鄭蘭花 黃樹清

(福建師范大學(xué)物理與能源學(xué)院 福建 福州 350108)

實(shí)驗(yàn)在物理教學(xué)中占據(jù)著重要地位，通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)，能夠讓學(xué)生了解物理學(xué)家科學(xué)探究的過程，加深對(duì)物理概念規(guī)律的理解.近年來隨著素質(zhì)教育與核心素養(yǎng)的提出，許多中學(xué)教師開始越來越重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)，重視利用實(shí)驗(yàn)提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng).但是目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)還存在許多問題，如不夠合理利用資源輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)；不夠認(rèn)真鉆研教材去選擇恰當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)講授方式，不夠充分激發(fā)學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究欲望.為了能夠攻破這些問題，充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)教學(xué)的作用，筆者根據(jù)認(rèn)知負(fù)荷理論，從認(rèn)知負(fù)荷3種分類角度分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)，并提出相應(yīng)的教學(xué)措施改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué).

1 合理利用資源 減少外在認(rèn)知負(fù)荷

外在認(rèn)知負(fù)荷是由學(xué)習(xí)材料的組織形式和呈現(xiàn)方式引起的[1]，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中主要體現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)器材的選擇與多媒體教學(xué)的設(shè)計(jì).在認(rèn)知負(fù)荷理論指導(dǎo)下，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中教師應(yīng)合理利用現(xiàn)有教學(xué)資源，優(yōu)化材料的呈現(xiàn)方式，在實(shí)驗(yàn)器材的選擇和多媒體的使用上有效減少外在認(rèn)知負(fù)荷.

1.1 挑選合適器材

實(shí)驗(yàn)教學(xué)中必不可少的就是實(shí)驗(yàn)器材，實(shí)驗(yàn)器材的選擇也是成功教學(xué)的關(guān)鍵.在實(shí)際教學(xué)中，教師往往不能夠針對(duì)性地選擇合適的器材，導(dǎo)致在課上演示實(shí)驗(yàn)時(shí)，現(xiàn)象不夠直觀明顯，使得學(xué)生不能很好的直接獲取信息，增加外在認(rèn)知負(fù)荷.因此，在挑選實(shí)驗(yàn)儀器時(shí)要根據(jù)以下兩點(diǎn)：

(1)生活化，物理來源于生活，生活中的許多現(xiàn)象都需要物理知識(shí)解釋，實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,我們應(yīng)利用這一優(yōu)勢(shì),注重與現(xiàn)實(shí)生活的緊密聯(lián)系,挖掘生活中與物理相關(guān)的素材或資源，將物理生活化[2]，增加親切感，熟悉物體的呈現(xiàn)能夠減少學(xué)生信息加工的難度，降低外在認(rèn)知負(fù)荷.例如在“物體的浮與沉”這節(jié)課中，為了能夠讓學(xué)生明白改變液體密度就會(huì)改變物體的浮沉狀態(tài)，演示不同濃度鹽水中的雞蛋，往清水中不斷加鹽攪拌，可觀察到雞蛋由原來的下沉到懸浮在水中再到上升，最終處于漂浮狀態(tài).如圖1，鹽和雞蛋都是生活中的常見物體，實(shí)驗(yàn)涉及到的原理較為簡(jiǎn)單即為生活常識(shí)——改變鹽水濃度即為改變液體的密度，通過演示這類實(shí)驗(yàn)，能讓學(xué)生感受到生活與所學(xué)物理知識(shí)密切相關(guān)，降低學(xué)習(xí)物理的陌生感，使學(xué)生更容易接收知識(shí)，減少外在認(rèn)知負(fù)荷.

圖1 物體的浮與沉實(shí)驗(yàn)

(2)先進(jìn)化，在實(shí)際實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，可以優(yōu)先挑選一些較為先進(jìn)的設(shè)備，能夠直觀地顯示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，免去數(shù)據(jù)處理的麻煩，視覺上的沖擊能使學(xué)生較快接收信息，降低外在認(rèn)知負(fù)荷.例如在“超重與失重”一節(jié)中，為了能夠讓學(xué)生明白超重和失重的條件，往常教師都是舉電梯上升和下降的例子，通過身體反應(yīng)來說明超重和失重狀態(tài)，但身體反應(yīng)摻雜了主觀因素，且還需要轉(zhuǎn)換為物理語言，增加負(fù)擔(dān)，并不利于知識(shí)學(xué)習(xí).因此在本環(huán)節(jié)可以設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生站在壓力傳感器上站起和下蹲，同時(shí)在DIS系統(tǒng)中顯示每一時(shí)刻的壓力值.根據(jù)觀察每一時(shí)刻壓力值與重力作比較就可以說明超重和失重狀態(tài)，實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)顯示能減少接收信息上的障礙，減少了外在認(rèn)知負(fù)荷，使學(xué)習(xí)更高效.運(yùn)用較為先進(jìn)的器材不僅可以激發(fā)好奇心，增加學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，同時(shí)也間接展示了物理儀器的先進(jìn)性，為今后的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ).

實(shí)驗(yàn)器材多種多樣，教師要根據(jù)實(shí)際課程內(nèi)容挑選器材.合適的器材不僅能吸引學(xué)生的注意力，更加關(guān)注實(shí)驗(yàn)本身，而且能保證實(shí)驗(yàn)呈現(xiàn)明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，降低對(duì)學(xué)習(xí)策略的關(guān)注，減少外在認(rèn)知負(fù)荷，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果.

1.2 優(yōu)化多媒體教學(xué)

運(yùn)用多媒體教學(xué)是教師常用的現(xiàn)代化教學(xué)手段，在當(dāng)前的教學(xué)中，個(gè)別教師沒有從學(xué)生的角度出發(fā)去精心設(shè)計(jì)多媒體教學(xué)方案，信息傳遞不流暢、學(xué)習(xí)材料呈現(xiàn)方式不對(duì)，造成了學(xué)生外在認(rèn)知負(fù)荷增大[3].外在認(rèn)知負(fù)荷過重，會(huì)增加學(xué)生學(xué)習(xí)壓力，使學(xué)生失去學(xué)習(xí)動(dòng)力.

筆者研究發(fā)現(xiàn)運(yùn)用多媒體技術(shù)將實(shí)驗(yàn)講解變得具有條理化[4]，如圖2可以使學(xué)生清楚實(shí)驗(yàn)探究的每個(gè)過程.講解實(shí)驗(yàn)過程中，可將實(shí)驗(yàn)過程中的一些重點(diǎn)畫面通過課件呈現(xiàn)，標(biāo)記重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)關(guān)鍵信息，加深學(xué)生對(duì)重點(diǎn)信息的關(guān)注，降低了外在認(rèn)知負(fù)荷.如圖3以“探究彈力與彈簧伸長(zhǎng)量之間的關(guān)系”為例，要讓學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)時(shí)，可在課件上呈現(xiàn)注意事項(xiàng)，減少實(shí)驗(yàn)過程的盲目性，對(duì)學(xué)習(xí)目的更明確.運(yùn)用多媒體能夠插入圖文或播放視頻，可化抽象為具體，將枯燥無味的實(shí)驗(yàn)講解變得形象生動(dòng).實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，涉及到實(shí)驗(yàn)儀器(如打點(diǎn)計(jì)時(shí)器)的講解時(shí)，將裝置圖配上各個(gè)部件的文字說明整合在一張課件中，同時(shí)使用文本與圖片會(huì)比單純的使用圖片效果更佳，這樣的呈現(xiàn)形式能夠使學(xué)生更直觀更深刻地了解儀器的各部分構(gòu)造，學(xué)生能夠從文字與圖片上同時(shí)加工相關(guān)信息，有效擴(kuò)大認(rèn)知容量，減少學(xué)習(xí)者總的認(rèn)知負(fù)荷.

圖2 實(shí)驗(yàn)過程

圖3 彈力實(shí)驗(yàn)及注意事項(xiàng)

教師要合理設(shè)計(jì)課件，減少冗余信息，直觀精確地呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，更高效地傳遞學(xué)習(xí)信息，減少外在認(rèn)知負(fù)荷，提高教學(xué)效率.

2 自主動(dòng)手探究 降低內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷

內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷是由所學(xué)教材內(nèi)容本身的復(fù)雜程度所決定的，帶有固有性.物理知識(shí)本身就帶有難度，需要有較強(qiáng)的理性思維，學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷一般較高，因此,我們只能在設(shè)計(jì)時(shí)盡量降低難度.教師如果沒有合理設(shè)計(jì)教學(xué)方案，照搬書本知識(shí)講授實(shí)驗(yàn)，就會(huì)占用較多的知識(shí)加工資源，增加內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷，阻礙學(xué)生學(xué)習(xí).認(rèn)知水平不同，相對(duì)難度也會(huì)不同，教師在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)要考慮到學(xué)生的認(rèn)知水平，當(dāng)實(shí)驗(yàn)難度大時(shí)，內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷就會(huì)越高[5].內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷過高，就會(huì)導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)困難.

實(shí)驗(yàn)越復(fù)雜，涉及到的物理思想就越多，加工的要求就越高.進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，可適當(dāng)?shù)刈寣W(xué)生自己動(dòng)手探索出實(shí)驗(yàn)方案，降低實(shí)驗(yàn)教學(xué)的難度，降低學(xué)生的內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷.在高中“探究滑動(dòng)摩擦力大小與物體間壓力、接觸面的粗糙程度關(guān)系”這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，高中生有一定的自主探究能力，故可以給學(xué)生分發(fā)器材讓他們動(dòng)手組裝，不斷探索出可行性高的實(shí)驗(yàn)方案，要保證物體穩(wěn)定且又能受到摩擦力，聯(lián)想到靜止物體也能受到摩擦力，且實(shí)驗(yàn)時(shí)只要保證下面木板運(yùn)動(dòng)即可，為了便于讀數(shù)可通過滑輪將彈簧測(cè)力計(jì)掛于豎直方向，裝置如圖4所示.相比于直接呈現(xiàn)裝置講解實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生動(dòng)手探究，更能讓學(xué)生體會(huì)到實(shí)驗(yàn)中包含的思想，降低學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)上的難度，有效地減少了內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷.

圖4 高中摩擦力實(shí)驗(yàn)裝置圖

在教學(xué)中，通過深入分析教材，根據(jù)學(xué)生認(rèn)知水平，適度讓學(xué)生動(dòng)手探究，自主思考降低理解上的困難，降低內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷，促進(jìn)知識(shí)的學(xué)習(xí).

3 創(chuàng)設(shè)探究情境 增大關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷

關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷，是指學(xué)習(xí)過程中幫助圖式的構(gòu)建和圖式自動(dòng)化，對(duì)學(xué)習(xí)是有促進(jìn)作用.在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中教師能否激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情是關(guān)鍵，實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚣ぐl(fā)學(xué)習(xí)欲望，幫助學(xué)習(xí)者更好地掌握所學(xué)知識(shí)，形成圖式自動(dòng)化，提高關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷.如果教師不注意加強(qiáng)知識(shí)之間的聯(lián)系，學(xué)生會(huì)因無法將零散的知識(shí)具有邏輯性地關(guān)聯(lián)起來，圖式的構(gòu)建遇到阻礙，降低關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷.關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷低，不能促進(jìn)學(xué)生對(duì)知識(shí)的深層理解[6].

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，應(yīng)創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)探究情境，讓學(xué)生多維度理解知識(shí)，幫助構(gòu)建圖式.在牛頓第一定律一節(jié)中，為了讓學(xué)生能夠意識(shí)到亞里士多德觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的，往常教師都是口頭帶過伽利略理想實(shí)驗(yàn)，缺乏真實(shí)體驗(yàn)感，無法讓學(xué)生真正體會(huì)伽利略科學(xué)探究過程，只會(huì)讓學(xué)生被動(dòng)地接受結(jié)論，不利于在知識(shí)間搭建橋梁，關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷較低.為了能讓學(xué)生主動(dòng)探索新知識(shí)，教師制作教具模擬理想實(shí)驗(yàn)，如圖5所示，通過每次不斷減少右側(cè)斜面坡度，小球還是會(huì)沿斜面上升到與原來下落點(diǎn)等高的位置，直到右側(cè)變?yōu)樗矫?，小球因無法達(dá)到相同高度而一直滾下去，得出結(jié)論--力不是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因，此過程讓學(xué)生體會(huì)到科學(xué)探究過程，見證了知識(shí)的發(fā)展歷程，促進(jìn)知識(shí)圖式的構(gòu)建，增大了關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷.

圖5 伽利略理想實(shí)驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，通過情境的創(chuàng)設(shè)能引起學(xué)生注意，可以嘗試使學(xué)生更加積極主動(dòng)地參與到實(shí)驗(yàn)原理和過程的講解中，幫助學(xué)生自主構(gòu)建知識(shí)，完善知識(shí)結(jié)構(gòu)，提高相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷，加強(qiáng)關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷，提高學(xué)習(xí)效率和質(zhì)量.

4 總結(jié)

物理是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，在教學(xué)中應(yīng)注重實(shí)驗(yàn)教學(xué)部分.認(rèn)知負(fù)荷理論的提出給物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供方向，在該理論的指導(dǎo)下，選擇適當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)器材，優(yōu)化學(xué)習(xí)材料呈現(xiàn)方式，減少外在認(rèn)知負(fù)荷；根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知水平，適度讓其自主動(dòng)手探究，降低理解知識(shí)上的困難，降低外在認(rèn)知負(fù)荷；創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)情境，幫助構(gòu)建完整知識(shí)體系，加強(qiáng)關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果更高效更有質(zhì)量.