基于认知负荷理论的“摩擦力”概念教学

王益军

摘 要：从认知负荷理论角度分析摩擦力概念教学过程中难点的形成原因，并尝试提出降低认知负荷的教学设计。

关键词：认知负荷理论；摩擦力；概念教学

摩擦力一直都是高中力学部分教学的一个难点，很多教师从不同的角度尝试过降低难度的方法。有的教师试图从探究式教学的角度来激发学生的兴趣，有的教师试图通过改变实验器材来降低难度。本文从认知负荷理论的角度分析难点的形成，并试图提出降低认知负荷的措施。

一、认知负荷及其理论概述

认知负荷理论（Cognitive Load Theory简称CLT）。最早是由澳大利亚认知心理学家J.SweUer在Miller等人早期的研究基础上，于20世纪80年代提出的。按认知负荷的不同来源，可以把认知负荷分为两类：内在的认知负荷（Intrinsic Cognitive Load）和外在的认知负荷（ExtraneousCognitive Load）。内在的认知负荷来源于材料本身的特性（如复杂度），不易被教学设计所改变。对学习者来说，教材各要素的交互性较低时较易理解。因为各要素可被单独处理，不需要参照其他信息；当各要素之间具有高度交互性时，则较难理解，因为需将较多的要素纳入工作记忆中思考，这将造成较高的认知负荷，阻碍学习。外在的认知负荷是认知负荷理论的核心，来源于教材设计与呈现的方式，或教学活动本身，可以通过改善教学设计来降低。

二、“摩擦力”概念中认知负荷的分析

在学习“摩擦力”这一节内容时，学生总是似是而非，如摩擦力是否存在？摩擦力的大小及方向，以及摩擦力是否做功等问题。然而摩擦力不但是力学基础，也是组成整个高中物理知识的一块“基石”。摩擦力中又表现出“动中有静，静中有动”，尤其静摩擦力在许多情形下似乎是“若有若无，方向不定”。在判断摩擦力是否做功时，必须分清是静摩擦力还是滑动摩擦力，如果是静摩擦力做功时，怎样理解“相对静止”和“相对运动”，动摩擦力又怎样理解“运动”和“相对运动”的关系？这些元素不是离散的，而是相互交织在一起的，故产生很高的内在认知负荷。

三、基于认知负荷理论的“摩擦力”概念教学

1.创设情境，提高相关认知负荷，减少内在认知负荷

生动活泼的学习情境能够帮助学习者在较为真实的情境中解决问题，引起学生持续探索的兴趣，唤醒学生长时记忆中的有关图式或知识，多角度、多侧面地认识和解释问题，完成对知识的意义建构。

在本节课中，笔者通过以下设计来激发学生强烈的探究兴趣和学习注意力。

演示筷子提米的实验：在一玻璃杯中放入一定量的大米，插入一支筷子并压紧大米，向上提起筷子会很容易地将筷子拔出；重新将筷子插好，再向米中加少量水，等一会儿，拿起筷子就可以把玻璃杯提起。提问：同学们，究竟是什么力量让小棍提起米杯来呢？（引出课题）

看一看：有趣的摩擦（播放视频1──《鬼子来了》中潘长江所饰鬼子踩在倒了豆子的地面上摔跤的情景。（播放画面2──小朋友捉泥鳅，一捉一滑）。（播放画面3──搬油桶，“移”重于泰山，“滚”轻于鸿毛）

找一找：以自行车为例，哪些地方是增大摩擦？哪些地方是减小摩擦？（出示实物，让学生观察讨论）

2.优化教学设计，降低外在认知负荷

由于外在认知负荷主要是由学习材料的组织和呈现方式引起的，所以可以通过优化教学设计，重新组织信息和材料来降低外在认知负荷。下列方法和原则都能从不同角度减轻学生的外在认知负荷：按邻近原则呈现材料，避免注意力分散；清除多余信息，避免冗余效应发生。

笔者设计如下问题串：（以下问题的讨论均在该平面内无其他作用力的情况下）

问题1.一物体以速度v0沿水平地面向右运动，受到地面的滑动摩擦力方向如何？

问题2.将一物体轻轻放在以速度v0沿水平向右运动的车厢

上，受到车厢的滑动摩擦力方向如何？

问题3.将一物体以向右的速度v0，放在速度为v沿水平向左运动的车厢上，受到车厢的滑动摩擦力方向如何？

问题4.将一物体以向右的速度v0，放在速度为v沿水平向右运动的车厢上，受到车厢的滑动摩擦力方向如何？

问题5.将一物体以向右的速度v0，放在速度为v方向与v0垂直的沿水平运动的车厢上，受到车厢的滑动摩擦力方向如何？

问题6.以上问题中，运动过程中摩擦力大小是否相同（同一物体，同一车厢）？

问题7.以上问题中，运动过程中摩擦力方向是否改变？

问题8.地面是静止的吗？

通过以上问题的讨论，应该让学生明白：

（1）两物体有相对运动，才会受滑动摩擦力；

（2）某物体所受滑动摩擦力方向，与该物体相对于施力物体的运动方向相反；

（3）物体所受滑动摩擦力方向与速度大小、方向无关，与相对速度大小也无关，在相对运动过程中方向不变；

（4）如选施力物体为参照物，问题就可简化为相对参照物的匀减速直线运动；

（5）地面仅是参照物的一种，其他物体也可作为参照物。

本文从认知负荷理论的角度，分析了摩擦力概念教学的难点和原因。通过设置悬念创设情境激发学生学习的动机和兴趣；提高了学生的相关认知负荷，降低了内在认知负荷；通过优化教学设计减轻外在认知负荷，保证了学生在学习的过程中认知负荷不超载，提高了摩擦力概念课堂教学的有效性。

参考文献：

[1]张新华.引导学生独立地发现和探索问题：谈“楞次定律”的探究式教学设计[J].物理教学探讨，2009（06）：14.

[2]朱向阳，施朝群.“楞次定律”教学探讨与实验设计[U].物理实验，2010（06）：20.

[3]李志专.认知负荷理论的解读及启示[J].煤炭高等教育，2009（01）：50.

编辑 鲁翠红