認(rèn)知信息加工理論對(duì)單擺實(shí)驗(yàn)改進(jìn)研究

王聰　毋志民　江金　曾毅

摘 要：?jiǎn)螖[是中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中重要的模型之一，實(shí)驗(yàn)在該節(jié)的教學(xué)中起到重要作用。如何使實(shí)驗(yàn)在教學(xué)過程中發(fā)揮更大的作用一直是物理教學(xué)的研究方向。認(rèn)知心理學(xué)中的信息加工理論揭示學(xué)習(xí)過程的認(rèn)知規(guī)律，從心理學(xué)角度分析單擺實(shí)驗(yàn)過程中的認(rèn)知規(guī)律，通過注意、知覺等信息加工過程改進(jìn)單擺實(shí)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：信息加工 單擺實(shí)驗(yàn) 認(rèn)知心理學(xué) 注意 知覺

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-3973（2013）006-182-02

1 引言

實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)科發(fā)展的基礎(chǔ)。單擺作為高中物理教學(xué)中一個(gè)重要的模型，描述了一種常見的機(jī)械振動(dòng)，對(duì)單擺運(yùn)動(dòng)規(guī)律的學(xué)習(xí)是學(xué)生今后研究復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)。現(xiàn)實(shí)生活中的許多擺動(dòng)可以被近似地看成單擺運(yùn)動(dòng)，研究單擺運(yùn)動(dòng)規(guī)律將直接有助于我們解決這類實(shí)際問題。單擺涉及運(yùn)動(dòng)規(guī)律和周期公式的知識(shí)大多來源于實(shí)驗(yàn)，所以對(duì)這節(jié)課的學(xué)習(xí)很大程度上是以課堂的演示實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的。認(rèn)知心理學(xué)是研究信息的獲得、加工和存儲(chǔ)等過程的一門學(xué)科。近年來隨著認(rèn)知心理學(xué)的發(fā)展，它對(duì)學(xué)習(xí)作用的研究也進(jìn)一步加深，通過對(duì)學(xué)習(xí)過程的研究為心理學(xué)在教學(xué)中的應(yīng)用提供了依據(jù)。對(duì)中學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)的分析顯示出了認(rèn)知心理學(xué)在教學(xué)中實(shí)際應(yīng)用的可行性。國(guó)內(nèi)外許多研究都表明將認(rèn)知心理學(xué)應(yīng)用在物理教學(xué)中可以促進(jìn)學(xué)生更快的掌握知識(shí)。本文通過認(rèn)知心理學(xué)中的信息加工過程來分析單擺實(shí)驗(yàn)的教學(xué)過程，運(yùn)用心理學(xué)規(guī)律改進(jìn)實(shí)驗(yàn)過程。

2 信息加工理論

心理學(xué)中的認(rèn)知心理學(xué)用信息加工的觀點(diǎn)研究人的認(rèn)知過程。它主要通過研究人的信息加工過程，包括感覺、知覺、注意、記憶、思維、推理、判斷等，揭示人學(xué)習(xí)、儲(chǔ)存知識(shí)、提取知識(shí)來解決問題的實(shí)質(zhì)。認(rèn)知心理學(xué)的分支很多，在教學(xué)研究中常常使用的是信息加工的理論。其中美國(guó)教育心理學(xué)家加涅提出了一個(gè)信息加工模型，其中第一部分是信息貯存庫(kù)，包括感覺記憶、工作記憶和長(zhǎng)時(shí)記憶。第二個(gè)部分是認(rèn)知加工過程，包括注意、知覺、復(fù)述、組織和檢索等。第三個(gè)成分是元認(rèn)知。信息加工理論認(rèn)為認(rèn)知過程即是學(xué)習(xí)的過程。在信息加工過程中感覺器官接受外界的刺激，將儲(chǔ)存的信息通過注意進(jìn)行選擇，一部分信息被注意到進(jìn)而通過知覺加工，最終形成記憶。

以認(rèn)知加工的模式來研究物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過程，實(shí)驗(yàn)儀器是學(xué)生產(chǎn)生感覺刺激的第一步。認(rèn)知過程是從感覺開始的，觀察是實(shí)驗(yàn)的前提。因此在物理實(shí)驗(yàn)研究中需要考慮學(xué)生感覺規(guī)律，而注意是對(duì)感覺記憶中信息加工的開始，注意是對(duì)刺激的有意識(shí)關(guān)注。在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)要吸引學(xué)生的注意力，需要運(yùn)用注意的規(guī)律。知覺是對(duì)注意的進(jìn)一步加工，物理實(shí)驗(yàn)可以適當(dāng)?shù)臄U(kuò)大知覺的范圍，以形成理解和記憶。

3 單擺實(shí)驗(yàn)

單擺在學(xué)習(xí)簡(jiǎn)諧振動(dòng)后的一節(jié)內(nèi)容，將一種特殊的簡(jiǎn)諧振動(dòng)簡(jiǎn)化為單擺這一模型。單擺實(shí)驗(yàn)主要的目的是使學(xué)生了解單擺的組成，演示單擺運(yùn)動(dòng)，通過運(yùn)動(dòng)過程推斷單擺周期，用單擺測(cè)重力加速度。內(nèi)容包括單擺的組成，單擺回復(fù)力的形成，單擺的周期及單擺的等時(shí)性等知識(shí)點(diǎn)。

單擺實(shí)驗(yàn)的過程一般使用一個(gè)帶支架的擺球來演示單擺運(yùn)動(dòng)，通過改變擺長(zhǎng)使振動(dòng)周期發(fā)生變化。通過測(cè)量擺長(zhǎng)和運(yùn)動(dòng)時(shí)間通過周期公式計(jì)算重力加速度。近年來有許多對(duì)單擺實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)研究，例如一些改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)儀器將光電計(jì)時(shí)器裝在實(shí)驗(yàn)儀器上，自動(dòng)記錄單擺的運(yùn)動(dòng)周期，或通過復(fù)雜的電子儀器自動(dòng)完成周期測(cè)量，以及研究如何減少單擺實(shí)驗(yàn)的測(cè)量誤差等。這些研究為單擺實(shí)驗(yàn)的進(jìn)一步完善奠定了基礎(chǔ)。

4 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)

單擺實(shí)驗(yàn)按照教學(xué)的目的可以劃分為演示單擺這一模型，推斷單擺周期公式，測(cè)量重力加速度這三個(gè)部分。在教學(xué)過程中可以將這幾部分實(shí)驗(yàn)分開處理，以下分別對(duì)這三個(gè)部分進(jìn)行討論。

4.1 演示單擺運(yùn)動(dòng)

演示單擺的運(yùn)動(dòng)是為了使學(xué)生了解什么是單擺運(yùn)動(dòng)，形成抽象的物理模型。單擺現(xiàn)象在生活中很常見，如何引導(dǎo)學(xué)生將生活中的現(xiàn)象與實(shí)驗(yàn)聯(lián)系起來是教學(xué)的重點(diǎn)。在認(rèn)知心理學(xué)中，當(dāng)兩者的相似程度越高時(shí)越容易形成遷移。遷移可以通過前面已有的知識(shí)促進(jìn)新知識(shí)的學(xué)習(xí)。為了便于學(xué)生遷移知識(shí)，可以用輕薄的紙片畫出秋千、電燈、鐘擺等圖像，剪下后用輕繩分別掛在單擺上。推動(dòng)它們做振動(dòng)，歸納它們的特點(diǎn)，進(jìn)而引入單擺是擺球質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于擺線質(zhì)量這一模型。引導(dǎo)學(xué)生將這些物體抽象為一個(gè)球體，形成對(duì)單擺模型的認(rèn)識(shí)。

4.2 推斷單擺周期公式

在推斷單擺公式的實(shí)驗(yàn)過程中，將兩個(gè)單擺并排懸掛在橫桿上，如圖1，通過框形支架讓學(xué)生從a面觀察單擺的運(yùn)動(dòng)。這樣可以避免傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)生不能從正面直觀看到兩個(gè)擺球的完整運(yùn)動(dòng)過程，便于學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)中不同擺長(zhǎng)單擺運(yùn)動(dòng)周期進(jìn)行對(duì)比。兩個(gè)擺球擺長(zhǎng)不同，同時(shí)開始擺動(dòng)可以看到它們不在同一直線上，不用進(jìn)行計(jì)時(shí)就可以觀察出周期的不同。再通過不同質(zhì)量的擺球的運(yùn)動(dòng)對(duì)比可以分析出單擺公式與擺長(zhǎng)有關(guān)而和擺球質(zhì)量無(wú)關(guān)。為了增強(qiáng)對(duì)比性可以給兩個(gè)擺球涂上不同的顏色。為了擴(kuò)大學(xué)生的注意信息，可以利用對(duì)比的方法，在實(shí)驗(yàn)儀器后面加一塊擋板，可以將環(huán)境的影響降低。單擺實(shí)驗(yàn)需要使擺角小于5度，在擋板上畫一個(gè)等腰三角形，中線為單擺經(jīng)過平衡位置時(shí)的位置，如圖1中的2所示。中線兩邊的圖形分別涂上不同的顏色，可以表現(xiàn)單擺的振幅變化，凸顯了單擺經(jīng)過平衡點(diǎn)時(shí)的位置。

4.3 測(cè)量重力加速度

單擺實(shí)驗(yàn)中的周期計(jì)數(shù)過程較為枯燥，學(xué)生很難集中注意，計(jì)數(shù)容易出現(xiàn)誤差。為了引起學(xué)生的注意，可以在實(shí)驗(yàn)儀器上加一個(gè)通過感光進(jìn)行發(fā)聲的裝置，如圖1中1。每當(dāng)單擺通過中間位置時(shí)發(fā)聲一次，可以選取特殊的聲音以引起學(xué)生的興趣，例如：貓叫、玻璃破碎的聲音、爆炸聲等。這樣就使學(xué)生交替的使用多種感官感知實(shí)驗(yàn)過程。聲音可以提高學(xué)生計(jì)數(shù)的準(zhǔn)確性，之所以不采用光電計(jì)時(shí)器自動(dòng)計(jì)數(shù)，是因?yàn)閷W(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的參與度越高，對(duì)實(shí)驗(yàn)的理解和記憶就越深刻。自動(dòng)計(jì)數(shù)會(huì)使學(xué)生喪失參與實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)。

還可以在實(shí)驗(yàn)儀器上放一個(gè)較大的電子秒表，如圖1中的3所示。實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)生需要一邊計(jì)數(shù)一邊注意計(jì)時(shí)。非常容易產(chǎn)生誤差、為了解決這一問題，實(shí)驗(yàn)中常常采用一人計(jì)數(shù)，一人計(jì)時(shí)的方法。這樣會(huì)使學(xué)生部分的完成實(shí)驗(yàn)，不利于形成整體的記憶。人的知覺具有整體性，將計(jì)時(shí)裝置與實(shí)驗(yàn)儀器整合在一起，可以使學(xué)生形成整體記憶。更便于使全體學(xué)生共同參與實(shí)驗(yàn)過程，降低由學(xué)生分別計(jì)時(shí)產(chǎn)生的誤差。在實(shí)驗(yàn)中將刻度直接標(biāo)注在擋板的中線上，當(dāng)單擺處于自然下垂?fàn)顟B(tài)時(shí)，可以直接從擋板上讀出擺線的長(zhǎng)度和擺球的直徑。減少了不熟悉知識(shí)游標(biāo)卡尺對(duì)學(xué)習(xí)的影響，簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)的步驟。

5 實(shí)驗(yàn)的主要改進(jìn)方法

（1）通過顏色的對(duì)比，體現(xiàn)單擺的周期性。使學(xué)生對(duì)單擺的振幅有直觀的認(rèn)識(shí)。

（2）將不同長(zhǎng)度和質(zhì)量的擺球放在同一直線上，同時(shí)開始擺動(dòng)，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的對(duì)比性。

（3）以聲音來輔助學(xué)生進(jìn)行周期的計(jì)數(shù)，以減小實(shí)驗(yàn)的誤差，增加學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的感知。

（4）通過標(biāo)注刻度可以減少實(shí)驗(yàn)的步驟，便于學(xué)生直觀的感受到擺線長(zhǎng)度的變化。

（5）將秒表和實(shí)驗(yàn)儀器結(jié)合在一起，使計(jì)時(shí)和計(jì)數(shù)過程統(tǒng)一在同一平面上，降低了操作的復(fù)雜性。使學(xué)生的計(jì)時(shí)統(tǒng)一，增加實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

6 總結(jié)

為了使學(xué)生對(duì)單擺實(shí)驗(yàn)形成深刻的印象，可以綜合應(yīng)用信息加工過程中的注意、知覺規(guī)律，將認(rèn)知心理學(xué)應(yīng)用在實(shí)驗(yàn)改進(jìn)中。單擺實(shí)驗(yàn)以對(duì)中通過視覺、聽覺等多種感官產(chǎn)生刺激，擴(kuò)大學(xué)生對(duì)信息的接受范圍，將計(jì)時(shí)的秒表和實(shí)驗(yàn)儀器結(jié)合，形成整體的知覺，促進(jìn)學(xué)生對(duì)信息的進(jìn)一步加工。

（基金項(xiàng)目：教育部教指委高等學(xué)校教學(xué)研究項(xiàng)目（WJZW-2010-42-xn），重慶市高等教育教改重點(diǎn)項(xiàng)目（112061），重慶師范大學(xué)教改項(xiàng)目（重師教發(fā)〔2011〕84號(hào)， 重師教發(fā)〔2012〕84號(hào)））

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