創設問題情境 降低認知負荷*
——驗證機械能守恒定律的教學設計

李葵花

(承德醫學院 河北 承德 067000)

邊江

(承德第一中學 河北 承德 067000)

霍云亮

(承德市教育局 河北 承德 067000)

認知負荷是指人在信息加工的過程中所必需的心理資源的總量．教學設計的目的就是為了能夠幫助學習者順利開展學習活動，即用最少的心理資源獲取最多的知識．物理教學的過程應當是一個不斷提出問題和解決問題的過程．通過問題的創設使學生進入問題“探索者”的角色，從而激起學生思維的欲望，是降低學生認知負荷的有效途徑[1]．

本文以驗證機械能守恒定律實驗為例進行問題教學設計，探討降低學生學習過程中認知負荷的具體方法，力求收到較好的效果．

1 認知負荷分析

機械能守恒定律在高中物理理論和應用方面十分重要，同時也要為今后學習守恒規律奠定思想基礎，在教學設計中讓學生了解實驗規律的發現過程，并將實驗方法應用到其他問題中，所以要學生體驗并深入理解這種方法尤其重要[2]．

但在機械能守恒定律的實驗教學中學生存在著較大的認知負荷，主要表現在：

(1)機械能守恒定律理論與實踐的融合，即建模問題，是學生最易困惑之處，這是源于知識本身的內在認知負荷；

(2)驗證性實驗的固化模式，因學生已經學習了相關規律，通常實驗都是安排好實驗方案，學生在實驗中往往也是只知其然而不知其所以然，這是因呈現方式而給學生增加的外在認知負荷；

(3)數據的收集、整理與處理，一直是中學生實驗能力上的薄弱點，教材呈現上并未能強化，這樣形成一種外在認知負荷；

(4)傳統實驗課的組織形式與教學策略陳舊，不能有效增加學生學習中的主動投入，進而無法提高相關認知負荷．

2 教學過程設計

2.1 創設情境引導構建物理模型降低內在認知負荷

播放截取的“運動員投擲鉛球的運動”視頻，情境引入，提出以下問題：鉛球是種技術性較強的競技運動，如果不計空氣阻力，拋出后的鉛球機械能是否變化？

目的：物理就在生活中，激發學生的學習興趣，但實際物體與物理模型還是有差別的．強化學生的建模意識，抓主要因素，忽略次要因素．引導學生了解質點模型和剛體模型的差別，向學生說明不考慮鉛球的轉動問題，鉛球才能看作質點．對學習好的學生可以拓展鉛球擲出后存在的轉動問題，此時鉛球需看作剛體，其動能包括平動動能和轉動動能兩部分．

2.2 構建問題案式的遞進式問題降低外在認知負荷

摒棄“講-做-練”模式，采用問題案方式引導實驗教學，通過一系列遞進式問題，把實驗中的難點分解、逐層深入、分化任務以促進學生對復雜任務的理解與學習．具體設計如下.

問題1：如果采用高中物理教材上提供的實驗方法，驗證到什么結果就可以說驗證了機械能守恒？注意思考重物質量是否一定要進行測量？

學生討論后能夠解答：

(1)算出物體在初末位置的機械能總量看是否相等，來驗證機械能守恒定律是否成立；

發生函數的方法在解決格路計數問題中有著很強的實用性，是解決格路問題的一種典型方法。有不少組合計數問題都是對任一給定的非負整數n，求一個與n有關的數an，因此本質上是求一個未知數列{an:n≥0}。發生函數方法的基本思想是：欲求未知數列{an:n≥0}，可先求出由此數列做成的冪級數的和函數再反過來把f(x)展成冪級數以求出an。發生函數方法已成為離散數學領域中的重要方法，其以某種統一的程序方式處理和解決眾多不同類型的問題。

(2)測算出物體運動過程中動能的增量(或減少量)和勢能的減少量(或增加量)，看是否相等來驗證機械能守恒定律是否成立．可得出物體質量不需測量的明確結果．

問題2：如何測量自由落體運動物體的重力勢能的減少量？如何測量相應過程動能的增加量？

目的：引導學生自主理清實驗原理并從操作層面上歸納出測量勢能減少與動能增加的方法．培養學生自主學習習慣，提高總結歸納能力．

問題3：為增加實驗結果的可靠性，你會怎樣做？

目的：讓學生注意一個過程的多點測量與多過程的測量結果是否存在相同的規律．培養學生縝密思維與務實精神．同時提出對教材上固定紙帶與固定打點計時器方法的改進．

問題4：假設重物質量m=1 kg，g=9.8 m/s2，其余各量均按國際單位制填寫數據．

(2)如果用一條紙帶的多個計數點來完成該驗證實驗，記錄和處理你的實驗數據．多點測量和多過程測量是否存在相同的規律呢？

目的：培養學生嚴謹、務實的科學態度，并鍛煉學生的動手能力．引導學生將兩種測量過程中得出的數據，填入Excel表格中，做散點圖并作出漸趨線，學生發現各點斜率逼近同一數值，說明同一過程與多個過程存在相同的規律．

問題5：實驗中的誤差主要來源可能是什么？

目的：學生可回答出下落中的空氣阻力，紙帶與打點計時器的摩擦．實際上測量、計算誤差也會造成數據結果偏差；重點提出重物的質量雖然在計算中不影響結論的得出，但是在實際操作中卻會對實驗誤差帶來影響，設想極限情況：克服阻力做功相對重力做功不能忽略，會使實驗失敗．讓學生學會發現實驗誤差產生的原因和減小誤差的方法，深刻體會守恒條件．實驗中的誤差來源分析能有利于學生養成反思習慣，提高學生對事物的評估能力．

問題6：本實驗中如果第一個點不是從靜止釋放時所打，該如何驗證機械能守恒？能否設計一個實驗來“驗證連接體系統機械能守恒”呢？思考并簡要寫出你的設計方案．

目的：本次操作實驗的深化，有助于對機械能守恒定律的深入理解與完整闡釋，同時也是今后應用該定律的重要方面．發散學生思維，深入理解“守恒”即變化中的平衡思想．

問題7：除了教材上提供的實驗方法，是否有其他方法來驗證機械能守恒？

目的：打破傳統驗證性實驗課的模式，融入設計實驗內容，通過同組討論給出設計方案．學生合作探究設計實驗，培養其創新精神，同時針對問題提高學生理解力．

3 教學設計的突出點及不足

通過逐級深入的問題分化任務以促進學生對復雜任務的理解與學習，讓學生在課堂中解決問題時體驗成功．設計使用Excel表格收集整理數據，應用散點圖并作出漸趨線，非常直觀，從數學函數圖像上說明守恒關系，對學生是一種認識上的提升，在降低外在負荷的同時還可提高相關認知負荷．融入設計性實驗內容，活化傳統實驗課，讓學生在實驗課中討論生成方案，并積極展示，拓展了實驗教學的內涵，提升了學生的創新能力[3]．通過對教材實驗方案細節的改動，激發學生操作探索的興趣．

綜上并結合實際教學，雖然從教學效果看能夠達成預定教學目標，但我們又在考慮將現代較新實驗儀器比如傳感器引入實驗教學，加入更多些的探究環節，來增加學生的體驗并重新整合設計方案，以期盡可能多地降低內、外在認知負荷與提高相關認知負荷，達到提高實驗教學效果的目的．

實驗教學設計與其他教學設計一樣，追求最好永無止境，尚需在進一步的研究與實踐中得到完善與發展．