基于認(rèn)知負(fù)荷理論的阿基米德定律實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

劉振武 胡銀泉

(江西師范大學(xué)物理與通信電子學(xué)院，江西 南昌 330022)

基于認(rèn)知負(fù)荷理論的阿基米德定律實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

劉振武 胡銀泉

(江西師范大學(xué)物理與通信電子學(xué)院，江西 南昌 330022)

本文對當(dāng)前人教版教材中的阿基米德實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了剖析,指出了4個(gè)方面的問題,為了改進(jìn)阿基米德實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果,筆者基于認(rèn)知負(fù)荷理論,設(shè)計(jì)出兩個(gè)實(shí)驗(yàn),通過減少學(xué)生認(rèn)知過程中的外在認(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,最終達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的目的.

認(rèn)知負(fù)荷;阿基米德定律;實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì);浮力大小

阿基米德定律作為初中力學(xué)的重要內(nèi)容,一直為教育專家和一線教師所重視.如何直觀、簡潔地設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),是教育同仁們深切關(guān)注的問題.嘗試?yán)脤W(xué)生已經(jīng)掌握的物理知識作為“先行組織者”,減輕學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷,是筆者設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的理念.

1 當(dāng)前實(shí)驗(yàn)所存在的問題

(1) 操作步驟復(fù)雜.就人教版而言,阿基米德定律的實(shí)驗(yàn)步驟分為4步:[1]① 測量物體的重力; ② 測出該物體浸沒在溢水杯的水中所受的拉力; ③ 測出小桶和物體排開的水的總重力; ④ 測出小桶的重力.筆者認(rèn)為,第4步應(yīng)放在第1步后更具科學(xué)性.當(dāng)然,這還不考慮學(xué)生多次實(shí)驗(yàn),記錄數(shù)據(jù),分析數(shù)據(jù)并得出結(jié)論所需的步驟.如此多的步驟,從一定意義上講,學(xué)生容易將實(shí)驗(yàn)當(dāng)作應(yīng)付任務(wù),刻板的步驟容易打消學(xué)生主動(dòng)探究的興趣.

(2) 實(shí)驗(yàn)原理不夠明顯.該實(shí)驗(yàn)的①、②步,很多學(xué)生不知其所以然,畢竟浸沒在水中的物體受重力、浮力、拉力3個(gè)力.為什么測力計(jì)減小的讀數(shù)就等于浮力的大小,大多數(shù)學(xué)生只存在一個(gè)模糊的認(rèn)識.這對于定量地學(xué)習(xí)物理規(guī)律是非常不利的.

(3) 不具有動(dòng)態(tài)演示的功能.該實(shí)驗(yàn)不能隨意增加重物,不能動(dòng)態(tài)地展示浮力與排出液體重力的關(guān)系.

(4) 實(shí)驗(yàn)的受力分析超出了學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷.學(xué)生前期只學(xué)習(xí)過二力平衡,而在本實(shí)驗(yàn)的第2步實(shí)際上運(yùn)用了三力平衡的知識.認(rèn)知負(fù)荷理論指出,如果學(xué)習(xí)者所要加工的信息容量超出了學(xué)習(xí)者的工作記憶所能加工的信息容量,那么學(xué)習(xí)將變得無效.[2]這顯然會(huì)影響該實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果.

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及教學(xué)策略

1988年,澳大利亞心理學(xué)家Sweller提出了認(rèn)知負(fù)荷理論.該理論認(rèn)為，認(rèn)知負(fù)荷是指在一個(gè)特定的作業(yè)時(shí)間內(nèi)施加于個(gè)體認(rèn)知系統(tǒng)的心理活動(dòng)總量.[3]學(xué)習(xí)的心理實(shí)質(zhì)就是認(rèn)知加工,認(rèn)知加工就要占用主體的認(rèn)知資源,就會(huì)形成認(rèn)知負(fù)荷.認(rèn)知負(fù)荷包括外在認(rèn)知負(fù)荷、內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷和關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷.外在認(rèn)知負(fù)荷是由信息呈現(xiàn)的方式和學(xué)習(xí)者需要的學(xué)習(xí)活動(dòng)所引起的.一般來說,教學(xué)活動(dòng)中信息傳遞渠道不暢通、教學(xué)設(shè)計(jì)差、學(xué)習(xí)活動(dòng)方式越復(fù)雜,所引起的外在認(rèn)知負(fù)荷越大,學(xué)習(xí)的效率越低.內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷是由所學(xué)材料本身的復(fù)雜程度所決定的.只要學(xué)習(xí)材料的信息要素以及各信息間的交互作用是學(xué)習(xí)材料所固有的,那么,內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷就是固有的、穩(wěn)定的.關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷是學(xué)習(xí)過程中由于圖式的構(gòu)建和規(guī)則自動(dòng)化引起的.它使學(xué)習(xí)者的認(rèn)知資源用于直接從事更高級的認(rèn)知加工(如重組、抽象、比較和推理等),從而支持圖式的形成和構(gòu)建,進(jìn)而促進(jìn)學(xué)習(xí).簡而言之,認(rèn)知負(fù)荷理論給教學(xué)帶來的啟示是:合理化內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷,盡量減少外在認(rèn)知負(fù)荷,努力擴(kuò)大關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷,這樣才有利于學(xué)習(xí).[4]

就阿基米德實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)來說,實(shí)驗(yàn)的步驟過于繁復(fù),顯然增加了學(xué)生的外在認(rèn)知負(fù)荷.又由于學(xué)生對三力平衡不夠熟悉,因此產(chǎn)生的關(guān)聯(lián)負(fù)荷較小.因此,學(xué)生的學(xué)習(xí)效率會(huì)大大降低.為了改變這種情況,筆者利用學(xué)生在前期已經(jīng)學(xué)習(xí)的二力平衡知識和重力計(jì)算方式來增加關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷,并通過重新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、精簡步驟來減小外在認(rèn)知負(fù)荷,從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率.為了探究物體所受浮力與排開液體重力的關(guān)系可以先利用物體漂浮時(shí)物體所受浮力與重力平衡,通過改變重力大小,即可改變物體所受的浮力大小.本實(shí)驗(yàn)為了方便學(xué)生操作和滿足動(dòng)態(tài)演示的要求,采用砝碼作為實(shí)驗(yàn)所用的物體.另一方面,通過電子秤或天平即可實(shí)時(shí)地測量排開液體的質(zhì)量.通過G=mg公式即可求得排開液體的重力.

實(shí)驗(yàn)器材:一套砝碼、溢水杯、平底小桶(或用透明塑料瓶底,里面用餐巾紙墊平代替)、電子秤(廚房用)、適量的水(如果用天平則需另一套砝碼).

實(shí)驗(yàn)示意圖，如圖1所示.

圖1 阿基米德定律實(shí)驗(yàn)圖

在開始實(shí)驗(yàn)時(shí),在溢水杯中倒入適量的水,并放上平底小桶,使其漂浮在水面上,然后慢慢加水使水面與溢水杯的管口相平.此時(shí)可用電子秤上的“去皮”功能,將電子秤示數(shù)清零.在實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作結(jié)束后,教師應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生分析平底小桶和砝碼構(gòu)成的整體的受力情況,整體的浮力與重力平衡.又由于事先已經(jīng)將平底小桶產(chǎn)生的排開液體的質(zhì)量在電子秤上清零,得出砝碼所受浮力即等于它的重力.

明確了實(shí)驗(yàn)原理,學(xué)生就可以逐步增加砝碼,并完成表1(g=10N/kg).

表1 阿基米德定律實(shí)驗(yàn)表

當(dāng)然,這里只討論了物體漂浮時(shí)所受浮力與排開水的重力之間的關(guān)系,屬于不完全歸納.[5]那么,物體浸沒在液體中所受浮力與排開液體的重力有什么關(guān)系呢?下面實(shí)驗(yàn)[6]可以證明此時(shí)浮力仍然等于G排.

圖2 測力計(jì)拉 水袋實(shí)驗(yàn)圖

將一塑料袋(質(zhì)量和厚度可忽略)裝滿水,用細(xì)繩系緊掛在彈簧測力計(jì)上,在塑料袋未浸入水之前,彈簧測力計(jì)有一示數(shù).而當(dāng)塑料袋完全浸沒在水中時(shí),彈簧測力計(jì)的示數(shù)變?yōu)榱?如圖2所示).

對于這一奇特的現(xiàn)象,教師可以引導(dǎo)學(xué)生對塑料袋中的水進(jìn)行受力分析,得出F浮=G水.

很多學(xué)生在這一步之后就很難繼續(xù)了,這時(shí),教師應(yīng)該顯化分析比較的科學(xué)方法,找出F浮和G排之間的關(guān)系.分析就是將研究對象的整體分為各個(gè)部分、方面、因素和層次,并分別地加以考察的認(rèn)識活動(dòng).分析的意義在于細(xì)致地尋找能夠解決問題的主線,并以此解決問題.比較是認(rèn)識對象間的相同點(diǎn)或相異點(diǎn)的邏輯方法.它可以在異類對象之間進(jìn)行,也可以在同類的對象之間進(jìn)行,還可以在同一對象的不同方面、不同部分之間進(jìn)行.這里,就可以先將G水和G排分解成幾個(gè)要素,然后進(jìn)行比較.

首先,可以將G水寫成G水=ρ水gV.然后,可以將G排寫成G排=ρ水gV排.

通過比較,學(xué)生很容易發(fā)現(xiàn)上述兩式只有體積部分寫法不同,那么,二者相不相等呢?教師可以讓學(xué)生交流思考,從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和直接經(jīng)驗(yàn)中找尋答案.不難發(fā)現(xiàn),任何物體在完全浸沒的狀態(tài)下,都有V排=V.最終,可以得到浸沒狀態(tài)下浮力仍然等于G排這個(gè)結(jié)論.

3 教學(xué)啟示

(1) 實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的是為了探索真理,培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng).因此,實(shí)驗(yàn)原理部分必須要學(xué)生清楚明白,這也就是回答了學(xué)生“為什么這樣做”的問題.通過二力平衡等知識的反復(fù)運(yùn)用,本節(jié)實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以減輕學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷,又有利于原有知識的鞏固.

(2) 實(shí)驗(yàn)步驟應(yīng)該簡潔、明了,突出實(shí)驗(yàn)中的自變量和因變量.在本實(shí)驗(yàn)中,利用砝碼可以直接求出物體的重力,進(jìn)而得出浮力;利用電子秤可以實(shí)時(shí)地測量排開液體的質(zhì)量,從而得出排開液體的重力.這就達(dá)到了突出重點(diǎn)的目的,以免學(xué)生在繁復(fù)的步驟中迷失,降低他們實(shí)驗(yàn)的興趣.

(3) 在隱性課程中深化中國傳統(tǒng)文化的影響,從學(xué)生直接經(jīng)驗(yàn)出發(fā)更容易完成圖式的建構(gòu).本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)之所以先用漂浮狀態(tài)的小桶,其作用其實(shí)與經(jīng)典故事“曹沖稱象”中的小船類似,教師在教學(xué)中可以提到此點(diǎn),引發(fā)學(xué)生對經(jīng)典故事中蘊(yùn)含的智慧進(jìn)行思考.本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)用電子秤代替?zhèn)鹘y(tǒng)教學(xué)中的彈簧測力計(jì),除了操作、讀數(shù)更簡易以外,另一方面是由于學(xué)生在現(xiàn)實(shí)生活中的超市、集貿(mào)市場、家庭等場景中對電子秤司空見慣,擁有大量的直接經(jīng)驗(yàn),教師可以利用這些直接經(jīng)驗(yàn)引導(dǎo)學(xué)生更快地建構(gòu)認(rèn)知圖式.

(4) 在學(xué)生已有知識到得到新的結(jié)論的順應(yīng)過程中,一旦學(xué)生出現(xiàn)認(rèn)知困難,教師應(yīng)該抓住契機(jī),顯化科學(xué)方法,引導(dǎo)學(xué)生突破認(rèn)知困難,并可讓學(xué)生交流學(xué)習(xí)后的感悟,加強(qiáng)對科學(xué)方法功能的認(rèn)識,逐步提高科學(xué)方法在學(xué)生中的認(rèn)同度,最終達(dá)到培養(yǎng)全體學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的目的.

1 人民教育出版社,課程教材研究所,物理課程教材研究開發(fā)中心. 義務(wù)教育教科書物理8年級下冊[M]. 北京:人民教育出版社,2012:53-55.

2 李志專. 認(rèn)知負(fù)荷理論的解讀及啟示[J]. 煤炭高等教育,2009(01):50-52.

3 孫崇勇. 認(rèn)知負(fù)荷的理論與實(shí)證研究[M]. 沈陽:遼寧人民出版社,2014: 4.

4 趙俊峰. 解密學(xué)業(yè)負(fù)擔(dān) 學(xué)習(xí)過程中的認(rèn)知負(fù)荷研究[M]. 北京:科學(xué)出版社,2014: 3-8.

5 耿愛霞,陳清梅,邢紅軍. “阿基米德原理”的高端備課[J]. 課程教學(xué)研究,2014(07):35-36，70.

6 王榮根. 不同版本義務(wù)教育課標(biāo)教材中“浮力”內(nèi)容的比較[J]. 中學(xué)物理教學(xué)參考,2008(03):52-54.

2017-02-12)

本文受江西師范大學(xué)研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目“中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)”支持.