高中物理“閉合電路歐姆定律”認(rèn)知負(fù)荷分析及教學(xué)設(shè)計(jì)

李林靜 錢(qián)長(zhǎng)炎 譚小鳳

(安徽師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院 安徽 蕪湖 241002)

“閉合電路歐姆定律”不僅是部分電路歐姆定律的延伸，還是整個(gè)電路部分的中心內(nèi)容，更是學(xué)生學(xué)習(xí)復(fù)雜電路分析的基礎(chǔ)，在整個(gè)電路知識(shí)體系中起著承上啟下的重要作用.如何在學(xué)科核心素養(yǎng)目標(biāo)的指導(dǎo)下，促進(jìn)學(xué)生對(duì)于“閉合電路歐姆定律”的理解，一直以來(lái)備受廣大物理教育研究者和高中物理教師的關(guān)注.

認(rèn)知負(fù)荷理論是在現(xiàn)代認(rèn)知心理學(xué)研究的成果基礎(chǔ)上提出的一種促進(jìn)教學(xué)設(shè)計(jì)的理論，致力于根據(jù)工作記憶的特點(diǎn)開(kāi)發(fā)和優(yōu)化教學(xué)程序.因此，教師可以將認(rèn)知負(fù)荷理論應(yīng)用于“閉合電路歐姆定律”教學(xué)的主要環(huán)節(jié)中，通過(guò)創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境、類(lèi)比建構(gòu)支架、設(shè)計(jì)探究實(shí)驗(yàn)和教學(xué)樣例等一系列教學(xué)活動(dòng)，從而減輕學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷，提高教學(xué)的有效性.

1 認(rèn)知負(fù)荷理論概述

認(rèn)知負(fù)荷理論是由澳大利亞教育心理學(xué)家約翰·斯威勒(John Sweller)于20世紀(jì)80年代首先提出，他認(rèn)為認(rèn)知負(fù)荷是指?jìng)€(gè)體在信息加工和處理的過(guò)程中，在一個(gè)特定的作業(yè)時(shí)間內(nèi)施加于個(gè)體心理系統(tǒng)的心理活動(dòng)總量[1].學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)過(guò)程中的認(rèn)知負(fù)荷主要有3種來(lái)源：內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷、外在認(rèn)知負(fù)荷和關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷[2].3種認(rèn)知負(fù)荷彼此獨(dú)立且具有累加性，可以疊加構(gòu)成總的認(rèn)知負(fù)荷，認(rèn)知負(fù)荷的橫向分類(lèi)圖如圖1所示.

圖1 認(rèn)知負(fù)荷的橫向分類(lèi)

內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷由學(xué)習(xí)材料的復(fù)雜程度決定，當(dāng)學(xué)習(xí)材料具有高元素交互性而學(xué)習(xí)者又未充分掌握適宜的圖式時(shí)會(huì)出現(xiàn)較高的內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷.外在認(rèn)知負(fù)荷由學(xué)習(xí)材料的呈現(xiàn)方式和學(xué)習(xí)者需要參與的學(xué)習(xí)活動(dòng)決定，教學(xué)材料不恰當(dāng)?shù)某尸F(xiàn)方式以及不合適的教學(xué)活動(dòng)都會(huì)導(dǎo)致外在認(rèn)知負(fù)荷增加.關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷是指與促進(jìn)圖式構(gòu)建和圖式自動(dòng)化過(guò)程相關(guān)的負(fù)荷.因此，有效教學(xué)設(shè)計(jì)應(yīng)基于學(xué)習(xí)者的認(rèn)知規(guī)律，盡量減少外在認(rèn)知負(fù)荷，同時(shí)增加關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷，并且將總的認(rèn)知負(fù)荷控制在學(xué)習(xí)者工作記憶所能承載的范圍之內(nèi)[3].

2 高中物理“閉合電路歐姆定律”認(rèn)知負(fù)荷分析

根據(jù)認(rèn)知負(fù)荷理論，學(xué)生在學(xué)習(xí)“閉合電路歐姆定律”這節(jié)內(nèi)容時(shí)往往困難重重，具有較高的內(nèi)在、外在認(rèn)知負(fù)荷.究其原因，主要體現(xiàn)在以下4個(gè)方面：

(1)電動(dòng)勢(shì)、內(nèi)阻和非靜電力等物理概念較為抽象，學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)對(duì)內(nèi)電路認(rèn)識(shí)模糊，對(duì)電源內(nèi)阻的存在感到困惑，對(duì)非靜電力做功的過(guò)程難以理解[4].因此，這是源于知識(shí)本身的內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷.

(2)“閉合電路歐姆定律”的推導(dǎo)過(guò)程囿于數(shù)學(xué)形式的表征，需要運(yùn)用焦耳定律和能量守恒定律進(jìn)行推導(dǎo)，并通過(guò)演繹推理得出結(jié)論，學(xué)生難以深入理解“閉合電路歐姆定律”的本質(zhì)，具有較高的外在認(rèn)知負(fù)荷.

(3)“閉合電路歐姆定律”是一個(gè)基于實(shí)驗(yàn)的科學(xué)發(fā)現(xiàn)的過(guò)程，并非是一個(gè)演繹推理的結(jié)果[5].然而，教科書(shū)中沒(méi)有設(shè)計(jì)相關(guān)的探究實(shí)驗(yàn)，學(xué)生缺乏直接經(jīng)驗(yàn)感知和相應(yīng)的認(rèn)知過(guò)程，這顯然會(huì)影響學(xué)生的學(xué)習(xí)效果.

(4)教科書(shū)中沒(méi)有編排相關(guān)的教學(xué)樣例，學(xué)生缺乏存儲(chǔ)在長(zhǎng)時(shí)記憶中的問(wèn)題解決的圖式，不能熟練運(yùn)用“閉合電路歐姆定律”解決問(wèn)題.學(xué)生處于被動(dòng)學(xué)習(xí)狀態(tài)，進(jìn)而無(wú)法增加關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷．

3 高中物理“閉合電路歐姆定律”教學(xué)的主要環(huán)節(jié)及實(shí)施建議

根據(jù)上述對(duì)高中物理“閉合電路歐姆定律”認(rèn)知負(fù)荷的分析，我們結(jié)合學(xué)生已有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)以及工作記憶的特點(diǎn)，對(duì)“閉合電路歐姆定律”一節(jié)內(nèi)容的教學(xué)流程設(shè)計(jì)如圖2所示.

圖2 高中物理“閉合電路歐姆定律”教學(xué)流程圖

3.1 創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境 引入電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻的概念

在義務(wù)教育階段，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了部分電路的歐姆定律，掌握了電壓、電流和電阻的概念.然而，學(xué)生存在著錯(cuò)誤的前概念，認(rèn)為電源無(wú)內(nèi)阻，電動(dòng)勢(shì)就是電壓[6].為了改變學(xué)生錯(cuò)誤的前概念，教師可以創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境，使學(xué)生產(chǎn)生認(rèn)知沖突，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，掌握電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻的概念.

問(wèn)題情境：教師設(shè)計(jì)了如圖3所示的3個(gè)實(shí)驗(yàn)教具，其中圖3(a)的電源E1為兩節(jié)全新的1.5 V干電池串聯(lián)組成電池組，圖3(b)和(c)的電源E2和E3均為3 V的恒壓電源，小燈泡的額定電壓均為3 V.教師依次閉合圖3(a)和(b)中的開(kāi)關(guān)，小燈泡的亮度逐漸變暗，電壓表V1和V2的示數(shù)減小.依次閉合圖3(c)中的開(kāi)關(guān)，小燈泡的亮度不變，電壓表V3的示數(shù)不變.這引發(fā)了學(xué)生激烈的討論，并猜想原因.

學(xué)生猜想：圖3(a)的電源E1內(nèi)部存在著一個(gè)類(lèi)似于圖3(b)中的電阻R，當(dāng)逐一閉合支路開(kāi)關(guān)，小燈泡兩端的電壓減小，因此小燈泡會(huì)逐漸變暗.圖3(c)的電源E3相當(dāng)于一個(gè)理想電源，因此小燈泡的亮度不變.

圖3 小燈泡亮度實(shí)驗(yàn)電路圖

設(shè)計(jì)意圖：?jiǎn)栴}情境能夠幫助學(xué)習(xí)者在較為真實(shí)的情境中解決問(wèn)題，激發(fā)學(xué)生持續(xù)探索的興趣，喚醒學(xué)生長(zhǎng)時(shí)記憶中的有關(guān)圖式或知識(shí)，完成對(duì)知識(shí)的意義建構(gòu)[7].教師可以通過(guò)該實(shí)驗(yàn)，引入內(nèi)阻和電動(dòng)勢(shì)的概念，使學(xué)生較為直觀地感受到電源內(nèi)阻的存在，減少了外在認(rèn)知負(fù)荷，培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)思維，提高了學(xué)習(xí)效率.

3.2 類(lèi)比建構(gòu)支架 探究非靜電力做功及能量轉(zhuǎn)化

通過(guò)上述的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生已經(jīng)初步了解了電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻的概念，但是學(xué)生在理解電源內(nèi)部非靜電力做功仍存在一定的困難，具有較高的內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷.教師可以類(lèi)比建構(gòu)支架，結(jié)合表1幫助學(xué)生理解非靜電力的概念、非靜電力做功的過(guò)程和特點(diǎn).

表1 3種做功情況過(guò)程分析及能量轉(zhuǎn)化

在學(xué)習(xí)本節(jié)內(nèi)容之前，學(xué)生已經(jīng)熟悉靜電力做功，也很熟悉功能關(guān)系，對(duì)非靜電力做功較為陌生[8].因此，教師可以先講授學(xué)生較為熟悉的小朋友搬運(yùn)小球的能量轉(zhuǎn)化過(guò)程和人工瀑布的工作原理，再引出非靜電力的概念，重點(diǎn)分析非靜電力做功與電勢(shì)能的變化，非靜電力做功與其他形式能量的變化.

設(shè)計(jì)意圖：教師通過(guò)類(lèi)比建構(gòu)支架，旨在喚醒、激發(fā)學(xué)生投入與圖式建構(gòu)和圖式自動(dòng)化相關(guān)的認(rèn)知活動(dòng)，在一定程度上增加了學(xué)生的關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷，幫助學(xué)生理解非靜電力做功與其他形式能量的變化，培養(yǎng)學(xué)生的能量觀念.

3.3 通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究 理論推演“閉合電路歐姆定律”

通過(guò)上述學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)掌握了內(nèi)阻、電動(dòng)勢(shì)的概念以及非靜電力做功的過(guò)程和特點(diǎn).有研究者指出，教師可以通過(guò)重新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、精簡(jiǎn)實(shí)驗(yàn)步驟，從而減小外在認(rèn)知負(fù)荷，加深學(xué)生對(duì)物理概念和規(guī)律的理解[9].因此，教師可以自制實(shí)驗(yàn)裝置，師生共同探究，建立“閉合電路歐姆定律”，幫助學(xué)生理解定律的內(nèi)容和數(shù)學(xué)表達(dá)式.

我們參考了已有研究者設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，如圖4所示[10].

圖4 可樂(lè)電池結(jié)構(gòu)圖

首先，教師可以將全班學(xué)生分為幾個(gè)小組，請(qǐng)小組學(xué)生相互交流并猜想閉合電路內(nèi)電路電壓和外電路電壓的關(guān)系.然后，通過(guò)調(diào)節(jié)電阻箱改變外電阻，通過(guò)E向C，D板間的液面吹氣改變內(nèi)阻.多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生觀察電壓表V1和V2示數(shù)的變化并在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表中記錄數(shù)據(jù).最后，由小組成員共同分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，電源的電動(dòng)勢(shì)等于閉合電路的內(nèi)、外電壓之和.在此基礎(chǔ)上，啟發(fā)學(xué)生利用部分電路歐姆定律,推演“閉合電路歐姆定律”，推演過(guò)程如下.

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得

E=U外+U內(nèi)

由部分電路的歐姆定律可得

U外=IRU內(nèi)=Ir

因此

E=IR+Ir

整理后可得

學(xué)生在推演“閉合電路歐姆定律”時(shí)，教師要充分發(fā)揮學(xué)生的主體作用，使學(xué)生經(jīng)歷數(shù)據(jù)分析和基于證據(jù)發(fā)表見(jiàn)解等過(guò)程，培養(yǎng)學(xué)生歸納推理、合作交流的能力和實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度[11].

設(shè)計(jì)意圖：根據(jù)集體工作記憶效應(yīng)，當(dāng)學(xué)習(xí)材料的難度較大時(shí)，集體學(xué)習(xí)效果有可能會(huì)優(yōu)于個(gè)體學(xué)習(xí)[12].教師通過(guò)自制實(shí)驗(yàn)裝置，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，學(xué)生小組之間相互交流討論，提高了學(xué)生的集體記憶.教師利用部分電路歐姆定律推演“閉合電路歐姆定律”，基于學(xué)生已有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，利用已有認(rèn)知結(jié)構(gòu)中的固著點(diǎn)，簡(jiǎn)化了數(shù)學(xué)推導(dǎo)的過(guò)程，減少了外在認(rèn)知負(fù)荷，加深了學(xué)生對(duì)于“閉合電路歐姆定律”的理解.

3.4 設(shè)計(jì)教學(xué)樣例 幫助學(xué)生鞏固提升

根據(jù)可樂(lè)電池的探究實(shí)驗(yàn)，學(xué)生已經(jīng)推導(dǎo)了“閉合電路歐姆定律”的表達(dá)式，但不能熟練運(yùn)用定律解決問(wèn)題.因此，教師可以通過(guò)典型例題，向?qū)W生展示完整的解題步驟，并設(shè)計(jì)變式題讓學(xué)生進(jìn)行訓(xùn)練，從而強(qiáng)化學(xué)生對(duì)“閉合電路歐姆定律”的應(yīng)用，典型例題和變式例題如下所示.

【典型例題】在圖5中，R1=9 Ω，R2=5 Ω.當(dāng)單刀雙擲開(kāi)關(guān)S撥到位置“1”時(shí)，電壓表的示數(shù)U1=2.70 V；當(dāng)S撥到位置“2”時(shí)，電壓表的示數(shù)U2=2.50 V.求電源的電動(dòng)勢(shì)E和內(nèi)阻r(電壓表內(nèi)阻可視為無(wú)窮大).

圖5 典型例題電路圖

教師解析過(guò)程：由閉合電路歐姆定律可得

當(dāng)開(kāi)關(guān)S撥到位置“1”時(shí)

當(dāng)開(kāi)關(guān)S撥到位置“2”時(shí)

以上兩式代入數(shù)據(jù)并聯(lián)立得

E=3 Vr=1 Ω

【變式題】在圖6中，R1=14 Ω，R2=9 Ω.當(dāng)單刀雙擲開(kāi)關(guān)S撥到位置“1”時(shí)，電流表示數(shù)I1=0.2 A；當(dāng)S撥到位置“2”時(shí)，電流表示數(shù)I2=0.3 A.求電源的電動(dòng)勢(shì)E和內(nèi)阻r.

圖6 變式例題電路圖

學(xué)生解析過(guò)程：由閉合電路歐姆定律可得

當(dāng)開(kāi)關(guān)S撥到位置“1”時(shí)

E=I1R1+I1r

當(dāng)開(kāi)關(guān)S撥到位置“2”時(shí)

E=I2R2+I2r

以上兩式代入數(shù)據(jù)并聯(lián)立得

E=3 Vr=1 Ω

設(shè)計(jì)意圖：根據(jù)樣例效應(yīng)，在處理復(fù)雜認(rèn)知任務(wù)時(shí)，如果向?qū)W習(xí)者提供已經(jīng)解答的問(wèn)題樣例，則能有效地提升學(xué)習(xí)者解決問(wèn)題的能力[12].教師通過(guò)樣例的講解，為學(xué)生提供了存儲(chǔ)在長(zhǎng)時(shí)記憶中的問(wèn)題解決圖式.學(xué)生在解答變式題時(shí)，通過(guò)教學(xué)樣例有效地促進(jìn)了知識(shí)的遷移和應(yīng)用，增加了關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷，強(qiáng)化了學(xué)生對(duì)“閉合電路歐姆定律”的應(yīng)用，促進(jìn)了科學(xué)思維的發(fā)展.

3.5 課堂小結(jié) 拓展思考

在教師的引導(dǎo)下師生共同回顧本節(jié)課的內(nèi)容,重點(diǎn)鞏固總結(jié)電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻的概念、非靜電力做功及能量轉(zhuǎn)化、“閉合電路歐姆定律”的探究實(shí)驗(yàn).此外,為進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維,教師布置課后問(wèn)題啟發(fā)學(xué)生思考:如何測(cè)量可樂(lè)電池的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻？

4 總結(jié)與啟示

通過(guò)將認(rèn)知負(fù)荷理論應(yīng)用于高中物理“閉合電路歐姆定律”課堂教學(xué)中，提高了教學(xué)的有效性，減少了學(xué)生認(rèn)知過(guò)程中的外在認(rèn)知負(fù)荷，增加關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷以促進(jìn)認(rèn)知圖式的生成，對(duì)于物理學(xué)科核心素養(yǎng)整體目標(biāo)的落實(shí)起到了促進(jìn)作用.同時(shí)，也為我國(guó)高中物理教學(xué)提供了新的教學(xué)思路.

首先，教師在教學(xué)設(shè)計(jì)中要充分考慮到學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷，不能脫離實(shí)際情況去作一些“理想化”的教學(xué)設(shè)計(jì).教師選擇學(xué)習(xí)材料時(shí)，要充分利用學(xué)生已有認(rèn)知結(jié)構(gòu)中的固著點(diǎn)，一方面減少了外在認(rèn)知負(fù)荷，另一方面有利于學(xué)生原有知識(shí)的鞏固.

其次，教師要精簡(jiǎn)實(shí)驗(yàn)步驟，突出實(shí)驗(yàn)重點(diǎn).課堂中演示的實(shí)驗(yàn)裝置不宜太復(fù)雜，教師可以采用日常生活中常見(jiàn)材料制作實(shí)驗(yàn)儀器，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深學(xué)生對(duì)于物理概念和規(guī)律的理解.

最后，教師可以設(shè)計(jì)教學(xué)樣例，促進(jìn)知識(shí)的遷移和應(yīng)用，為學(xué)生提供存儲(chǔ)在長(zhǎng)時(shí)記憶中的問(wèn)題解決圖式，從而增加了關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷，培養(yǎng)學(xué)生解決問(wèn)題的能力，提高教學(xué)的有效性.