認知負荷理論下的高中物理概念教學研究

鄭鍇

摘 要：認知負荷是指人的認知儲存達到或超過自身極限后，在一項任務上花的時間越多，其完成任務所需的認知資源就越少的一種狀態。結合這一理論，現代教育觀念發生了很大的變化，教學的重心從注重知識的傳授轉變為學生能力和素質的培養，以免學生認知超負荷。因此在高中物理概念教學中教師要注意這一點，這樣才能有效提高學生對物理概念的理解程度和應用能力。本文將根據認知負荷理論展開研究，提出高中物理概念教學的策略，望能提供參考幫助。

關鍵詞：認知負荷理論；高中物理概念教學；高中學生

從20世紀80年代以來，認知負荷理論被廣泛應用于教育領域，在對學生學習過程進行研究時發現，學生在學習過程中會產生不同的認知負荷，并隨著學生認知水平的提高而增加。在此基礎上，如果教學中學生經常進入認知負荷狀態，其學習效率就會大幅提升，最終成果也會不理想，因此在高中物理課堂上，物理教師要重視學生認知狀態，并根據學生認知水平設計合適的教學內容、合理安排教學進度、適當調整教學策略等來提高學生對概念理解和掌握的效果。出于這一目的，有必要展開相關研究。

一、明確概念的內涵，正確理解物理概念

高中物理概念的建立是一項十分復雜的工作，其中涉及大量的科學概念。如果學生不能對這些物理概念有一個明確的認識，就無法正確理解其中的內涵，無法有效提高學生學習物理知識的能力和水平。教師在高中物理概念教學中要注重對物理概念的內涵進行明確，并引導學生掌握正確理解物理概念的方法和技巧[1]。例如：在講“直線運動”這一知識點時，教師首先要讓學生對“直線運動”這一概念進行明確。教師可以向學生提出這樣一個問題：“當你從一個地方走到另一個地方時，你會發現這兩個地方之間存在很大的距離，這種現象我們稱之為直線運動。在這種情況下，你會發現直線運動是怎么產生的呢？”學生回答道：“直線運動產生于兩個物體之間發生碰撞之后”，教師繼續引導道：“假設兩個物體在相同的時間內以相同的速度分別從兩個方向同時向前運動，然后再以相同的速度從同一個方向回到原來的位置。這種現象我們稱之為直線運動。”學生聽完之后紛紛表示贊同：“兩個物體在同一時間內從不同方向同時向前運動就是直線運動。”教師這時進一步引導學生：“從這兩個例子我們可以看出，在上述兩個例子中都有一個共同的特征，那就是它們都是通過碰撞而產生出來的。”在學生對這一概念有了明確認識之后，教師可以向學生介紹直線運動產生的條件和過程。學生對此概念有了清晰明確的認識之后就可以更好地理解和掌握物理概念。

從碰撞產生直線運動的條件來看，學生需要知道是什么情況下才會發生碰撞，具體的碰撞過程如何，這一概念的內涵就是“兩個物體之間發生碰撞之后才會產生直線運動”。如果學生在學習過程中無法將物理概念的內涵和外延準確理解，就會對學習物理知識造成極大的阻礙。例如：教師在講“慣性”這一概念時，就需要將其內涵和外延進行準確的描述。教師可以這樣向學生進行講解：“所謂慣性，就是指物體在做某一件事時不需要任何外界的作用，也能夠保持自身原有的運動狀態。從這一角度來看，物體在做某一件事時不需要外力的作用就能夠保持自身原有的運動狀態，這種現象稱之為慣性。”在學習這一概念時，學生要想對其內涵和外延有一個充分的認識，就需要教師對其進行講解和說明。學生只有將概念的內涵和外延進行準確理解，才能在此基礎上有效提高自身學習物理知識的能力和水平。只有這樣，才能使學生真正掌握好物理概念[2]。

從直線運動的過程來看，學生需要知道兩個物體在同一時間內是如何先后完成直線運動的，也就是說學生要對“同時”有一個明確的認識，具體指的是哪兩個物體同時發生運動。

此時，教師可以通過多媒體向學生展示出一張白紙和一根繩子，讓學生仔細觀察其中的信息。這時，學生可以發現在兩個物體相對靜止的狀態下，當其中一個物體向后運動時，另一個物體也會跟隨著向前運動；當其中一個物體向前運動時，另一個物體也會跟著向后運動。這時教師就可以引導學生說出：“當一條直線上的兩個物體同時運動時，它們之間的距離就是它們運動的距離。由此可知，我們在判斷兩個物體之間是否存在同時運動現象時要根據它們的相對位置進行判斷。”在學生對這一概念有了明確認識之后，教師再向學生介紹“同時”這個概念，學生就可以更加直觀地理解其含義。教師還可以引導學生說出：“如果兩個物體同時以相同的速度從兩個方向同時向前運動，然后再以相同的速度回到原來的位置時，這兩個物體之間的距離就是它們運動的距離。”

二、注重情境創設，減輕學生認知負荷

認知負荷理論認為，如果一項任務所需的認知資源越少，那么任務的難度越低，學生完成任務的可能性就越高；反之，如果一項任務所需的認知資源越多，那么完成任務的可能性就越低，學生完成任務的可能性就越低。所以在高中物理教學中，教師要根據學生的學習水平和實際情況創設情境來吸引學生積極主動參與到學習活動中來[3]。

在實際教學過程中，教師要創設多樣化的情境來激發學生學習興趣，以此來提高學生學習積極性和主動性。教師可以從以下兩個方面來進行情境創設：首先是從物理概念出發，讓學生通過觀察實驗、實際操作、體驗等方式來感受物理概念形成的過程；其次是通過引導學生積極思考來提出問題并進行探究，最終達到掌握物理概念和解決實際問題的目的。在物理教學過程中，教師要積極引導學生開展自主學習活動，并在此過程中培養學生解決問題和應用知識的能力[4]。例如：在教授“質點”這一概念時，教師可以讓學生通過觀察生活中常見物體來總結出：當物體的質量比較小時，它會受到周圍其他物體的引力而保持靜止狀態；當物體質量較大時，它會受到周圍其他物體的彈力作用而保持勻速直線運動狀態；當物體質量比較大時，它會受到周圍其他物體的摩擦力作用而保持勻速直線運動狀態。在此基礎上讓學生對“質點”這一概念進行深入理解和探究。首先教師可以讓學生拿出一個質量較大的圓柱體模型來觀察其內部結構和運動狀態；然后引導學生將圓柱體上表面靠近側面的位置剪開；之后在圓柱體底部切下一個和其等高大小的長方體來進行觀察；最后再讓學生將長方體上表面沿著圓柱體內部邊緣剪開。這樣學生就可以對“質點”這一概念有了更深刻的理解。

在進行“勻變速直線運動”這一概念教學時，教師可以先引導學生對“勻變速直線運動”這一概念進行深入思考，在此基礎上讓學生根據實驗現象進行探究和分析。例如：教師可以讓學生拿出一個質量為1kg、長度為1m的木塊；然后將木塊豎直地放在桌面上，并讓其以一定的初速度（約為3m/s）水平移動；接著教師再將木塊移到桌子對面的面上，讓其繼續以相同的速度移動；最后再將木塊移回桌面并再次進行同樣的實驗。通過這樣的實驗現象和探究過程，學生就可以發現木塊在下落過程中速度是不斷變化的，并且其加速度也在不斷變化。當木塊再次從桌面上移到桌面時速度逐漸變小，最后木塊再次從桌面上移回桌面時速度又逐漸變大。通過這樣的實驗現象和探究過程，學生就可以更深刻地理解“勻變速直線運動”這一概念。

另外，教師還可以通過“能量”這一概念來讓學生進行探究和分析。在對“能量”這一概念進行教學時，教師可以先讓學生使用物理模型來進行實驗操作。例如：在教授“動能定理”時，教師可以讓學生用小球制作一個簡易的小車模型。然后將小車放在桌子上并固定好，使其處于平衡狀態；接著教師讓學生從桌子上拿起一根繩子并將其用力拉向小車，然后讓學生松開手讓小車沿著繩子勻速移動；最后教師將小球放在小車上并將其固定住。在此基礎上，教師再要求學生思考如果不給小球提供額外能量會發生什么現象？通過這樣的情境創設，學生就能更好地理解“能量”這一概念。

三、利用新舊知識的聯系，有效把控認知負荷

學生在學習物理知識時，經常會出現不同的認知負荷，主要是因為學生對新舊知識的掌握程度不同，因此學生在學習新知識時就會產生認知負荷。高中物理教師在教學過程中，要合理利用新舊知識之間的聯系，使學生通過新舊知識之間的聯系來有效把控認知負荷[5]。

例如：教師在教學“牛頓定律”時，要讓學生先對牛頓定律有一個深刻理解，并將其與運動學這一知識點結合起來進行學習。教師在教學過程中可以讓學生用類比的方法來更好地理解牛頓定律。在講解“牛頓定律”時，教師可以將其與運動學這一知識點聯系起來，讓學生對運動學有一個更深層次的認識。同時，教師還可以利用新舊知識之間的聯系來幫助學生更好地理解運動學這一知識點。

假設在物理教學過程中，學生經常會出現不理解勻速直線運動這一知識點的情況。學生在學習勻速直線運動這一知識點時，一般都是先學勻變速直線運動這一知識點，因此學生在學習勻速直線運動這一知識點時就會產生一定的認知負荷。但是學生在學習新知識時，教師要注意新知識與舊知識之間的聯系，這樣就能幫助學生更好地理解新知識，有效控制學生的認知負荷。在學習“勻速直線運動”這一知識點時，教師可以通過類比的方法來幫助學生理解：勻速直線運動是一個過程量，而勻變速直線運動則是一個瞬時量。然后教師再向學生講解：“我們可以先將勻速直線運動看作一個過程量，然后再將勻變速直線運動看作瞬時量”。這樣通過引導學生進行類比的方法，學生就可以更好地理解“勻速直線運動”這一知識點。又或者以“慣性”為例，教師在講解“慣性”這一概念時，可以引導學生將“慣性”與“質點”這一知識點聯系起來，這樣學生就會發現慣性其實就是質點。那么在講解“質點”這一知識點時，教師可以先引導學生理解物體受到的合外力為零這個概念，然后再將物體受合外力為零與物體不受合外力為零進行對比，這樣學生就會發現慣性其實就是質點不受合外力為零這個概念。由于“質點”這一知識點是在新舊知識之間進行類比的，所以學生在學習完這一知識點后，就能把握住新舊知識之間的聯系，有效把控認知負荷[6]。

四、豐富教學內容，提高學生學習興趣

物理概念的教學是物理教學的基礎，它不僅是教師進行概念教學的重要途徑，也是學生學習物理知識的重要途徑，更是培養學生綜合素質的主要方式。教師在進行物理概念教學時要結合學生實際情況，在深入分析教材內容的基礎上，不斷豐富物理概念的內容，并通過合理的問題情境來激發學生的學習興趣和積極性[7]。這樣不僅能夠幫助學生有效提高學習效率，還能夠促進學生知識掌握能力、思維能力和創新能力的發展。

目前，高中物理教師在教學中提出的教學內容大多來源于課本，因此教學內容比較枯燥乏味，且具有理論化的特征，不利于學生學習興趣發展，這種狀態下學生就容易陷入認知負荷的狀態，因此教師要豐富教學內容。以“重力”這一物理概念為例，在高中物理學習過程中，“重力”是一個非常重要的知識點，學生只有對力有一個深刻理解，才能更好地掌握其他知識點。教師在教學“重力”這一知識點時，除了可以講解課本上的理論知識，還可以示范一次“重力實驗”，即可以先將一根繩子從高處甩下來，讓學生觀察一下重力的作用效果，然后讓學生模仿這個實驗過程，按照自身的興趣，活用身邊的工具自主完成“重力實驗”，通過這種方式不僅豐富了教學內容，還使得高中物理概念教學的實踐性提升，因此能提升學生興趣，避免學生進入認知負荷狀態[8]。

結束語

綜上所述，在物理概念教學中，教師需要遵循學生認知發展規律，在知識的銜接和轉化上，做到循序漸進、螺旋上升。在知識呈現的方式上，要遵循由具體到抽象的認知規律，使學生對物理概念有一個清晰的認識。在知識講解的過程中，要充分考慮學生已有知識和學習經驗，合理設置概念教學的難度梯度。在概念理解上，要充分考慮學生已有知識經驗和認知水平，并根據學生現有認知水平進行教學設計。

參考文獻

[1]高成軍.單元大概念視域下融合教學突破物理概念教學難點：以“加速度”教學為例[J].物理教師，2023，44（2）：17-20.

[2]李春來，楊慧.基于深度學習的知識建構和問題解決過程：“真實物理”教學法在概念教學中的運用[J].中學物理，2023，41（5）：25-28.

[3]居津.指向核心素養的事例類物理概念“體驗課堂”教學案例分析：以“曲線運動”教學案例為例[J].物理教師，2023，44（4）：23-27.

[4]顏文萱，王強.思維導圖輔助高中物理大概念的可視化建構：以“曲線運動”單元復習為例[J].中學物理教學參考，2023，52（12）：1-5.

[5]謝立，李向龍，周佩佩，等.基于審辯式思維的物理概念課論證教學初探：以“沖量”概念的建立為例[J].中學物理，2023，41（9）：41-44.

[6]王曦，桑芝芳.基于大概念的高中物理單元教學設計：以電磁學中“場”的自主單元為例[J].中小學教材教學，2023（5）：64-70.

[7]王志芳.注重物理概念建構 促進學生思維發展：以高三“電源電動勢”專項突破教學為例[J].物理教學探討，2023，41（5）：74-80.

[8]忻賢灝，鄧志文.基于學習進階理論的物理教學單元設計實踐探索：從課時設計走向單元設計[J].中學物理，2023，41（11）：10-15.