理、归纳等思维过程，所获得的知识会更富有“含金量”。

著名教育家杜威认为，好的教学必须能唤起儿童的思维。杜威将思维过程分为五个步骤：疑难的情境，处于困惑、迷乱、怀疑的状态；确定疑难的所在，并从疑难中提出问题；通过观察和其他心智活动以及搜集事实材料，提出解决问题的种种假设；推断哪一种假设能够解决问题；通过实验，验证或修改假设。其中，“疑难的情境，处于困惑、迷乱、怀疑的状态”即为“认知冲突”。“学起于思，思源于疑”，认知冲突是激发思维第一步，思维过程即是从认知冲突中发现问题、解决问题的过程。

可见，预设认知冲突，能引发学生主动探索，发展思维能力。如果没有思维能力，则难以产生有意义的经验。

三、预设认知冲突实施策略

（一）基于前概念与科学概念的差异，预设认知冲突

学生头脑中在没有接受正式科学概念教育之前，对现实生活现象和前期预备学习过程中形成的经验性概念，被称之为前概念。有的前概念与科学概念一致，这样的前概念会促进科学概念的进一步建构与掌握；而有的前概念与科学概念截然不同，甚至出现相互排斥或对立。建构主义的教学观认为，对前概念的不满是促使学生概念转变的关键因素，只有当学生感到原有的概念失去了作用，不能解释新的事件或者不能解决当前遇到的问题，产生认知冲突时，他才可能去改变原有概念形成科学概念。

从这个意义上来说，预设认知冲突进行概念转变在生物教学中具有重要作用。

在实际教学中可从以下“三个点”上预设认知冲突：

一是初、高中知识衔接点。如：学生在学习高中必修1“光合作用原理和应用”之前，已经在初中建立了光合作用的前概念，学生知道绿色植物的叶片在光照条件下能够将CO2和H2O合成为淀粉等，这对学生进一步理解光合作用原理和应用有帮助，教师可以结合高中生物关于光合作用过程的深入探究历程，利用多媒体技术优势，从微观上模拟其中的一些重要发现，引发学生产生强烈的认知冲突，促使他们深刻认识光合作用的本质。

二是教材前后知识联系点。如：让学生解释摩尔根果蝇杂交实验眼色遗传现象。学生在前面刚学过基因的分离定律和自由组合定律，头脑中有了前概念。当给出果蝇眼色遗传实验结果图：P 红眼（雌）×白眼（雄）→F1 红眼（雌、雄）→F2 红眼（雌、雄）3/4 白眼（雄）1/4。针对这个结果，学生必然会用分离定律去加以解释，马上判断出红眼为显性，白眼为隐性，马上推导出亲本中的红眼果蝇基因型为AA，白眼果蝇基因型为aa，子一代的基因型为Aa。此时可以利用红眼有雌性果蝇也有雄性果蝇，而白眼果蝇全是雄性果蝇，与孟德尔的基因分离定律出现的结果不一样，引导学生产生认知冲突。这样可以自然地激起学生的兴趣与求知欲，有助于他们建立科学概念。

三是必修与选修模块知识交叉点。如：必修1关于细胞分化的前概念是“细胞分化是一种持久性的变化，一般来说，分化了的细胞将一直保持分化后的状态，直到死亡”。即细胞分化具有 “不可逆性”。而学习选修3专题2时再次涉及到细胞分化，出现了细胞脱分化知识：“（植物组织培养）首先要通过细胞的脱分化的过程，培养出愈伤组织……细胞脱分化就是让已分化的细胞，经过诱导后，失去其特有的结构和功能而转变成未分化细胞的过程。”其意思就是已经分化的细胞还可再失去分化，恢复到较为原始的状态。这部分知识是在必修基础上对细胞分化知识的深化，更接近细胞分化科学概念，在此设置认知冲突，让学生认为教材前后矛盾了，有利于引导学生认识到细胞分化“不可逆性”的条件，即在体内条件下，当细胞一旦脱离原来植物体，处于离体状态，就可发生“脱分化”。这样很快能够让学生建立科学概念，有利于提高教学有效性。

（二）基于实验探究，预设认知冲突

生物学是一门实验性科学，实验是生物学科教学内容中最精彩的部分，也是设置认知冲突的重要依托。学生在进行观察或实验之前，时常会有意无意生成假设。当实验现象与假设相近时，会感受到成功喜悦。但当实验现象与假设相异时，则会产生强烈认识冲突，从而激发他们进一步探究的愿望。正如钟启泉教授所说：“实验是在学习者的面前引起日常生活中不可能经验到的现象。违背学习者常识的实验结果，将造成学习者意识中的认知失衡状态，摆脱这种认知矛盾状态求得解放的需求，就成了学习的动机。”

教师通过创设探究性实验情境，预先有意识地让学生尝试作出猜想，然后通过实验产生意想不到的新现象，来促使学生用改变原有认知结构，去顺应、解释这些新现象。由此可见，利用实验探究预设认知冲突，是一条行之有效的途径。这里务必将实验现象的呈现与学生的思维发展紧密结合，把实验现象作为锻炼学生思维、培养学生能力的载体，而不是仅仅让学生了解实验现象。

例如在讲解渗透作用之前，先向学生展示如下实验现象：U形管管腔底部中央用半透膜隔开后，左侧注入清水，右侧注入等量蔗糖溶液，静置一段时间，右侧液面升高。

然后设问：为什么一段时间后，U形管右侧液面会高出左侧？

学生在初中已学过U形管，根据压强平衡原理，U形管两侧液面应该一样高，而此实验中，U形管略加改变，在中间添加一个半透膜，其两侧液面就不一样高了。这究竟是为什么？原因何在？学生原来所掌握的知识原理不能解释这一新的实验现象，从而引发认知冲突，激发他们强烈的探求欲望，使他们急切地进入新知识的学习。

（三）基于科学史关键历程，预设认知冲突

生物科学史是生物科学产生、形成和发展及其演变规律的反映。许多生物学史话本身就蕴含着生物学的概念、原理和实验方法等知识，尤其一些关键的历程还能够体现科学家独特的思维方式。将生物科学史引入课堂教学能够引导学生体验生物学知识的形成过程，从中学习科学家的思维方法和理解生物学概念、原理的来龙去脉，将科学理论产生过程同学习过程结合起来，有助于学生把生物学知识当作动态发展的知识。研究表明，科学史的研究进程在一定程度上与学生的思维发展有相似之处，通过相应的科学史，引发与原有知识的认知冲突，激发学生探索欲，促使学生主动参与学习，发展学生思维。在无法直接进行实验的情况下，可以利用科学史上一些关键历程中著名的实验来制造认知冲突，激发学生的探究热情，为后续内容学习作有效的心理铺垫，可极大地提高学习效率。

例如，植物的激素调节中，如何来证实生长素是植物茎尖端产生的？利用多媒体显示温特实验现象，引导学生探究：根据温特实验，能得出什么结论？学生推测：切下的胚芽鞘尖端把某些物质传递给琼脂，当含有这种物质的琼脂放在切掉尖端的胚芽鞘切面一侧时，又把这种物质传递给植物，引起生长和弯曲。质疑：这个实验有不合理的地方吗？由此产生的认知冲突引发学生强烈的求知欲望，促使他们深刻思考上述假设不合理的原因，并最终认识到琼脂本身有可能会将某种物质传递给植物，引起生长和弯曲，从而理解增设对比实验的重要性。由此可见，恰当运用科学史上一些不成熟的科学实验、猜想或假设，能培养学生的质疑精神和质疑能力，在此基础上，启发学生动脑、动手完善实验设计，培养学生实验设计能力，从而达到培养创新精神的教育目的。

（四）基于变式问题，预设认知冲突

在习题讲解中运用变式问题，通过预设认知冲突，让学生的认知状态经历平衡→不平衡→平衡的发展历程，使学生思维处于不断的碰撞、调整、兴奋之中，由此带给学生的刺激比较深刻，教学效果较好。

如在讲基因频率后，让学生练习运用已知某遗传病发病率计算基因频率，设置如下问题：

囊性纤维变性是一种常染色体遗传病。据统计，在某欧洲人群中，每2500个人中就有一个患此病。现有一对健康的夫妇生了一个患有此病的孩子，此后，该妇女又与另一健康的男子再婚。则该再婚的双亲生一孩子患该病的概率最接近于：

A.1/25 B.1/50 C.1/100 D.1/625

学生根据双亲正常，却生一病孩，推知该常染色体遗传病为隐性遗传病。致病基因记为a，则该妇女的基因型为Aa。欲求该妇女与另一健康男子再婚后生一患病孩子的概率，必须求出该健康男子是杂合子的概率。根据题意，由基因型aa的频率为1/2500可求得基因a的频率为1/50，基因A的频率为49/50。由此人群中，AA的概率为49/50×49/50，Aa的概率为2×49/50×1/50。由于该男子健康，故其为携带者的概率为Aa/(AA+Aa)=2/51。于是再生一孩患病的可能性为2/51×1/4≈1/100。

变式：某人群中某常染色体显性遗传病的发病率为19%，一对夫妇中妻子患病，丈夫正常，他们所生的子女患该病的概率是（ ）

A.10/19 B.9/19 C.1/19 D.1/2

由于该显性遗传病，在人群中的发病率为19%，该病用A表示，患者不能直接套用上面的公式，因为患者基因型为AA和Aa，它们的概率之和为19%,故aa的概率为1-19%=81%，根据哈迪-温伯格定律，a的基因频率为90%，A的基因频率为10%。由此人群中AA的概率为1/100，Aa的概率为18/100。因妻子患病，不可能是aa，故其基因型是Aa的概率为Aa/(AA+Aa)=18/19，AA的概率为1/19。丈夫正常，基因型为aa。

综上所述，这对夫妇所生子女的患病概率为1/19×11+18/19×1/2=10/19（或 1-正常=1-18/19×1/2）。

在此题的解决过程中，学生通过第一题得出的规律与变式题中的问题产生了认知冲突，结果是学生调整了原有结论，得出了包容性更强的新的规律。

总之,预设认知冲突，提高课堂教学的有效性，是一个值得探究的课题。教师惟有不断钻研教育，提高自身专业素养，深入研究学情，才能科学合理地预置认知冲突，激发学生的求知欲，于潜移默化中改善他们的思维品质，提高思维能力，达到提高课堂教学有效性的目的。

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