基于认知负荷理论的阿基米德定律实验设计

刘振武 胡银泉

(江西师范大学物理与通信电子学院，江西 南昌 330022)

基于认知负荷理论的阿基米德定律实验设计

刘振武 胡银泉

(江西师范大学物理与通信电子学院，江西 南昌 330022)

本文对当前人教版教材中的阿基米德实验进行了剖析,指出了4个方面的问题,为了改进阿基米德实验的教学效果,笔者基于认知负荷理论,设计出两个实验,通过减少学生认知过程中的外在认知负荷,增加关联认知负荷以促进认知图式的生成,最终达到培养学生科学素养的目的.

认知负荷;阿基米德定律;实验设计;浮力大小

阿基米德定律作为初中力学的重要内容,一直为教育专家和一线教师所重视.如何直观、简洁地设计实验,是教育同仁们深切关注的问题.尝试利用学生已经掌握的物理知识作为“先行组织者”,减轻学生的认知负荷,是笔者设计实验的理念.

1 当前实验所存在的问题

(1) 操作步骤复杂.就人教版而言,阿基米德定律的实验步骤分为4步:[1]① 测量物体的重力; ② 测出该物体浸没在溢水杯的水中所受的拉力; ③ 测出小桶和物体排开的水的总重力; ④ 测出小桶的重力.笔者认为,第4步应放在第1步后更具科学性.当然,这还不考虑学生多次实验,记录数据,分析数据并得出结论所需的步骤.如此多的步骤,从一定意义上讲,学生容易将实验当作应付任务,刻板的步骤容易打消学生主动探究的兴趣.

(2) 实验原理不够明显.该实验的①、②步,很多学生不知其所以然,毕竟浸没在水中的物体受重力、浮力、拉力3个力.为什么测力计减小的读数就等于浮力的大小,大多数学生只存在一个模糊的认识.这对于定量地学习物理规律是非常不利的.

(3) 不具有动态演示的功能.该实验不能随意增加重物,不能动态地展示浮力与排出液体重力的关系.

(4) 实验的受力分析超出了学生的认知负荷.学生前期只学习过二力平衡,而在本实验的第2步实际上运用了三力平衡的知识.认知负荷理论指出,如果学习者所要加工的信息容量超出了学习者的工作记忆所能加工的信息容量,那么学习将变得无效.[2]这显然会影响该实验的教学效果.

2 实验设计及教学策略

1988年,澳大利亚心理学家Sweller提出了认知负荷理论.该理论认为，认知负荷是指在一个特定的作业时间内施加于个体认知系统的心理活动总量.[3]学习的心理实质就是认知加工,认知加工就要占用主体的认知资源,就会形成认知负荷.认知负荷包括外在认知负荷、内在认知负荷和关联认知负荷.外在认知负荷是由信息呈现的方式和学习者需要的学习活动所引起的.一般来说,教学活动中信息传递渠道不畅通、教学设计差、学习活动方式越复杂,所引起的外在认知负荷越大,学习的效率越低.内在认知负荷是由所学材料本身的复杂程度所决定的.只要学习材料的信息要素以及各信息间的交互作用是学习材料所固有的,那么,内在认知负荷就是固有的、稳定的.关联认知负荷是学习过程中由于图式的构建和规则自动化引起的.它使学习者的认知资源用于直接从事更高级的认知加工(如重组、抽象、比较和推理等),从而支持图式的形成和构建,进而促进学习.简而言之,认知负荷理论给教学带来的启示是:合理化内在认知负荷,尽量减少外在认知负荷,努力扩大关联认知负荷,这样才有利于学习.[4]

就阿基米德实验的设计来说,实验的步骤过于繁复,显然增加了学生的外在认知负荷.又由于学生对三力平衡不够熟悉,因此产生的关联负荷较小.因此,学生的学习效率会大大降低.为了改变这种情况,笔者利用学生在前期已经学习的二力平衡知识和重力计算方式来增加关联认知负荷,并通过重新设计实验、精简步骤来减小外在认知负荷,从而提高学生的学习效率.为了探究物体所受浮力与排开液体重力的关系可以先利用物体漂浮时物体所受浮力与重力平衡,通过改变重力大小,即可改变物体所受的浮力大小.本实验为了方便学生操作和满足动态演示的要求,采用砝码作为实验所用的物体.另一方面,通过电子秤或天平即可实时地测量排开液体的质量.通过G=mg公式即可求得排开液体的重力.

实验器材:一套砝码、溢水杯、平底小桶(或用透明塑料瓶底,里面用餐巾纸垫平代替)、电子秤(厨房用)、适量的水(如果用天平则需另一套砝码).

实验示意图，如图1所示.

图1 阿基米德定律实验图

在开始实验时,在溢水杯中倒入适量的水,并放上平底小桶,使其漂浮在水面上,然后慢慢加水使水面与溢水杯的管口相平.此时可用电子秤上的“去皮”功能,将电子秤示数清零.在实验准备工作结束后,教师应该引导学生分析平底小桶和砝码构成的整体的受力情况,整体的浮力与重力平衡.又由于事先已经将平底小桶产生的排开液体的质量在电子秤上清零,得出砝码所受浮力即等于它的重力.

明确了实验原理,学生就可以逐步增加砝码,并完成表1(g=10N/kg).

表1 阿基米德定律实验表

当然,这里只讨论了物体漂浮时所受浮力与排开水的重力之间的关系,属于不完全归纳.[5]那么,物体浸没在液体中所受浮力与排开液体的重力有什么关系呢?下面实验[6]可以证明此时浮力仍然等于G排.

图2 测力计拉 水袋实验图

将一塑料袋(质量和厚度可忽略)装满水,用细绳系紧挂在弹簧测力计上,在塑料袋未浸入水之前,弹簧测力计有一示数.而当塑料袋完全浸没在水中时,弹簧测力计的示数变为零(如图2所示).

对于这一奇特的现象,教师可以引导学生对塑料袋中的水进行受力分析,得出F浮=G水.

很多学生在这一步之后就很难继续了,这时,教师应该显化分析比较的科学方法,找出F浮和G排之间的关系.分析就是将研究对象的整体分为各个部分、方面、因素和层次,并分别地加以考察的认识活动.分析的意义在于细致地寻找能够解决问题的主线,并以此解决问题.比较是认识对象间的相同点或相异点的逻辑方法.它可以在异类对象之间进行,也可以在同类的对象之间进行,还可以在同一对象的不同方面、不同部分之间进行.这里,就可以先将G水和G排分解成几个要素,然后进行比较.

首先,可以将G水写成G水=ρ水gV.然后,可以将G排写成G排=ρ水gV排.

通过比较,学生很容易发现上述两式只有体积部分写法不同,那么,二者相不相等呢?教师可以让学生交流思考,从实验现象和直接经验中找寻答案.不难发现,任何物体在完全浸没的状态下,都有V排=V.最终,可以得到浸没状态下浮力仍然等于G排这个结论.

3 教学启示

(1) 实验教学的目的是为了探索真理,培养学生的科学素养.因此,实验原理部分必须要学生清楚明白,这也就是回答了学生“为什么这样做”的问题.通过二力平衡等知识的反复运用,本节实验教学可以减轻学生的认知负荷,又有利于原有知识的巩固.

(2) 实验步骤应该简洁、明了,突出实验中的自变量和因变量.在本实验中,利用砝码可以直接求出物体的重力,进而得出浮力;利用电子秤可以实时地测量排开液体的质量,从而得出排开液体的重力.这就达到了突出重点的目的,以免学生在繁复的步骤中迷失,降低他们实验的兴趣.

(3) 在隐性课程中深化中国传统文化的影响,从学生直接经验出发更容易完成图式的建构.本实验设计之所以先用漂浮状态的小桶,其作用其实与经典故事“曹冲称象”中的小船类似,教师在教学中可以提到此点,引发学生对经典故事中蕴含的智慧进行思考.本实验设计用电子秤代替传统教学中的弹簧测力计,除了操作、读数更简易以外,另一方面是由于学生在现实生活中的超市、集贸市场、家庭等场景中对电子秤司空见惯,拥有大量的直接经验,教师可以利用这些直接经验引导学生更快地建构认知图式.

(4) 在学生已有知识到得到新的结论的顺应过程中,一旦学生出现认知困难,教师应该抓住契机,显化科学方法,引导学生突破认知困难,并可让学生交流学习后的感悟,加强对科学方法功能的认识,逐步提高科学方法在学生中的认同度,最终达到培养全体学生科学素养的目的.

1 人民教育出版社,课程教材研究所,物理课程教材研究开发中心. 义务教育教科书物理8年级下册[M]. 北京:人民教育出版社,2012:53-55.

2 李志专. 认知负荷理论的解读及启示[J]. 煤炭高等教育,2009(01):50-52.

3 孙崇勇. 认知负荷的理论与实证研究[M]. 沈阳:辽宁人民出版社,2014: 4.

4 赵俊峰. 解密学业负担 学习过程中的认知负荷研究[M]. 北京:科学出版社,2014: 3-8.

5 耿爱霞,陈清梅,邢红军. “阿基米德原理”的高端备课[J]. 课程教学研究,2014(07):35-36，70.

6 王荣根. 不同版本义务教育课标教材中“浮力”内容的比较[J]. 中学物理教学参考,2008(03):52-54.

2017-02-12)

本文受江西师范大学研究生创新基金项目“中学物理实验创新设计”支持.