基于認知負荷理論的阿基米德定律實驗設計

劉振武 胡銀泉

(江西師范大學物理與通信電子學院，江西 南昌 330022)

基于認知負荷理論的阿基米德定律實驗設計

劉振武 胡銀泉

(江西師范大學物理與通信電子學院，江西 南昌 330022)

本文對當前人教版教材中的阿基米德實驗進行了剖析,指出了4個方面的問題,為了改進阿基米德實驗的教學效果,筆者基于認知負荷理論,設計出兩個實驗,通過減少學生認知過程中的外在認知負荷,增加關聯認知負荷以促進認知圖式的生成,最終達到培養學生科學素養的目的.

認知負荷;阿基米德定律;實驗設計;浮力大小

阿基米德定律作為初中力學的重要內容,一直為教育專家和一線教師所重視.如何直觀、簡潔地設計實驗,是教育同仁們深切關注的問題.嘗試利用學生已經掌握的物理知識作為“先行組織者”,減輕學生的認知負荷,是筆者設計實驗的理念.

1 當前實驗所存在的問題

(1) 操作步驟復雜.就人教版而言,阿基米德定律的實驗步驟分為4步:[1]① 測量物體的重力; ② 測出該物體浸沒在溢水杯的水中所受的拉力; ③ 測出小桶和物體排開的水的總重力; ④ 測出小桶的重力.筆者認為,第4步應放在第1步后更具科學性.當然,這還不考慮學生多次實驗,記錄數據,分析數據并得出結論所需的步驟.如此多的步驟,從一定意義上講,學生容易將實驗當作應付任務,刻板的步驟容易打消學生主動探究的興趣.

(2) 實驗原理不夠明顯.該實驗的①、②步,很多學生不知其所以然,畢竟浸沒在水中的物體受重力、浮力、拉力3個力.為什么測力計減小的讀數就等于浮力的大小,大多數學生只存在一個模糊的認識.這對于定量地學習物理規律是非常不利的.

(3) 不具有動態演示的功能.該實驗不能隨意增加重物,不能動態地展示浮力與排出液體重力的關系.

(4) 實驗的受力分析超出了學生的認知負荷.學生前期只學習過二力平衡,而在本實驗的第2步實際上運用了三力平衡的知識.認知負荷理論指出,如果學習者所要加工的信息容量超出了學習者的工作記憶所能加工的信息容量,那么學習將變得無效.[2]這顯然會影響該實驗的教學效果.

2 實驗設計及教學策略

1988年,澳大利亞心理學家Sweller提出了認知負荷理論.該理論認為，認知負荷是指在一個特定的作業時間內施加于個體認知系統的心理活動總量.[3]學習的心理實質就是認知加工,認知加工就要占用主體的認知資源,就會形成認知負荷.認知負荷包括外在認知負荷、內在認知負荷和關聯認知負荷.外在認知負荷是由信息呈現的方式和學習者需要的學習活動所引起的.一般來說,教學活動中信息傳遞渠道不暢通、教學設計差、學習活動方式越復雜,所引起的外在認知負荷越大,學習的效率越低.內在認知負荷是由所學材料本身的復雜程度所決定的.只要學習材料的信息要素以及各信息間的交互作用是學習材料所固有的,那么,內在認知負荷就是固有的、穩定的.關聯認知負荷是學習過程中由于圖式的構建和規則自動化引起的.它使學習者的認知資源用于直接從事更高級的認知加工(如重組、抽象、比較和推理等),從而支持圖式的形成和構建,進而促進學習.簡而言之,認知負荷理論給教學帶來的啟示是:合理化內在認知負荷,盡量減少外在認知負荷,努力擴大關聯認知負荷,這樣才有利于學習.[4]

就阿基米德實驗的設計來說,實驗的步驟過于繁復,顯然增加了學生的外在認知負荷.又由于學生對三力平衡不夠熟悉,因此產生的關聯負荷較小.因此,學生的學習效率會大大降低.為了改變這種情況,筆者利用學生在前期已經學習的二力平衡知識和重力計算方式來增加關聯認知負荷,并通過重新設計實驗、精簡步驟來減小外在認知負荷,從而提高學生的學習效率.為了探究物體所受浮力與排開液體重力的關系可以先利用物體漂浮時物體所受浮力與重力平衡,通過改變重力大小,即可改變物體所受的浮力大小.本實驗為了方便學生操作和滿足動態演示的要求,采用砝碼作為實驗所用的物體.另一方面,通過電子秤或天平即可實時地測量排開液體的質量.通過G=mg公式即可求得排開液體的重力.

實驗器材:一套砝碼、溢水杯、平底小桶(或用透明塑料瓶底,里面用餐巾紙墊平代替)、電子秤(廚房用)、適量的水(如果用天平則需另一套砝碼).

實驗示意圖，如圖1所示.

圖1 阿基米德定律實驗圖

在開始實驗時,在溢水杯中倒入適量的水,并放上平底小桶,使其漂浮在水面上,然后慢慢加水使水面與溢水杯的管口相平.此時可用電子秤上的“去皮”功能,將電子秤示數清零.在實驗準備工作結束后,教師應該引導學生分析平底小桶和砝碼構成的整體的受力情況,整體的浮力與重力平衡.又由于事先已經將平底小桶產生的排開液體的質量在電子秤上清零,得出砝碼所受浮力即等于它的重力.

明確了實驗原理,學生就可以逐步增加砝碼,并完成表1(g=10N/kg).

表1 阿基米德定律實驗表

當然,這里只討論了物體漂浮時所受浮力與排開水的重力之間的關系,屬于不完全歸納.[5]那么,物體浸沒在液體中所受浮力與排開液體的重力有什么關系呢?下面實驗[6]可以證明此時浮力仍然等于G排.

圖2 測力計拉 水袋實驗圖

將一塑料袋(質量和厚度可忽略)裝滿水,用細繩系緊掛在彈簧測力計上,在塑料袋未浸入水之前,彈簧測力計有一示數.而當塑料袋完全浸沒在水中時,彈簧測力計的示數變為零(如圖2所示).

對于這一奇特的現象,教師可以引導學生對塑料袋中的水進行受力分析,得出F浮=G水.

很多學生在這一步之后就很難繼續了,這時,教師應該顯化分析比較的科學方法,找出F浮和G排之間的關系.分析就是將研究對象的整體分為各個部分、方面、因素和層次,并分別地加以考察的認識活動.分析的意義在于細致地尋找能夠解決問題的主線,并以此解決問題.比較是認識對象間的相同點或相異點的邏輯方法.它可以在異類對象之間進行,也可以在同類的對象之間進行,還可以在同一對象的不同方面、不同部分之間進行.這里,就可以先將G水和G排分解成幾個要素,然后進行比較.

首先,可以將G水寫成G水=ρ水gV.然后,可以將G排寫成G排=ρ水gV排.

通過比較,學生很容易發現上述兩式只有體積部分寫法不同,那么,二者相不相等呢?教師可以讓學生交流思考,從實驗現象和直接經驗中找尋答案.不難發現,任何物體在完全浸沒的狀態下,都有V排=V.最終,可以得到浸沒狀態下浮力仍然等于G排這個結論.

3 教學啟示

(1) 實驗教學的目的是為了探索真理,培養學生的科學素養.因此,實驗原理部分必須要學生清楚明白,這也就是回答了學生“為什么這樣做”的問題.通過二力平衡等知識的反復運用,本節實驗教學可以減輕學生的認知負荷,又有利于原有知識的鞏固.

(2) 實驗步驟應該簡潔、明了,突出實驗中的自變量和因變量.在本實驗中,利用砝碼可以直接求出物體的重力,進而得出浮力;利用電子秤可以實時地測量排開液體的質量,從而得出排開液體的重力.這就達到了突出重點的目的,以免學生在繁復的步驟中迷失,降低他們實驗的興趣.

(3) 在隱性課程中深化中國傳統文化的影響,從學生直接經驗出發更容易完成圖式的建構.本實驗設計之所以先用漂浮狀態的小桶,其作用其實與經典故事“曹沖稱象”中的小船類似,教師在教學中可以提到此點,引發學生對經典故事中蘊含的智慧進行思考.本實驗設計用電子秤代替傳統教學中的彈簧測力計,除了操作、讀數更簡易以外,另一方面是由于學生在現實生活中的超市、集貿市場、家庭等場景中對電子秤司空見慣,擁有大量的直接經驗,教師可以利用這些直接經驗引導學生更快地建構認知圖式.

(4) 在學生已有知識到得到新的結論的順應過程中,一旦學生出現認知困難,教師應該抓住契機,顯化科學方法,引導學生突破認知困難,并可讓學生交流學習后的感悟,加強對科學方法功能的認識,逐步提高科學方法在學生中的認同度,最終達到培養全體學生科學素養的目的.

1 人民教育出版社,課程教材研究所,物理課程教材研究開發中心. 義務教育教科書物理8年級下冊[M]. 北京:人民教育出版社,2012:53-55.

2 李志專. 認知負荷理論的解讀及啟示[J]. 煤炭高等教育,2009(01):50-52.

3 孫崇勇. 認知負荷的理論與實證研究[M]. 沈陽:遼寧人民出版社,2014: 4.

4 趙俊峰. 解密學業負擔 學習過程中的認知負荷研究[M]. 北京:科學出版社,2014: 3-8.

5 耿愛霞,陳清梅,邢紅軍. “阿基米德原理”的高端備課[J]. 課程教學研究,2014(07):35-36，70.

6 王榮根. 不同版本義務教育課標教材中“浮力”內容的比較[J]. 中學物理教學參考,2008(03):52-54.

2017-02-12)

本文受江西師范大學研究生創新基金項目“中學物理實驗創新設計”支持.