认知负荷理论在物理实验教学中的运用*

郑兰花 黄树清

(福建师范大学物理与能源学院 福建 福州 350108)

实验在物理教学中占据着重要地位，通过实验教学，能够让学生了解物理学家科学探究的过程，加深对物理概念规律的理解.近年来随着素质教育与核心素养的提出，许多中学教师开始越来越重视实验教学，重视利用实验提高学生科学素养.但是目前实验教学还存在许多问题，如不够合理利用资源辅助实验教学；不够认真钻研教材去选择恰当的实验讲授方式，不够充分激发学生实验探究欲望.为了能够攻破这些问题，充分发挥实验教学的作用，笔者根据认知负荷理论，从认知负荷3种分类角度分析实验教学，并提出相应的教学措施改进实验教学.

1 合理利用资源 减少外在认知负荷

外在认知负荷是由学习材料的组织形式和呈现方式引起的[1]，在实验教学中主要体现在实验器材的选择与多媒体教学的设计.在认知负荷理论指导下，在实验教学中教师应合理利用现有教学资源，优化材料的呈现方式，在实验器材的选择和多媒体的使用上有效减少外在认知负荷.

1.1 挑选合适器材

实验教学中必不可少的就是实验器材，实验器材的选择也是成功教学的关键.在实际教学中，教师往往不能够针对性地选择合适的器材，导致在课上演示实验时，现象不够直观明显，使得学生不能很好的直接获取信息，增加外在认知负荷.因此，在挑选实验仪器时要根据以下两点：

(1)生活化，物理来源于生活，生活中的许多现象都需要物理知识解释，实验教学中,我们应利用这一优势,注重与现实生活的紧密联系,挖掘生活中与物理相关的素材或资源，将物理生活化[2]，增加亲切感，熟悉物体的呈现能够减少学生信息加工的难度，降低外在认知负荷.例如在“物体的浮与沉”这节课中，为了能够让学生明白改变液体密度就会改变物体的浮沉状态，演示不同浓度盐水中的鸡蛋，往清水中不断加盐搅拌，可观察到鸡蛋由原来的下沉到悬浮在水中再到上升，最终处于漂浮状态.如图1，盐和鸡蛋都是生活中的常见物体，实验涉及到的原理较为简单即为生活常识——改变盐水浓度即为改变液体的密度，通过演示这类实验，能让学生感受到生活与所学物理知识密切相关，降低学习物理的陌生感，使学生更容易接收知识，减少外在认知负荷.

图1 物体的浮与沉实验

(2)先进化，在实际实验教学中，可以优先挑选一些较为先进的设备，能够直观地显示实验数据，免去数据处理的麻烦，视觉上的冲击能使学生较快接收信息，降低外在认知负荷.例如在“超重与失重”一节中，为了能够让学生明白超重和失重的条件，往常教师都是举电梯上升和下降的例子，通过身体反应来说明超重和失重状态，但身体反应掺杂了主观因素，且还需要转换为物理语言，增加负担，并不利于知识学习.因此在本环节可以设计实验，让学生站在压力传感器上站起和下蹲，同时在DIS系统中显示每一时刻的压力值.根据观察每一时刻压力值与重力作比较就可以说明超重和失重状态，实时的数据显示能减少接收信息上的障碍，减少了外在认知负荷，使学习更高效.运用较为先进的器材不仅可以激发好奇心，增加学生学习物理的兴趣，同时也间接展示了物理仪器的先进性，为今后的学习打下基础.

实验器材多种多样，教师要根据实际课程内容挑选器材.合适的器材不仅能吸引学生的注意力，更加关注实验本身，而且能保证实验呈现明显的实验现象，降低对学习策略的关注，减少外在认知负荷，提升实验教学效果.

1.2 优化多媒体教学

运用多媒体教学是教师常用的现代化教学手段，在当前的教学中，个别教师没有从学生的角度出发去精心设计多媒体教学方案，信息传递不流畅、学习材料呈现方式不对，造成了学生外在认知负荷增大[3].外在认知负荷过重，会增加学生学习压力，使学生失去学习动力.

笔者研究发现运用多媒体技术将实验讲解变得具有条理化[4]，如图2可以使学生清楚实验探究的每个过程.讲解实验过程中，可将实验过程中的一些重点画面通过课件呈现，标记重点强调关键信息，加深学生对重点信息的关注，降低了外在认知负荷.如图3以“探究弹力与弹簧伸长量之间的关系”为例，要让学生动手实验时，可在课件上呈现注意事项，减少实验过程的盲目性，对学习目的更明确.运用多媒体能够插入图文或播放视频，可化抽象为具体，将枯燥无味的实验讲解变得形象生动.实验教学中，涉及到实验仪器(如打点计时器)的讲解时，将装置图配上各个部件的文字说明整合在一张课件中，同时使用文本与图片会比单纯的使用图片效果更佳，这样的呈现形式能够使学生更直观更深刻地了解仪器的各部分构造，学生能够从文字与图片上同时加工相关信息，有效扩大认知容量，减少学习者总的认知负荷.

图2 实验过程

图3 弹力实验及注意事项

教师要合理设计课件，减少冗余信息，直观精确地呈现实验内容，更高效地传递学习信息，减少外在认知负荷，提高教学效率.

2 自主动手探究 降低内在认知负荷

内在认知负荷是由所学教材内容本身的复杂程度所决定的，带有固有性.物理知识本身就带有难度，需要有较强的理性思维，学生在学习时内在认知负荷一般较高，因此,我们只能在设计时尽量降低难度.教师如果没有合理设计教学方案，照搬书本知识讲授实验，就会占用较多的知识加工资源，增加内在认知负荷，阻碍学生学习.认知水平不同，相对难度也会不同，教师在设计实验时要考虑到学生的认知水平，当实验难度大时，内在认知负荷就会越高[5].内在认知负荷过高，就会导致学生学习困难.

实验越复杂，涉及到的物理思想就越多，加工的要求就越高.进行实验教学时，可适当地让学生自己动手探索出实验方案，降低实验教学的难度，降低学生的内在认知负荷.在高中“探究滑动摩擦力大小与物体间压力、接触面的粗糙程度关系”这个实验中，高中生有一定的自主探究能力，故可以给学生分发器材让他们动手组装，不断探索出可行性高的实验方案，要保证物体稳定且又能受到摩擦力，联想到静止物体也能受到摩擦力，且实验时只要保证下面木板运动即可，为了便于读数可通过滑轮将弹簧测力计挂于竖直方向，装置如图4所示.相比于直接呈现装置讲解实验，让学生动手探究，更能让学生体会到实验中包含的思想，降低学生理解实验上的难度，有效地减少了内在认知负荷.

图4 高中摩擦力实验装置图

在教学中，通过深入分析教材，根据学生认知水平，适度让学生动手探究，自主思考降低理解上的困难，降低内在认知负荷，促进知识的学习.

3 创设探究情境 增大关联认知负荷

关联认知负荷，是指学习过程中帮助图式的构建和图式自动化，对学习是有促进作用.在实验教学中教师能否激发学生的学习热情是关键，实验能够激发学习欲望，帮助学习者更好地掌握所学知识，形成图式自动化，提高关联认知负荷.如果教师不注意加强知识之间的联系，学生会因无法将零散的知识具有逻辑性地关联起来，图式的构建遇到阻碍，降低关联认知负荷.关联认知负荷低，不能促进学生对知识的深层理解[6].

在实验教学中，应创设实验探究情境，让学生多维度理解知识，帮助构建图式.在牛顿第一定律一节中，为了让学生能够意识到亚里士多德观点是错误的，往常教师都是口头带过伽利略理想实验，缺乏真实体验感，无法让学生真正体会伽利略科学探究过程，只会让学生被动地接受结论，不利于在知识间搭建桥梁，关联认知负荷较低.为了能让学生主动探索新知识，教师制作教具模拟理想实验，如图5所示，通过每次不断减少右侧斜面坡度，小球还是会沿斜面上升到与原来下落点等高的位置，直到右侧变为水平面，小球因无法达到相同高度而一直滚下去，得出结论--力不是维持物体运动的原因，此过程让学生体会到科学探究过程，见证了知识的发展历程，促进知识图式的构建，增大了关联认知负荷.

图5 伽利略理想实验

在实验教学中，通过情境的创设能引起学生注意，可以尝试使学生更加积极主动地参与到实验原理和过程的讲解中，帮助学生自主构建知识，完善知识结构，提高相关认知负荷，加强关联认知负荷，提高学习效率和质量.

4 总结

物理是一门以实验为基础的学科，在教学中应注重实验教学部分.认知负荷理论的提出给物理实验教学提供方向，在该理论的指导下，选择适当的实验器材，优化学习材料呈现方式，减少外在认知负荷；根据学生的认知水平，适度让其自主动手探究，降低理解知识上的困难，降低外在认知负荷；创设实验情境，帮助构建完整知识体系，加强关联认知负荷，使实验教学效果更高效更有质量.