创设问题情境 降低认知负荷*——验证机械能守恒定律的教学设计

李葵花

(承德医学院 河北 承德 067000)

边江

(承德第一中学 河北 承德 067000)

霍云亮

(承德市教育局 河北 承德 067000)

认知负荷是指人在信息加工的过程中所必需的心理资源的总量．教学设计的目的就是为了能够帮助学习者顺利开展学习活动，即用最少的心理资源获取最多的知识．物理教学的过程应当是一个不断提出问题和解决问题的过程．通过问题的创设使学生进入问题“探索者”的角色，从而激起学生思维的欲望，是降低学生认知负荷的有效途径[1]．

本文以验证机械能守恒定律实验为例进行问题教学设计，探讨降低学生学习过程中认知负荷的具体方法，力求收到较好的效果．

1 认知负荷分析

机械能守恒定律在高中物理理论和应用方面十分重要，同时也要为今后学习守恒规律奠定思想基础，在教学设计中让学生了解实验规律的发现过程，并将实验方法应用到其他问题中，所以要学生体验并深入理解这种方法尤其重要[2]．

但在机械能守恒定律的实验教学中学生存在着较大的认知负荷，主要表现在：

(1)机械能守恒定律理论与实践的融合，即建模问题，是学生最易困惑之处，这是源于知识本身的内在认知负荷；

(2)验证性实验的固化模式，因学生已经学习了相关规律，通常实验都是安排好实验方案，学生在实验中往往也是只知其然而不知其所以然，这是因呈现方式而给学生增加的外在认知负荷；

(3)数据的收集、整理与处理，一直是中学生实验能力上的薄弱点，教材呈现上并未能强化，这样形成一种外在认知负荷；

(4)传统实验课的组织形式与教学策略陈旧，不能有效增加学生学习中的主动投入，进而无法提高相关认知负荷．

2 教学过程设计

2.1 创设情境引导构建物理模型降低内在认知负荷

播放截取的“运动员投掷铅球的运动”视频，情境引入，提出以下问题：铅球是种技术性较强的竞技运动，如果不计空气阻力，抛出后的铅球机械能是否变化？

目的：物理就在生活中，激发学生的学习兴趣，但实际物体与物理模型还是有差别的．强化学生的建模意识，抓主要因素，忽略次要因素．引导学生了解质点模型和刚体模型的差别，向学生说明不考虑铅球的转动问题，铅球才能看作质点．对学习好的学生可以拓展铅球掷出后存在的转动问题，此时铅球需看作刚体，其动能包括平动动能和转动动能两部分．

2.2 构建问题案式的递进式问题降低外在认知负荷

摒弃“讲-做-练”模式，采用问题案方式引导实验教学，通过一系列递进式问题，把实验中的难点分解、逐层深入、分化任务以促进学生对复杂任务的理解与学习．具体设计如下.

问题1：如果采用高中物理教材上提供的实验方法，验证到什么结果就可以说验证了机械能守恒？注意思考重物质量是否一定要进行测量？

学生讨论后能够解答：

(1)算出物体在初末位置的机械能总量看是否相等，来验证机械能守恒定律是否成立；

发生函数的方法在解决格路计数问题中有着很强的实用性，是解决格路问题的一种典型方法。有不少组合计数问题都是对任一给定的非负整数n，求一个与n有关的数an，因此本质上是求一个未知数列{an:n≥0}。发生函数方法的基本思想是：欲求未知数列{an:n≥0}，可先求出由此数列做成的幂级数的和函数再反过来把f(x)展成幂级数以求出an。发生函数方法已成为离散数学领域中的重要方法，其以某种统一的程序方式处理和解决众多不同类型的问题。

(2)测算出物体运动过程中动能的增量(或减少量)和势能的减少量(或增加量)，看是否相等来验证机械能守恒定律是否成立．可得出物体质量不需测量的明确结果．

问题2：如何测量自由落体运动物体的重力势能的减少量？如何测量相应过程动能的增加量？

目的：引导学生自主理清实验原理并从操作层面上归纳出测量势能减少与动能增加的方法．培养学生自主学习习惯，提高总结归纳能力．

问题3：为增加实验结果的可靠性，你会怎样做？

目的：让学生注意一个过程的多点测量与多过程的测量结果是否存在相同的规律．培养学生缜密思维与务实精神．同时提出对教材上固定纸带与固定打点计时器方法的改进．

问题4：假设重物质量m=1 kg，g=9.8 m/s2，其余各量均按国际单位制填写数据．

(2)如果用一条纸带的多个计数点来完成该验证实验，记录和处理你的实验数据．多点测量和多过程测量是否存在相同的规律呢？

目的：培养学生严谨、务实的科学态度，并锻炼学生的动手能力．引导学生将两种测量过程中得出的数据，填入Excel表格中，做散点图并作出渐趋线，学生发现各点斜率逼近同一数值，说明同一过程与多个过程存在相同的规律．

问题5：实验中的误差主要来源可能是什么？

目的：学生可回答出下落中的空气阻力，纸带与打点计时器的摩擦．实际上测量、计算误差也会造成数据结果偏差；重点提出重物的质量虽然在计算中不影响结论的得出，但是在实际操作中却会对实验误差带来影响，设想极限情况：克服阻力做功相对重力做功不能忽略，会使实验失败．让学生学会发现实验误差产生的原因和减小误差的方法，深刻体会守恒条件．实验中的误差来源分析能有利于学生养成反思习惯，提高学生对事物的评估能力．

问题6：本实验中如果第一个点不是从静止释放时所打，该如何验证机械能守恒？能否设计一个实验来“验证连接体系统机械能守恒”呢？思考并简要写出你的设计方案．

目的：本次操作实验的深化，有助于对机械能守恒定律的深入理解与完整阐释，同时也是今后应用该定律的重要方面．发散学生思维，深入理解“守恒”即变化中的平衡思想．

问题7：除了教材上提供的实验方法，是否有其他方法来验证机械能守恒？

目的：打破传统验证性实验课的模式，融入设计实验内容，通过同组讨论给出设计方案．学生合作探究设计实验，培养其创新精神，同时针对问题提高学生理解力．

3 教学设计的突出点及不足

通过逐级深入的问题分化任务以促进学生对复杂任务的理解与学习，让学生在课堂中解决问题时体验成功．设计使用Excel表格收集整理数据，应用散点图并作出渐趋线，非常直观，从数学函数图像上说明守恒关系，对学生是一种认识上的提升，在降低外在负荷的同时还可提高相关认知负荷．融入设计性实验内容，活化传统实验课，让学生在实验课中讨论生成方案，并积极展示，拓展了实验教学的内涵，提升了学生的创新能力[3]．通过对教材实验方案细节的改动，激发学生操作探索的兴趣．

综上并结合实际教学，虽然从教学效果看能够达成预定教学目标，但我们又在考虑将现代较新实验仪器比如传感器引入实验教学，加入更多些的探究环节，来增加学生的体验并重新整合设计方案，以期尽可能多地降低内、外在认知负荷与提高相关认知负荷，达到提高实验教学效果的目的．

实验教学设计与其他教学设计一样，追求最好永无止境，尚需在进一步的研究与实践中得到完善与发展．