創(chuàng)設(shè)問題情境 降低認(rèn)知負(fù)荷*
——驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的教學(xué)設(shè)計(jì)

李葵花

(承德醫(yī)學(xué)院 河北 承德 067000)

邊江

(承德第一中學(xué) 河北 承德 067000)

霍云亮

(承德市教育局 河北 承德 067000)

認(rèn)知負(fù)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(xué)設(shè)計(jì)的目的就是為了能夠幫助學(xué)習(xí)者順利開展學(xué)習(xí)活動(dòng)，即用最少的心理資源獲取最多的知識(shí)．物理教學(xué)的過程應(yīng)當(dāng)是一個(gè)不斷提出問題和解決問題的過程．通過問題的創(chuàng)設(shè)使學(xué)生進(jìn)入問題“探索者”的角色，從而激起學(xué)生思維的欲望，是降低學(xué)生認(rèn)知負(fù)荷的有效途徑[1]．

本文以驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律實(shí)驗(yàn)為例進(jìn)行問題教學(xué)設(shè)計(jì)，探討降低學(xué)生學(xué)習(xí)過程中認(rèn)知負(fù)荷的具體方法，力求收到較好的效果．

1 認(rèn)知負(fù)荷分析

機(jī)械能守恒定律在高中物理理論和應(yīng)用方面十分重要，同時(shí)也要為今后學(xué)習(xí)守恒規(guī)律奠定思想基礎(chǔ)，在教學(xué)設(shè)計(jì)中讓學(xué)生了解實(shí)驗(yàn)規(guī)律的發(fā)現(xiàn)過程，并將實(shí)驗(yàn)方法應(yīng)用到其他問題中，所以要學(xué)生體驗(yàn)并深入理解這種方法尤其重要[2]．

但在機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中學(xué)生存在著較大的認(rèn)知負(fù)荷，主要表現(xiàn)在：

(1)機(jī)械能守恒定律理論與實(shí)踐的融合，即建模問題，是學(xué)生最易困惑之處，這是源于知識(shí)本身的內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷；

(2)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的固化模式，因?qū)W生已經(jīng)學(xué)習(xí)了相關(guān)規(guī)律，通常實(shí)驗(yàn)都是安排好實(shí)驗(yàn)方案，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中往往也是只知其然而不知其所以然，這是因呈現(xiàn)方式而給學(xué)生增加的外在認(rèn)知負(fù)荷；

(3)數(shù)據(jù)的收集、整理與處理，一直是中學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰ι系谋∪觞c(diǎn)，教材呈現(xiàn)上并未能強(qiáng)化，這樣形成一種外在認(rèn)知負(fù)荷；

(4)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課的組織形式與教學(xué)策略陳舊，不能有效增加學(xué)生學(xué)習(xí)中的主動(dòng)投入，進(jìn)而無(wú)法提高相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷．

2 教學(xué)過程設(shè)計(jì)

2.1 創(chuàng)設(shè)情境引導(dǎo)構(gòu)建物理模型降低內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷

播放截取的“運(yùn)動(dòng)員投擲鉛球的運(yùn)動(dòng)”視頻，情境引入，提出以下問題：鉛球是種技術(shù)性較強(qiáng)的競(jìng)技運(yùn)動(dòng)，如果不計(jì)空氣阻力，拋出后的鉛球機(jī)械能是否變化？

目的：物理就在生活中，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，但實(shí)際物體與物理模型還是有差別的．強(qiáng)化學(xué)生的建模意識(shí)，抓主要因素，忽略次要因素．引導(dǎo)學(xué)生了解質(zhì)點(diǎn)模型和剛體模型的差別，向?qū)W生說明不考慮鉛球的轉(zhuǎn)動(dòng)問題，鉛球才能看作質(zhì)點(diǎn)．對(duì)學(xué)習(xí)好的學(xué)生可以拓展鉛球擲出后存在的轉(zhuǎn)動(dòng)問題，此時(shí)鉛球需看作剛體，其動(dòng)能包括平動(dòng)動(dòng)能和轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能兩部分．

2.2 構(gòu)建問題案式的遞進(jìn)式問題降低外在認(rèn)知負(fù)荷

摒棄“講-做-練”模式，采用問題案方式引導(dǎo)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，通過一系列遞進(jìn)式問題，把實(shí)驗(yàn)中的難點(diǎn)分解、逐層深入、分化任務(wù)以促進(jìn)學(xué)生對(duì)復(fù)雜任務(wù)的理解與學(xué)習(xí)．具體設(shè)計(jì)如下.

問題1：如果采用高中物理教材上提供的實(shí)驗(yàn)方法，驗(yàn)證到什么結(jié)果就可以說驗(yàn)證了機(jī)械能守恒？注意思考重物質(zhì)量是否一定要進(jìn)行測(cè)量？

學(xué)生討論后能夠解答：

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

發(fā)生函數(shù)的方法在解決格路計(jì)數(shù)問題中有著很強(qiáng)的實(shí)用性，是解決格路問題的一種典型方法。有不少組合計(jì)數(shù)問題都是對(duì)任一給定的非負(fù)整數(shù)n，求一個(gè)與n有關(guān)的數(shù)an，因此本質(zhì)上是求一個(gè)未知數(shù)列{an:n≥0}。發(fā)生函數(shù)方法的基本思想是：欲求未知數(shù)列{an:n≥0}，可先求出由此數(shù)列做成的冪級(jí)數(shù)的和函數(shù)再反過來把f(x)展成冪級(jí)數(shù)以求出an。發(fā)生函數(shù)方法已成為離散數(shù)學(xué)領(lǐng)域中的重要方法，其以某種統(tǒng)一的程序方式處理和解決眾多不同類型的問題。

(2)測(cè)算出物體運(yùn)動(dòng)過程中動(dòng)能的增量(或減少量)和勢(shì)能的減少量(或增加量)，看是否相等來驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律是否成立．可得出物體質(zhì)量不需測(cè)量的明確結(jié)果．

問題2：如何測(cè)量自由落體運(yùn)動(dòng)物體的重力勢(shì)能的減少量？如何測(cè)量相應(yīng)過程動(dòng)能的增加量？

目的：引導(dǎo)學(xué)生自主理清實(shí)驗(yàn)原理并從操作層面上歸納出測(cè)量勢(shì)能減少與動(dòng)能增加的方法．培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)習(xí)慣，提高總結(jié)歸納能力．

問題3：為增加實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性，你會(huì)怎樣做？

目的：讓學(xué)生注意一個(gè)過程的多點(diǎn)測(cè)量與多過程的測(cè)量結(jié)果是否存在相同的規(guī)律．培養(yǎng)學(xué)生縝密思維與務(wù)實(shí)精神．同時(shí)提出對(duì)教材上固定紙帶與固定打點(diǎn)計(jì)時(shí)器方法的改進(jìn)．

問題4：假設(shè)重物質(zhì)量m=1 kg，g=9.8 m/s2，其余各量均按國(guó)際單位制填寫數(shù)據(jù)．

(2)如果用一條紙帶的多個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)來完成該驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，記錄和處理你的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)．多點(diǎn)測(cè)量和多過程測(cè)量是否存在相同的規(guī)律呢？

目的：培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)、務(wù)實(shí)的科學(xué)態(tài)度，并鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力．引導(dǎo)學(xué)生將兩種測(cè)量過程中得出的數(shù)據(jù)，填入Excel表格中，做散點(diǎn)圖并作出漸趨線，學(xué)生發(fā)現(xiàn)各點(diǎn)斜率逼近同一數(shù)值，說明同一過程與多個(gè)過程存在相同的規(guī)律．

問題5：實(shí)驗(yàn)中的誤差主要來源可能是什么？

目的：學(xué)生可回答出下落中的空氣阻力，紙帶與打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的摩擦．實(shí)際上測(cè)量、計(jì)算誤差也會(huì)造成數(shù)據(jù)結(jié)果偏差；重點(diǎn)提出重物的質(zhì)量雖然在計(jì)算中不影響結(jié)論的得出，但是在實(shí)際操作中卻會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)誤差帶來影響，設(shè)想極限情況：克服阻力做功相對(duì)重力做功不能忽略，會(huì)使實(shí)驗(yàn)失?。寣W(xué)生學(xué)會(huì)發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)誤差產(chǎn)生的原因和減小誤差的方法，深刻體會(huì)守恒條件．實(shí)驗(yàn)中的誤差來源分析能有利于學(xué)生養(yǎng)成反思習(xí)慣，提高學(xué)生對(duì)事物的評(píng)估能力．

問題6：本實(shí)驗(yàn)中如果第一個(gè)點(diǎn)不是從靜止釋放時(shí)所打，該如何驗(yàn)證機(jī)械能守恒？能否設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)來“驗(yàn)證連接體系統(tǒng)機(jī)械能守恒”呢？思考并簡(jiǎn)要寫出你的設(shè)計(jì)方案．

目的：本次操作實(shí)驗(yàn)的深化，有助于對(duì)機(jī)械能守恒定律的深入理解與完整闡釋，同時(shí)也是今后應(yīng)用該定律的重要方面．發(fā)散學(xué)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(shí)驗(yàn)方法，是否有其他方法來驗(yàn)證機(jī)械能守恒？

目的：打破傳統(tǒng)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)課的模式，融入設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，通過同組討論給出設(shè)計(jì)方案．學(xué)生合作探究設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)其創(chuàng)新精神，同時(shí)針對(duì)問題提高學(xué)生理解力．

3 教學(xué)設(shè)計(jì)的突出點(diǎn)及不足

通過逐級(jí)深入的問題分化任務(wù)以促進(jìn)學(xué)生對(duì)復(fù)雜任務(wù)的理解與學(xué)習(xí)，讓學(xué)生在課堂中解決問題時(shí)體驗(yàn)成功．設(shè)計(jì)使用Excel表格收集整理數(shù)據(jù)，應(yīng)用散點(diǎn)圖并作出漸趨線，非常直觀，從數(shù)學(xué)函數(shù)圖像上說明守恒關(guān)系，對(duì)學(xué)生是一種認(rèn)識(shí)上的提升，在降低外在負(fù)荷的同時(shí)還可提高相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷．融入設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，活化傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課中討論生成方案，并積極展示，拓展了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)涵，提升了學(xué)生的創(chuàng)新能力[3]．通過對(duì)教材實(shí)驗(yàn)方案細(xì)節(jié)的改動(dòng)，激發(fā)學(xué)生操作探索的興趣．

綜上并結(jié)合實(shí)際教學(xué)，雖然從教學(xué)效果看能夠達(dá)成預(yù)定教學(xué)目標(biāo)，但我們又在考慮將現(xiàn)代較新實(shí)驗(yàn)儀器比如傳感器引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，加入更多些的探究環(huán)節(jié)，來增加學(xué)生的體驗(yàn)并重新整合設(shè)計(jì)方案，以期盡可能多地降低內(nèi)、外在認(rèn)知負(fù)荷與提高相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷，達(dá)到提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的目的．

實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)與其他教學(xué)設(shè)計(jì)一樣，追求最好永無(wú)止境，尚需在進(jìn)一步的研究與實(shí)踐中得到完善與發(fā)展．