认知信息加工理论对单摆实验改进研究

王聪　毋志民　江金　曾毅

摘 要：单摆是中学物理实验中重要的模型之一，实验在该节的教学中起到重要作用。如何使实验在教学过程中发挥更大的作用一直是物理教学的研究方向。认知心理学中的信息加工理论揭示学习过程的认知规律，从心理学角度分析单摆实验过程中的认知规律，通过注意、知觉等信息加工过程改进单摆实验。

关键词：信息加工 单摆实验 认知心理学 注意 知觉

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）006-182-02

1 引言

实验是物理学科发展的基础。单摆作为高中物理教学中一个重要的模型，描述了一种常见的机械振动，对单摆运动规律的学习是学生今后研究复杂运动的基础。现实生活中的许多摆动可以被近似地看成单摆运动，研究单摆运动规律将直接有助于我们解决这类实际问题。单摆涉及运动规律和周期公式的知识大多来源于实验，所以对这节课的学习很大程度上是以课堂的演示实验为基础的。认知心理学是研究信息的获得、加工和存储等过程的一门学科。近年来随着认知心理学的发展，它对学习作用的研究也进一步加深，通过对学习过程的研究为心理学在教学中的应用提供了依据。对中学生认知结构的分析显示出了认知心理学在教学中实际应用的可行性。国内外许多研究都表明将认知心理学应用在物理教学中可以促进学生更快的掌握知识。本文通过认知心理学中的信息加工过程来分析单摆实验的教学过程，运用心理学规律改进实验过程。

2 信息加工理论

心理学中的认知心理学用信息加工的观点研究人的认知过程。它主要通过研究人的信息加工过程，包括感觉、知觉、注意、记忆、思维、推理、判断等，揭示人学习、储存知识、提取知识来解决问题的实质。认知心理学的分支很多，在教学研究中常常使用的是信息加工的理论。其中美国教育心理学家加涅提出了一个信息加工模型，其中第一部分是信息贮存库，包括感觉记忆、工作记忆和长时记忆。第二个部分是认知加工过程，包括注意、知觉、复述、组织和检索等。第三个成分是元认知。信息加工理论认为认知过程即是学习的过程。在信息加工过程中感觉器官接受外界的刺激，将储存的信息通过注意进行选择，一部分信息被注意到进而通过知觉加工，最终形成记忆。

以认知加工的模式来研究物理实验教学的过程，实验仪器是学生产生感觉刺激的第一步。认知过程是从感觉开始的，观察是实验的前提。因此在物理实验研究中需要考虑学生感觉规律，而注意是对感觉记忆中信息加工的开始，注意是对刺激的有意识关注。在物理实验教学要吸引学生的注意力，需要运用注意的规律。知觉是对注意的进一步加工，物理实验可以适当的扩大知觉的范围，以形成理解和记忆。

3 单摆实验

单摆在学习简谐振动后的一节内容，将一种特殊的简谐振动简化为单摆这一模型。单摆实验主要的目的是使学生了解单摆的组成，演示单摆运动，通过运动过程推断单摆周期，用单摆测重力加速度。内容包括单摆的组成，单摆回复力的形成，单摆的周期及单摆的等时性等知识点。

单摆实验的过程一般使用一个带支架的摆球来演示单摆运动，通过改变摆长使振动周期发生变化。通过测量摆长和运动时间通过周期公式计算重力加速度。近年来有许多对单摆实验的改进研究，例如一些改进的实验仪器将光电计时器装在实验仪器上，自动记录单摆的运动周期，或通过复杂的电子仪器自动完成周期测量，以及研究如何减少单摆实验的测量误差等。这些研究为单摆实验的进一步完善奠定了基础。

4 改进实验

单摆实验按照教学的目的可以划分为演示单摆这一模型，推断单摆周期公式，测量重力加速度这三个部分。在教学过程中可以将这几部分实验分开处理，以下分别对这三个部分进行讨论。

4.1 演示单摆运动

演示单摆的运动是为了使学生了解什么是单摆运动，形成抽象的物理模型。单摆现象在生活中很常见，如何引导学生将生活中的现象与实验联系起来是教学的重点。在认知心理学中，当两者的相似程度越高时越容易形成迁移。迁移可以通过前面已有的知识促进新知识的学习。为了便于学生迁移知识，可以用轻薄的纸片画出秋千、电灯、钟摆等图像，剪下后用轻绳分别挂在单摆上。推动它们做振动，归纳它们的特点，进而引入单摆是摆球质量远远大于摆线质量这一模型。引导学生将这些物体抽象为一个球体，形成对单摆模型的认识。

4.2 推断单摆周期公式

在推断单摆公式的实验过程中，将两个单摆并排悬挂在横杆上，如图1，通过框形支架让学生从a面观察单摆的运动。这样可以避免传统实验过程中学生不能从正面直观看到两个摆球的完整运动过程，便于学生对实验中不同摆长单摆运动周期进行对比。两个摆球摆长不同，同时开始摆动可以看到它们不在同一直线上，不用进行计时就可以观察出周期的不同。再通过不同质量的摆球的运动对比可以分析出单摆公式与摆长有关而和摆球质量无关。为了增强对比性可以给两个摆球涂上不同的颜色。为了扩大学生的注意信息，可以利用对比的方法，在实验仪器后面加一块挡板，可以将环境的影响降低。单摆实验需要使摆角小于5度，在挡板上画一个等腰三角形，中线为单摆经过平衡位置时的位置，如图1中的2所示。中线两边的图形分别涂上不同的颜色，可以表现单摆的振幅变化，凸显了单摆经过平衡点时的位置。

4.3 测量重力加速度

单摆实验中的周期计数过程较为枯燥，学生很难集中注意，计数容易出现误差。为了引起学生的注意，可以在实验仪器上加一个通过感光进行发声的装置，如图1中1。每当单摆通过中间位置时发声一次，可以选取特殊的声音以引起学生的兴趣，例如：猫叫、玻璃破碎的声音、爆炸声等。这样就使学生交替的使用多种感官感知实验过程。声音可以提高学生计数的准确性，之所以不采用光电计时器自动计数，是因为学生对实验的参与度越高，对实验的理解和记忆就越深刻。自动计数会使学生丧失参与实验的机会。

还可以在实验仪器上放一个较大的电子秒表，如图1中的3所示。实验过程中学生需要一边计数一边注意计时。非常容易产生误差、为了解决这一问题，实验中常常采用一人计数，一人计时的方法。这样会使学生部分的完成实验，不利于形成整体的记忆。人的知觉具有整体性，将计时装置与实验仪器整合在一起，可以使学生形成整体记忆。更便于使全体学生共同参与实验过程，降低由学生分别计时产生的误差。在实验中将刻度直接标注在挡板的中线上，当单摆处于自然下垂状态时，可以直接从挡板上读出摆线的长度和摆球的直径。减少了不熟悉知识游标卡尺对学习的影响，简化了实验的步骤。

5 实验的主要改进方法

（1）通过颜色的对比，体现单摆的周期性。使学生对单摆的振幅有直观的认识。

（2）将不同长度和质量的摆球放在同一直线上，同时开始摆动，增强实验的对比性。

（3）以声音来辅助学生进行周期的计数，以减小实验的误差，增加学生对实验的感知。

（4）通过标注刻度可以减少实验的步骤，便于学生直观的感受到摆线长度的变化。

（5）将秒表和实验仪器结合在一起，使计时和计数过程统一在同一平面上，降低了操作的复杂性。使学生的计时统一，增加实验的准确性。

6 总结

为了使学生对单摆实验形成深刻的印象，可以综合应用信息加工过程中的注意、知觉规律，将认知心理学应用在实验改进中。单摆实验以对中通过视觉、听觉等多种感官产生刺激，扩大学生对信息的接受范围，将计时的秒表和实验仪器结合，形成整体的知觉，促进学生对信息的进一步加工。

（基金项目：教育部教指委高等学校教学研究项目（WJZW-2010-42-xn），重庆市高等教育教改重点项目（112061），重庆师范大学教改项目（重师教发〔2011〕84号， 重师教发〔2012〕84号））

参考文献：

[1] 丁钢，梁宁建.应用认知心理学[M].上海：上海教育出版社，2009：1-5.

[2] Chin-Chung Tsai.Content Analysis of Taiwanese 14 year oldsInformation Processing Operations shown in Cognitive Structures Following Physics Instruction， with Relations to Science Attainment and Scientific Epistemological Beliefs[J].Research in Science & Technological Education，1999（17）：2.

[3] L Deslauriers，E Schelew，C Wieman.Improved Learning in a Large-Enrollment Physics Class[J].science，2011：862-864.

[4] 吴增强.论有效教学的心理学支持[J].教育发展研究，2011（04）：39-42.

[5] 杨善堂，刘万里，欧晓霞，等.心理学[M].北京：人民教育出版社，2006：26-30.

[6] 冯新安.“单摆周期”实验教学设计[J].教学仪器与实验，2006（05）：22.

[7] 黄思俞.单摆实验的改进[J].三明师专学报，2000（03）：121-124.

[8] 王金德.“单摆测重力加速度”的实验研究与误差分析[J].铜仁学院学报，2011（03）：126-128.

[9] 田天增.测摆长无需用游标卡尺[J].中学物理教学参考，2001（08）：53.