優化教學活動降低認知負荷

趙永忠

摘要：認知負荷理論告訴我們，認知負荷由內在認知負荷、外在認知負荷和相關認知負荷組成.教學活動中，學生內在認知負荷與教學材料的特點和學生的認知水平有關，外在認知負荷與教學材料的呈現方式和教學設計水平有關，相關認知負荷與學生的認知努力有關.初中物理的比熱容，是學生在生活中不易觸及的物理概念，又是一個比較抽象學生難以理解的概念.因此在比熱容學習中，學生認知負荷沉重.在教學中，老師只有優化教學活動，降低認知負荷，才能提高教學效果.

關鍵詞：比熱容；認知負荷；吸熱能力

比熱容是初中物理較為抽象的概念，它的外延廣，與質量、溫度的變化、吸收（或放出）的熱量三個物理量有關.初中學生第一次學習和三個物理量有關的概念，材料組織的無序和分析方式的多樣，使學生感覺學習過程特別復雜，毫無頭緒；同時，在建立比熱容概念的實驗過程中，參雜著加熱時間和溫度概念的混淆；理解比熱容時，又有升溫快慢及吸熱能力的辨析，再加上對學生前經驗要求比較高.所有這些，對初中生比熱容的學習造成了沉重的認知負荷.雖然學習材料引起的內在認知負荷是不可避免的，但在比熱容的教學中，如果老師認真研究各個知識元素的內在關系，認真研究學生的認知水平，優化教學設計，最大限度地降低阻礙學習的外在認知負荷、優化促進學習的相關認知負荷，促進學生對比熱容的內化和理解，不難達到理想的學習效果.下面談談在比熱容教學中，筆者降低認知負荷的教學體會：

1合理地問題引導展開探究

課程標準對比熱容的要求是：通過實驗，了解比熱容，嘗試用比熱容說明簡單的自然現象.真正掌握比熱容，就要從比熱容概念的理解入手，課本探究實驗就是為引入、理解比熱容概念而創設.因此課堂在展開探究時，應遵從學生認識，合理設計實驗，使探究和學生認識思維產生共鳴.

首先，實驗探究課題應恰當，問題接近學生，蘇科教材的探究課題“比較不同物質吸熱升溫現象”，比較貼近學生的生活，能激發學生解決問題的意識.而很多教材用“比較不同物質吸熱的情況”、“探究不同物質的吸熱本領一樣嗎？”、“探究物質的比熱容”等等作為探究課題，完全脫離了學生的生活實際，會大大挫傷學生探究的熱情，因為“吸熱問題”、“吸熱能力”、“比熱容”比較抽象，學生實際生活體驗是吸熱升溫的多少，對“吸熱能力”、“比熱容”等概念根本沒有感覺，雖然很多老師用生活中熟知的容器的橫截面等來類比，但學生思維轉換太多，加大了學生探究的難度，增加了學生內在認知負荷，不利于學生思維的順利發展.

其次，在實驗設計環節，應根據學生生活體驗，采用這樣的問題串引導：①生活中有吸熱升溫現象嗎？②燒水時，一壺水和半壺水哪個升溫更快？③燒水時，大火還是小火加熱水哪個升溫更快？④你認為“比較不同物質吸熱升溫現象”時，應如何控制物理量？⑤實驗時，吸收的熱量如何“測量”？前四個遞進式的問題，通過生活中燒水實例，讓學生為實驗的控制變量做鋪墊；第五個問題為理解教材介紹的轉換法而設，用相同的酒精燈分別對沙子和水加熱，這樣可認為在相等時間內被沙子和水吸收的熱量相等，我們用酒精燈加熱時間的長短來反映沙子和水吸熱的多少，即通過測量加熱時間間接“測量”吸收的熱量，這樣可避免學生在建構比熱容定義時，被加熱時間糾纏而誤入歧途.這樣的問題串，從學生生活出發，引導學生的思維自然、順利地進入探究模式.

2系統地組織素材建立概念

物質的比熱容反映了不同物質的吸熱能力，但學生對吸熱能力沒有真正的感知.在課堂教學中，教師若直接通過吸熱能力來建立比熱容概念，難以讓學生真正理解比熱容，無法激活學生學習興趣，導致教學氣氛沉悶，學生思維壓抑，學生只是木偶被老師牽引著完成教學，大部分學生無法對比熱容有真正的認識，更談不上理解.課堂教學應以學生生活體驗為基礎，既要能點燃學生探究學習的熱情，更要保護學生的這種熱情.所以教學要循序漸進，不能一個大跨度澆滅學生熱情的火焰.在比熱容概念建立時，可以分兩步走，即緊緊抓住比熱容的兩個特性展開教學.首先通過探究“比較不同物質吸熱升溫的現象”實驗，得出結論一：質量相等的不同物質，吸收相同的熱量，升高的溫度不同.即比熱容的第一特性：反映不同物質吸熱升溫的快慢.同時老師解釋“升溫快慢”的真實內涵，以免學生的思維固化在加熱時間上；然后討論三個問題：問題一，若要使質量相同的水、沙子升高相同的溫度，兩者加熱時間會有什么不同？問題二，此時水和沙子，誰吸熱多？誰吸熱能力強？學生不難得出對水加熱的時間長，水吸收熱量多，水吸熱能力強.這樣就得出結論二：質量相等的不同物質，升高相同的溫度，吸收的熱量不同.即比熱容的第二個特性：反映不同物質的吸熱能力.學生經歷了從熟悉的“吸熱升溫快慢”到“吸收熱量的多少”上升到“吸熱能力的強弱”，逐漸對比熱容有清楚的了解，為比熱容概念的建立提供了有力的保障.接著老師拋出第三個問題：不同質量的水和沙子（例如水2kg，沙子3kg），升高不同溫度（例如水升高2℃，沙子升高6℃），若吸收的熱量都是Q，吸熱能力一樣嗎？如何科學地比較不同物質的吸熱能力？學生自然有思考，即便思考的不完善，也能通過老師的點撥明白自己的缺陷加以糾正，這樣學生不僅了解了比值法定義的內涵，而且對比熱容有深刻的理解.在比熱容生活應用分析時，我們也不能滿足于 “水的比熱大”、“××的比熱容小”這樣無思維的答案，引導學生以兩個特性作為分析的基點：即從吸熱升溫快慢和吸熱能力強弱兩方面解釋.當學生的分析思路變得熟練，甚至成為一種直覺之后，比熱容概念就真正的理解了.

3科學地研讀教材優化設計

《比熱容》是一次較完整的探究活動，全面體現了課程標準對探究活動的過程要求，不僅涉及實驗的設計、裝置的選取、操作時組員間的分工與合作等等實驗細節，同時又要通過實驗數據定義比熱容，理解比熱容.教學內容多，內涵深、思維活，因此教材這種課程資源提供給教師的創造空間很廣闊，老師如能在深刻領會《課程標準》的基礎上，科學地研讀教材，對教材進行擴充、取舍和重組，優化課堂，也一定可以降低學生課堂認知負荷.

為讓學生理解比熱容的概念，蘇科版教材對實驗數據的處理，采用了圖像分析的方法，這樣固然提供給學生一種處理數據的方法和手段，但就本課的教學特點，這不是一種明智的選擇.首先，這樣教材處理成效不顯著.實際教學中，由于熱量的損失明顯，沙子的受熱不均勻，學生操作不熟練等等，使得到的溫度——時間的圖像不是理想的直線，用這樣圖像分析就失去了它的價值，甚至由于直觀的圖像，還讓學生對比熱容產生錯誤認識；其次，偏離了本課的重點.雖然描點畫圖是學生的一個基本技能，但不宜在本課鞏固，本課的教學重點是通過實驗認識比熱容，用比熱容解釋生活現象.比熱容的課堂動腦應多于動手，應多留時間給學生思考、理解概念，讓學生認識比值法定義比熱容的思維過程，多解決學生思維中的困惑.教學中可采用這樣的方式：用表格數據分析得出兩結論，建立概念；用圖像認識比熱容特性.實驗中，沙子很難得到理想的圖像，但水溫變化的圖像很理想.因此，在準備實驗材料時，將全班同學分成八個小組.實驗前，精心為每個小組選擇火焰大小基本相同的酒精燈；盛水和沙子的易拉罐型號相同而且質量相同；四個小組水和沙子質量均為100g；另四個小組水和沙子質量均為200g；老師在電腦中設置好eTPel畫圖模板.將學生100g水和200g水加熱時溫度變化的數據填入eTPel的表格，這時可立即生成如圖1所示的圖像（這是本人上課時選取的兩組學生實驗數據）.從圖像發現：質量相同的水升高的溫度和加熱時間（即吸收的熱量）成正比；升高相同的溫度，200g水吸收的熱量約是100g水吸收熱量的兩倍.說明對于水，不管質量相同還是不同，升高溫度相同還是不同，Q/（m·Δt）是一個定值，即同種物質的比熱容相同，與質量、升高溫度和吸收的熱量無關.

認知負荷理論告訴我們：影響認知負荷的基本因素有三個，即學習材料的組織和呈現方式、學習材料的復雜性和個體的專長水平（即先前知識經驗）.比熱容教學中，教師通過合理地問題引導、系統地組織素材、科學地研讀教材，優化了教學材料呈現方式，將教材特點與學生認知水平融合，激發學生學習動機，控制內在認知負荷，降低外在認知負荷，提高相關認知負荷，促使學生合理地利用有限的認知資源，就能達到較好的學習效果.如果教師在平時教學中，能不斷分析學生的認識負荷，降低身段，從學生角度來思考，優化教學活動，這必然可以降低學生認知負荷，使學生學得輕松愉快.

參考文獻：

[1]李志專.認知負荷理論的解讀及啟示[J].煤炭高等教育，2009，（1）.

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