认知负荷理论下的高中物理概念教学研究

郑锴

摘 要：认知负荷是指人的认知储存达到或超过自身极限后，在一项任务上花的时间越多，其完成任务所需的认知资源就越少的一种状态。结合这一理论，现代教育观念发生了很大的变化，教学的重心从注重知识的传授转变为学生能力和素质的培养，以免学生认知超负荷。因此在高中物理概念教学中教师要注意这一点，这样才能有效提高学生对物理概念的理解程度和应用能力。本文将根据认知负荷理论展开研究，提出高中物理概念教学的策略，望能提供参考帮助。

关键词：认知负荷理论；高中物理概念教学；高中学生

从20世纪80年代以来，认知负荷理论被广泛应用于教育领域，在对学生学习过程进行研究时发现，学生在学习过程中会产生不同的认知负荷，并随着学生认知水平的提高而增加。在此基础上，如果教学中学生经常进入认知负荷状态，其学习效率就会大幅提升，最终成果也会不理想，因此在高中物理课堂上，物理教师要重视学生认知状态，并根据学生认知水平设计合适的教学内容、合理安排教学进度、适当调整教学策略等来提高学生对概念理解和掌握的效果。出于这一目的，有必要展开相关研究。

一、明确概念的内涵，正确理解物理概念

高中物理概念的建立是一项十分复杂的工作，其中涉及大量的科学概念。如果学生不能对这些物理概念有一个明确的认识，就无法正确理解其中的内涵，无法有效提高学生学习物理知识的能力和水平。教师在高中物理概念教学中要注重对物理概念的内涵进行明确，并引导学生掌握正确理解物理概念的方法和技巧[1]。例如：在讲“直线运动”这一知识点时，教师首先要让学生对“直线运动”这一概念进行明确。教师可以向学生提出这样一个问题：“当你从一个地方走到另一个地方时，你会发现这两个地方之间存在很大的距离，这种现象我们称之为直线运动。在这种情况下，你会发现直线运动是怎么产生的呢？”学生回答道：“直线运动产生于两个物体之间发生碰撞之后”，教师继续引导道：“假设两个物体在相同的时间内以相同的速度分别从两个方向同时向前运动，然后再以相同的速度从同一个方向回到原来的位置。这种现象我们称之为直线运动。”学生听完之后纷纷表示赞同：“两个物体在同一时间内从不同方向同时向前运动就是直线运动。”教师这时进一步引导学生：“从这两个例子我们可以看出，在上述两个例子中都有一个共同的特征，那就是它们都是通过碰撞而产生出来的。”在学生对这一概念有了明确认识之后，教师可以向学生介绍直线运动产生的条件和过程。学生对此概念有了清晰明确的认识之后就可以更好地理解和掌握物理概念。

从碰撞产生直线运动的条件来看，学生需要知道是什么情况下才会发生碰撞，具体的碰撞过程如何，这一概念的内涵就是“两个物体之间发生碰撞之后才会产生直线运动”。如果学生在学习过程中无法将物理概念的内涵和外延准确理解，就会对学习物理知识造成极大的阻碍。例如：教师在讲“惯性”这一概念时，就需要将其内涵和外延进行准确的描述。教师可以这样向学生进行讲解：“所谓惯性，就是指物体在做某一件事时不需要任何外界的作用，也能够保持自身原有的运动状态。从这一角度来看，物体在做某一件事时不需要外力的作用就能够保持自身原有的运动状态，这种现象称之为惯性。”在学习这一概念时，学生要想对其内涵和外延有一个充分的认识，就需要教师对其进行讲解和说明。学生只有将概念的内涵和外延进行准确理解，才能在此基础上有效提高自身学习物理知识的能力和水平。只有这样，才能使学生真正掌握好物理概念[2]。

从直线运动的过程来看，学生需要知道两个物体在同一时间内是如何先后完成直线运动的，也就是说学生要对“同时”有一个明确的认识，具体指的是哪两个物体同时发生运动。

此时，教师可以通过多媒体向学生展示出一张白纸和一根绳子，让学生仔细观察其中的信息。这时，学生可以发现在两个物体相对静止的状态下，当其中一个物体向后运动时，另一个物体也会跟随着向前运动；当其中一个物体向前运动时，另一个物体也会跟着向后运动。这时教师就可以引导学生说出：“当一条直线上的两个物体同时运动时，它们之间的距离就是它们运动的距离。由此可知，我们在判断两个物体之间是否存在同时运动现象时要根据它们的相对位置进行判断。”在学生对这一概念有了明确认识之后，教师再向学生介绍“同时”这个概念，学生就可以更加直观地理解其含义。教师还可以引导学生说出：“如果两个物体同时以相同的速度从两个方向同时向前运动，然后再以相同的速度回到原来的位置时，这两个物体之间的距离就是它们运动的距离。”

二、注重情境创设，减轻学生认知负荷

认知负荷理论认为，如果一项任务所需的认知资源越少，那么任务的难度越低，学生完成任务的可能性就越高；反之，如果一项任务所需的认知资源越多，那么完成任务的可能性就越低，学生完成任务的可能性就越低。所以在高中物理教学中，教师要根据学生的学习水平和实际情况创设情境来吸引学生积极主动参与到学习活动中来[3]。

在实际教学过程中，教师要创设多样化的情境来激发学生学习兴趣，以此来提高学生学习积极性和主动性。教师可以从以下两个方面来进行情境创设：首先是从物理概念出发，让学生通过观察实验、实际操作、体验等方式来感受物理概念形成的过程；其次是通过引导学生积极思考来提出问题并进行探究，最终达到掌握物理概念和解决实际问题的目的。在物理教学过程中，教师要积极引导学生开展自主学习活动，并在此过程中培养学生解决问题和應用知识的能力[4]。例如：在教授“质点”这一概念时，教师可以让学生通过观察生活中常见物体来总结出：当物体的质量比较小时，它会受到周围其他物体的引力而保持静止状态；当物体质量较大时，它会受到周围其他物体的弹力作用而保持匀速直线运动状态；当物体质量比较大时，它会受到周围其他物体的摩擦力作用而保持匀速直线运动状态。在此基础上让学生对“质点”这一概念进行深入理解和探究。首先教师可以让学生拿出一个质量较大的圆柱体模型来观察其内部结构和运动状态；然后引导学生将圆柱体上表面靠近侧面的位置剪开；之后在圆柱体底部切下一个和其等高大小的长方体来进行观察；最后再让学生将长方体上表面沿着圆柱体内部边缘剪开。这样学生就可以对“质点”这一概念有了更深刻的理解。

在进行“匀变速直线运动”这一概念教学时，教师可以先引导学生对“匀变速直线运动”这一概念进行深入思考，在此基础上让学生根据实验现象进行探究和分析。例如：教师可以让学生拿出一个质量为1kg、长度为1m的木块；然后将木块竖直地放在桌面上，并让其以一定的初速度（约为3m/s）水平移动；接着教师再将木块移到桌子对面的面上，让其继续以相同的速度移动；最后再将木块移回桌面并再次进行同样的实验。通过这样的实验现象和探究过程，学生就可以发现木块在下落过程中速度是不断变化的，并且其加速度也在不断变化。当木块再次从桌面上移到桌面时速度逐渐变小，最后木块再次从桌面上移回桌面时速度又逐渐变大。通过这样的实验现象和探究过程，学生就可以更深刻地理解“匀变速直线运动”这一概念。

另外，教师还可以通过“能量”这一概念来让学生进行探究和分析。在对“能量”这一概念进行教学时，教师可以先让学生使用物理模型来进行实验操作。例如：在教授“动能定理”时，教师可以让学生用小球制作一个简易的小车模型。然后将小车放在桌子上并固定好，使其处于平衡状态；接着教师让学生从桌子上拿起一根绳子并将其用力拉向小车，然后让学生松开手让小车沿着绳子匀速移动；最后教师将小球放在小车上并将其固定住。在此基础上，教师再要求学生思考如果不给小球提供额外能量会发生什么现象？通过这样的情境创设，学生就能更好地理解“能量”这一概念。

三、利用新旧知识的联系，有效把控认知负荷

学生在学习物理知识时，经常会出现不同的认知负荷，主要是因为学生对新旧知识的掌握程度不同，因此学生在学习新知识时就会产生认知负荷。高中物理教师在教学过程中，要合理利用新旧知识之间的联系，使学生通过新旧知识之间的联系来有效把控认知负荷[5]。

例如：教师在教学“牛顿定律”时，要让学生先对牛顿定律有一个深刻理解，并将其与运动学这一知识点结合起来进行学习。教师在教学过程中可以让学生用类比的方法来更好地理解牛顿定律。在讲解“牛顿定律”时，教师可以将其与运动学这一知识点联系起来，让学生对运动学有一个更深层次的认识。同时，教师还可以利用新旧知识之间的联系来帮助学生更好地理解运动学这一知识点。

假设在物理教学过程中，学生经常会出现不理解匀速直线运动这一知识点的情况。学生在学习匀速直线运动这一知识点时，一般都是先学匀变速直线运动这一知识点，因此学生在学习匀速直线运动这一知识点时就会产生一定的认知负荷。但是学生在学习新知识时，教师要注意新知识与旧知识之间的联系，这样就能帮助学生更好地理解新知识，有效控制学生的认知负荷。在学习“匀速直线运动”这一知识点时，教师可以通过类比的方法来帮助学生理解：匀速直线运动是一个过程量，而匀变速直线运动则是一个瞬时量。然后教师再向学生讲解：“我们可以先将匀速直线运动看作一个过程量，然后再将匀变速直线运动看作瞬时量”。这样通过引导学生进行类比的方法，学生就可以更好地理解“匀速直线运动”这一知识点。又或者以“惯性”为例，教师在讲解“惯性”这一概念时，可以引导学生将“惯性”与“质点”这一知识点联系起来，这样学生就会发现惯性其实就是质点。那么在讲解“质点”这一知识点时，教师可以先引导学生理解物体受到的合外力为零这个概念，然后再将物体受合外力为零与物体不受合外力为零进行对比，这样学生就会发现惯性其实就是质点不受合外力为零这个概念。由于“质点”这一知识点是在新旧知识之间进行类比的，所以学生在学习完这一知识点后，就能把握住新旧知识之间的联系，有效把控认知负荷[6]。

四、丰富教学内容，提高学生学习兴趣

物理概念的教学是物理教学的基础，它不仅是教师进行概念教学的重要途径，也是学生学习物理知识的重要途径，更是培养学生综合素质的主要方式。教师在进行物理概念教学时要结合学生实际情况，在深入分析教材内容的基础上，不断丰富物理概念的内容，并通过合理的问题情境来激发学生的学习兴趣和积极性[7]。这样不仅能够帮助学生有效提高学习效率，还能够促进学生知识掌握能力、思维能力和创新能力的发展。

目前，高中物理教师在教学中提出的教学内容大多来源于课本，因此教学内容比较枯燥乏味，且具有理论化的特征，不利于学生学习兴趣发展，这种状态下学生就容易陷入认知负荷的状态，因此教师要丰富教学内容。以“重力”这一物理概念为例，在高中物理学习过程中，“重力”是一个非常重要的知识点，学生只有对力有一个深刻理解，才能更好地掌握其他知识点。教师在教学“重力”这一知识点时，除了可以讲解课本上的理论知识，还可以示范一次“重力实验”，即可以先将一根绳子从高处甩下来，让学生观察一下重力的作用效果，然后让学生模仿这个实验过程，按照自身的兴趣，活用身边的工具自主完成“重力实验”，通过这种方式不仅丰富了教学内容，还使得高中物理概念教学的实践性提升，因此能提升学生兴趣，避免学生进入认知负荷状态[8]。

结束语

综上所述，在物理概念教学中，教师需要遵循学生认知发展规律，在知识的衔接和转化上，做到循序渐进、螺旋上升。在知识呈现的方式上，要遵循由具体到抽象的认知规律，使学生对物理概念有一个清晰的认识。在知识讲解的过程中，要充分考虑学生已有知识和学习经验，合理设置概念教学的难度梯度。在概念理解上，要充分考虑学生已有知识经验和认知水平，并根据学生现有认知水平进行教学设计。

参考文献

[1]高成军.单元大概念视域下融合教学突破物理概念教学难点：以“加速度”教学为例[J].物理教师，2023，44（2）：17-20.

[2]李春来，杨慧.基于深度学习的知识建构和问题解决过程：“真实物理”教学法在概念教学中的运用[J].中学物理，2023，41（5）：25-28.

[3]居津.指向核心素养的事例类物理概念“体验课堂”教学案例分析：以“曲线运动”教学案例为例[J].物理教师，2023，44（4）：23-27.

[4]颜文萱，王强.思维导图辅助高中物理大概念的可视化建构：以“曲線运动”单元复习为例[J].中学物理教学参考，2023，52（12）：1-5.

[5]谢立，李向龙，周佩佩，等.基于审辩式思维的物理概念课论证教学初探：以“冲量”概念的建立为例[J].中学物理，2023，41（9）：41-44.

[6]王曦，桑芝芳.基于大概念的高中物理单元教学设计：以电磁学中“场”的自主单元为例[J].中小学教材教学，2023（5）：64-70.

[7]王志芳.注重物理概念建构 促进学生思维发展：以高三“电源电动势”专项突破教学为例[J].物理教学探讨，2023，41（5）：74-80.

[8]忻贤灏，邓志文.基于学习进阶理论的物理教学单元设计实践探索：从课时设计走向单元设计[J].中学物理，2023，41（11）：10-15.