認知負荷理論在物理實驗教學中的運用*

鄭蘭花 黃樹清

(福建師范大學物理與能源學院 福建 福州 350108)

實驗在物理教學中占據著重要地位，通過實驗教學，能夠讓學生了解物理學家科學探究的過程，加深對物理概念規律的理解.近年來隨著素質教育與核心素養的提出，許多中學教師開始越來越重視實驗教學，重視利用實驗提高學生科學素養.但是目前實驗教學還存在許多問題，如不夠合理利用資源輔助實驗教學；不夠認真鉆研教材去選擇恰當的實驗講授方式，不夠充分激發學生實驗探究欲望.為了能夠攻破這些問題，充分發揮實驗教學的作用，筆者根據認知負荷理論，從認知負荷3種分類角度分析實驗教學，并提出相應的教學措施改進實驗教學.

1 合理利用資源 減少外在認知負荷

外在認知負荷是由學習材料的組織形式和呈現方式引起的[1]，在實驗教學中主要體現在實驗器材的選擇與多媒體教學的設計.在認知負荷理論指導下，在實驗教學中教師應合理利用現有教學資源，優化材料的呈現方式，在實驗器材的選擇和多媒體的使用上有效減少外在認知負荷.

1.1 挑選合適器材

實驗教學中必不可少的就是實驗器材，實驗器材的選擇也是成功教學的關鍵.在實際教學中，教師往往不能夠針對性地選擇合適的器材，導致在課上演示實驗時，現象不夠直觀明顯，使得學生不能很好的直接獲取信息，增加外在認知負荷.因此，在挑選實驗儀器時要根據以下兩點：

(1)生活化，物理來源于生活，生活中的許多現象都需要物理知識解釋，實驗教學中,我們應利用這一優勢,注重與現實生活的緊密聯系,挖掘生活中與物理相關的素材或資源，將物理生活化[2]，增加親切感，熟悉物體的呈現能夠減少學生信息加工的難度，降低外在認知負荷.例如在“物體的浮與沉”這節課中，為了能夠讓學生明白改變液體密度就會改變物體的浮沉狀態，演示不同濃度鹽水中的雞蛋，往清水中不斷加鹽攪拌，可觀察到雞蛋由原來的下沉到懸浮在水中再到上升，最終處于漂浮狀態.如圖1，鹽和雞蛋都是生活中的常見物體，實驗涉及到的原理較為簡單即為生活常識——改變鹽水濃度即為改變液體的密度，通過演示這類實驗，能讓學生感受到生活與所學物理知識密切相關，降低學習物理的陌生感，使學生更容易接收知識，減少外在認知負荷.

圖1 物體的浮與沉實驗

(2)先進化，在實際實驗教學中，可以優先挑選一些較為先進的設備，能夠直觀地顯示實驗數據，免去數據處理的麻煩，視覺上的沖擊能使學生較快接收信息，降低外在認知負荷.例如在“超重與失重”一節中，為了能夠讓學生明白超重和失重的條件，往常教師都是舉電梯上升和下降的例子，通過身體反應來說明超重和失重狀態，但身體反應摻雜了主觀因素，且還需要轉換為物理語言，增加負擔，并不利于知識學習.因此在本環節可以設計實驗，讓學生站在壓力傳感器上站起和下蹲，同時在DIS系統中顯示每一時刻的壓力值.根據觀察每一時刻壓力值與重力作比較就可以說明超重和失重狀態，實時的數據顯示能減少接收信息上的障礙，減少了外在認知負荷，使學習更高效.運用較為先進的器材不僅可以激發好奇心，增加學生學習物理的興趣，同時也間接展示了物理儀器的先進性，為今后的學習打下基礎.

實驗器材多種多樣，教師要根據實際課程內容挑選器材.合適的器材不僅能吸引學生的注意力，更加關注實驗本身，而且能保證實驗呈現明顯的實驗現象，降低對學習策略的關注，減少外在認知負荷，提升實驗教學效果.

1.2 優化多媒體教學

運用多媒體教學是教師常用的現代化教學手段，在當前的教學中，個別教師沒有從學生的角度出發去精心設計多媒體教學方案，信息傳遞不流暢、學習材料呈現方式不對，造成了學生外在認知負荷增大[3].外在認知負荷過重，會增加學生學習壓力，使學生失去學習動力.

筆者研究發現運用多媒體技術將實驗講解變得具有條理化[4]，如圖2可以使學生清楚實驗探究的每個過程.講解實驗過程中，可將實驗過程中的一些重點畫面通過課件呈現，標記重點強調關鍵信息，加深學生對重點信息的關注，降低了外在認知負荷.如圖3以“探究彈力與彈簧伸長量之間的關系”為例，要讓學生動手實驗時，可在課件上呈現注意事項，減少實驗過程的盲目性，對學習目的更明確.運用多媒體能夠插入圖文或播放視頻，可化抽象為具體，將枯燥無味的實驗講解變得形象生動.實驗教學中，涉及到實驗儀器(如打點計時器)的講解時，將裝置圖配上各個部件的文字說明整合在一張課件中，同時使用文本與圖片會比單純的使用圖片效果更佳，這樣的呈現形式能夠使學生更直觀更深刻地了解儀器的各部分構造，學生能夠從文字與圖片上同時加工相關信息，有效擴大認知容量，減少學習者總的認知負荷.

圖2 實驗過程

圖3 彈力實驗及注意事項

教師要合理設計課件，減少冗余信息，直觀精確地呈現實驗內容，更高效地傳遞學習信息，減少外在認知負荷，提高教學效率.

2 自主動手探究 降低內在認知負荷

內在認知負荷是由所學教材內容本身的復雜程度所決定的，帶有固有性.物理知識本身就帶有難度，需要有較強的理性思維，學生在學習時內在認知負荷一般較高，因此,我們只能在設計時盡量降低難度.教師如果沒有合理設計教學方案，照搬書本知識講授實驗，就會占用較多的知識加工資源，增加內在認知負荷，阻礙學生學習.認知水平不同，相對難度也會不同，教師在設計實驗時要考慮到學生的認知水平，當實驗難度大時，內在認知負荷就會越高[5].內在認知負荷過高，就會導致學生學習困難.

實驗越復雜，涉及到的物理思想就越多，加工的要求就越高.進行實驗教學時，可適當地讓學生自己動手探索出實驗方案，降低實驗教學的難度，降低學生的內在認知負荷.在高中“探究滑動摩擦力大小與物體間壓力、接觸面的粗糙程度關系”這個實驗中，高中生有一定的自主探究能力，故可以給學生分發器材讓他們動手組裝，不斷探索出可行性高的實驗方案，要保證物體穩定且又能受到摩擦力，聯想到靜止物體也能受到摩擦力，且實驗時只要保證下面木板運動即可，為了便于讀數可通過滑輪將彈簧測力計掛于豎直方向，裝置如圖4所示.相比于直接呈現裝置講解實驗，讓學生動手探究，更能讓學生體會到實驗中包含的思想，降低學生理解實驗上的難度，有效地減少了內在認知負荷.

圖4 高中摩擦力實驗裝置圖

在教學中，通過深入分析教材，根據學生認知水平，適度讓學生動手探究，自主思考降低理解上的困難，降低內在認知負荷，促進知識的學習.

3 創設探究情境 增大關聯認知負荷

關聯認知負荷，是指學習過程中幫助圖式的構建和圖式自動化，對學習是有促進作用.在實驗教學中教師能否激發學生的學習熱情是關鍵，實驗能夠激發學習欲望，幫助學習者更好地掌握所學知識，形成圖式自動化，提高關聯認知負荷.如果教師不注意加強知識之間的聯系，學生會因無法將零散的知識具有邏輯性地關聯起來，圖式的構建遇到阻礙，降低關聯認知負荷.關聯認知負荷低，不能促進學生對知識的深層理解[6].

在實驗教學中，應創設實驗探究情境，讓學生多維度理解知識，幫助構建圖式.在牛頓第一定律一節中，為了讓學生能夠意識到亞里士多德觀點是錯誤的，往常教師都是口頭帶過伽利略理想實驗，缺乏真實體驗感，無法讓學生真正體會伽利略科學探究過程，只會讓學生被動地接受結論，不利于在知識間搭建橋梁，關聯認知負荷較低.為了能讓學生主動探索新知識，教師制作教具模擬理想實驗，如圖5所示，通過每次不斷減少右側斜面坡度，小球還是會沿斜面上升到與原來下落點等高的位置，直到右側變為水平面，小球因無法達到相同高度而一直滾下去，得出結論--力不是維持物體運動的原因，此過程讓學生體會到科學探究過程，見證了知識的發展歷程，促進知識圖式的構建，增大了關聯認知負荷.

圖5 伽利略理想實驗

在實驗教學中，通過情境的創設能引起學生注意，可以嘗試使學生更加積極主動地參與到實驗原理和過程的講解中，幫助學生自主構建知識，完善知識結構，提高相關認知負荷，加強關聯認知負荷，提高學習效率和質量.

4 總結

物理是一門以實驗為基礎的學科，在教學中應注重實驗教學部分.認知負荷理論的提出給物理實驗教學提供方向，在該理論的指導下，選擇適當的實驗器材，優化學習材料呈現方式，減少外在認知負荷；根據學生的認知水平，適度讓其自主動手探究，降低理解知識上的困難，降低外在認知負荷；創設實驗情境，幫助構建完整知識體系，加強關聯認知負荷，使實驗教學效果更高效更有質量.