基于認知負荷理論的“摩擦力”概念教學

王益軍

摘 要：從認知負荷理論角度分析摩擦力概念教學過程中難點的形成原因，并嘗試提出降低認知負荷的教學設計。

關鍵詞：認知負荷理論；摩擦力；概念教學

摩擦力一直都是高中力學部分教學的一個難點，很多教師從不同的角度嘗試過降低難度的方法。有的教師試圖從探究式教學的角度來激發學生的興趣，有的教師試圖通過改變實驗器材來降低難度。本文從認知負荷理論的角度分析難點的形成，并試圖提出降低認知負荷的措施。

一、認知負荷及其理論概述

認知負荷理論（Cognitive Load Theory簡稱CLT）。最早是由澳大利亞認知心理學家J.SweUer在Miller等人早期的研究基礎上，于20世紀80年代提出的。按認知負荷的不同來源，可以把認知負荷分為兩類：內在的認知負荷（Intrinsic Cognitive Load）和外在的認知負荷（ExtraneousCognitive Load）。內在的認知負荷來源于材料本身的特性（如復雜度），不易被教學設計所改變。對學習者來說，教材各要素的交互性較低時較易理解。因為各要素可被單獨處理，不需要參照其他信息；當各要素之間具有高度交互性時，則較難理解，因為需將較多的要素納入工作記憶中思考，這將造成較高的認知負荷，阻礙學習。外在的認知負荷是認知負荷理論的核心，來源于教材設計與呈現的方式，或教學活動本身，可以通過改善教學設計來降低。

二、“摩擦力”概念中認知負荷的分析

在學習“摩擦力”這一節內容時，學生總是似是而非，如摩擦力是否存在？摩擦力的大小及方向，以及摩擦力是否做功等問題。然而摩擦力不但是力學基礎，也是組成整個高中物理知識的一塊“基石”。摩擦力中又表現出“動中有靜，靜中有動”，尤其靜摩擦力在許多情形下似乎是“若有若無，方向不定”。在判斷摩擦力是否做功時，必須分清是靜摩擦力還是滑動摩擦力，如果是靜摩擦力做功時，怎樣理解“相對靜止”和“相對運動”，動摩擦力又怎樣理解“運動”和“相對運動”的關系？這些元素不是離散的，而是相互交織在一起的，故產生很高的內在認知負荷。

三、基于認知負荷理論的“摩擦力”概念教學

1.創設情境，提高相關認知負荷，減少內在認知負荷

生動活潑的學習情境能夠幫助學習者在較為真實的情境中解決問題，引起學生持續探索的興趣，喚醒學生長時記憶中的有關圖式或知識，多角度、多側面地認識和解釋問題，完成對知識的意義建構。

在本節課中，筆者通過以下設計來激發學生強烈的探究興趣和學習注意力。

演示筷子提米的實驗：在一玻璃杯中放入一定量的大米，插入一支筷子并壓緊大米，向上提起筷子會很容易地將筷子拔出；重新將筷子插好，再向米中加少量水，等一會兒，拿起筷子就可以把玻璃杯提起。提問：同學們，究竟是什么力量讓小棍提起米杯來呢？（引出課題）

看一看：有趣的摩擦（播放視頻1──《鬼子來了》中潘長江所飾鬼子踩在倒了豆子的地面上摔跤的情景。（播放畫面2──小朋友捉泥鰍，一捉一滑）。（播放畫面3──搬油桶，“移”重于泰山，“滾”輕于鴻毛）

找一找：以自行車為例，哪些地方是增大摩擦？哪些地方是減小摩擦？（出示實物，讓學生觀察討論）

2.優化教學設計，降低外在認知負荷

由于外在認知負荷主要是由學習材料的組織和呈現方式引起的，所以可以通過優化教學設計，重新組織信息和材料來降低外在認知負荷。下列方法和原則都能從不同角度減輕學生的外在認知負荷：按鄰近原則呈現材料，避免注意力分散；清除多余信息，避免冗余效應發生。

筆者設計如下問題串：（以下問題的討論均在該平面內無其他作用力的情況下）

問題1.一物體以速度v0沿水平地面向右運動，受到地面的滑動摩擦力方向如何？

問題2.將一物體輕輕放在以速度v0沿水平向右運動的車廂

上，受到車廂的滑動摩擦力方向如何？

問題3.將一物體以向右的速度v0，放在速度為v沿水平向左運動的車廂上，受到車廂的滑動摩擦力方向如何？

問題4.將一物體以向右的速度v0，放在速度為v沿水平向右運動的車廂上，受到車廂的滑動摩擦力方向如何？

問題5.將一物體以向右的速度v0，放在速度為v方向與v0垂直的沿水平運動的車廂上，受到車廂的滑動摩擦力方向如何？

問題6.以上問題中，運動過程中摩擦力大小是否相同（同一物體，同一車廂）？

問題7.以上問題中，運動過程中摩擦力方向是否改變？

問題8.地面是靜止的嗎？

通過以上問題的討論，應該讓學生明白：

（1）兩物體有相對運動，才會受滑動摩擦力；

（2）某物體所受滑動摩擦力方向，與該物體相對于施力物體的運動方向相反；

（3）物體所受滑動摩擦力方向與速度大小、方向無關，與相對速度大小也無關，在相對運動過程中方向不變；

（4）如選施力物體為參照物，問題就可簡化為相對參照物的勻減速直線運動；

（5）地面僅是參照物的一種，其他物體也可作為參照物。

本文從認知負荷理論的角度，分析了摩擦力概念教學的難點和原因。通過設置懸念創設情境激發學生學習的動機和興趣；提高了學生的相關認知負荷，降低了內在認知負荷；通過優化教學設計減輕外在認知負荷，保證了學生在學習的過程中認知負荷不超載，提高了摩擦力概念課堂教學的有效性。

參考文獻：

[1]張新華.引導學生獨立地發現和探索問題：談“楞次定律”的探究式教學設計[J].物理教學探討，2009（06）：14.

[2]朱向陽，施朝群.“楞次定律”教學探討與實驗設計[U].物理實驗，2010（06）：20.

[3]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.

編輯 魯翠紅