高中物理“閉合電路歐姆定律”認知負荷分析及教學設計

李林靜 錢長炎 譚小鳳

(安徽師范大學物理與電子信息學院 安徽 蕪湖 241002)

“閉合電路歐姆定律”不僅是部分電路歐姆定律的延伸，還是整個電路部分的中心內容，更是學生學習復雜電路分析的基礎，在整個電路知識體系中起著承上啟下的重要作用.如何在學科核心素養目標的指導下，促進學生對于“閉合電路歐姆定律”的理解，一直以來備受廣大物理教育研究者和高中物理教師的關注.

認知負荷理論是在現代認知心理學研究的成果基礎上提出的一種促進教學設計的理論，致力于根據工作記憶的特點開發和優化教學程序.因此，教師可以將認知負荷理論應用于“閉合電路歐姆定律”教學的主要環節中，通過創設問題情境、類比建構支架、設計探究實驗和教學樣例等一系列教學活動，從而減輕學生的認知負荷，提高教學的有效性.

1 認知負荷理論概述

認知負荷理論是由澳大利亞教育心理學家約翰·斯威勒(John Sweller)于20世紀80年代首先提出，他認為認知負荷是指個體在信息加工和處理的過程中，在一個特定的作業時間內施加于個體心理系統的心理活動總量[1].學習者在學習過程中的認知負荷主要有3種來源：內在認知負荷、外在認知負荷和關聯認知負荷[2].3種認知負荷彼此獨立且具有累加性，可以疊加構成總的認知負荷，認知負荷的橫向分類圖如圖1所示.

圖1 認知負荷的橫向分類

內在認知負荷由學習材料的復雜程度決定，當學習材料具有高元素交互性而學習者又未充分掌握適宜的圖式時會出現較高的內在認知負荷.外在認知負荷由學習材料的呈現方式和學習者需要參與的學習活動決定，教學材料不恰當的呈現方式以及不合適的教學活動都會導致外在認知負荷增加.關聯認知負荷是指與促進圖式構建和圖式自動化過程相關的負荷.因此，有效教學設計應基于學習者的認知規律，盡量減少外在認知負荷，同時增加關聯認知負荷，并且將總的認知負荷控制在學習者工作記憶所能承載的范圍之內[3].

2 高中物理“閉合電路歐姆定律”認知負荷分析

根據認知負荷理論，學生在學習“閉合電路歐姆定律”這節內容時往往困難重重，具有較高的內在、外在認知負荷.究其原因，主要體現在以下4個方面：

(1)電動勢、內阻和非靜電力等物理概念較為抽象，學生在學習時對內電路認識模糊，對電源內阻的存在感到困惑，對非靜電力做功的過程難以理解[4].因此，這是源于知識本身的內在認知負荷.

(2)“閉合電路歐姆定律”的推導過程囿于數學形式的表征，需要運用焦耳定律和能量守恒定律進行推導，并通過演繹推理得出結論，學生難以深入理解“閉合電路歐姆定律”的本質，具有較高的外在認知負荷.

(3)“閉合電路歐姆定律”是一個基于實驗的科學發現的過程，并非是一個演繹推理的結果[5].然而，教科書中沒有設計相關的探究實驗，學生缺乏直接經驗感知和相應的認知過程，這顯然會影響學生的學習效果.

(4)教科書中沒有編排相關的教學樣例，學生缺乏存儲在長時記憶中的問題解決的圖式，不能熟練運用“閉合電路歐姆定律”解決問題.學生處于被動學習狀態，進而無法增加關聯認知負荷．

3 高中物理“閉合電路歐姆定律”教學的主要環節及實施建議

根據上述對高中物理“閉合電路歐姆定律”認知負荷的分析，我們結合學生已有的認知結構以及工作記憶的特點，對“閉合電路歐姆定律”一節內容的教學流程設計如圖2所示.

圖2 高中物理“閉合電路歐姆定律”教學流程圖

3.1 創設問題情境 引入電動勢和內阻的概念

在義務教育階段，學生已經學習了部分電路的歐姆定律，掌握了電壓、電流和電阻的概念.然而，學生存在著錯誤的前概念，認為電源無內阻，電動勢就是電壓[6].為了改變學生錯誤的前概念，教師可以創設問題情境，使學生產生認知沖突，激發學生的學習動機，掌握電動勢和內阻的概念.

問題情境：教師設計了如圖3所示的3個實驗教具，其中圖3(a)的電源E1為兩節全新的1.5 V干電池串聯組成電池組，圖3(b)和(c)的電源E2和E3均為3 V的恒壓電源，小燈泡的額定電壓均為3 V.教師依次閉合圖3(a)和(b)中的開關，小燈泡的亮度逐漸變暗，電壓表V1和V2的示數減小.依次閉合圖3(c)中的開關，小燈泡的亮度不變，電壓表V3的示數不變.這引發了學生激烈的討論，并猜想原因.

學生猜想：圖3(a)的電源E1內部存在著一個類似于圖3(b)中的電阻R，當逐一閉合支路開關，小燈泡兩端的電壓減小，因此小燈泡會逐漸變暗.圖3(c)的電源E3相當于一個理想電源，因此小燈泡的亮度不變.

圖3 小燈泡亮度實驗電路圖

設計意圖：問題情境能夠幫助學習者在較為真實的情境中解決問題，激發學生持續探索的興趣，喚醒學生長時記憶中的有關圖式或知識，完成對知識的意義建構[7].教師可以通過該實驗，引入內阻和電動勢的概念，使學生較為直觀地感受到電源內阻的存在，減少了外在認知負荷，培養了學生的科學思維，提高了學習效率.

3.2 類比建構支架 探究非靜電力做功及能量轉化

通過上述的實驗，學生已經初步了解了電動勢和內阻的概念，但是學生在理解電源內部非靜電力做功仍存在一定的困難，具有較高的內在認知負荷.教師可以類比建構支架，結合表1幫助學生理解非靜電力的概念、非靜電力做功的過程和特點.

表1 3種做功情況過程分析及能量轉化

在學習本節內容之前，學生已經熟悉靜電力做功，也很熟悉功能關系，對非靜電力做功較為陌生[8].因此，教師可以先講授學生較為熟悉的小朋友搬運小球的能量轉化過程和人工瀑布的工作原理，再引出非靜電力的概念，重點分析非靜電力做功與電勢能的變化，非靜電力做功與其他形式能量的變化.

設計意圖：教師通過類比建構支架，旨在喚醒、激發學生投入與圖式建構和圖式自動化相關的認知活動，在一定程度上增加了學生的關聯認知負荷，幫助學生理解非靜電力做功與其他形式能量的變化，培養學生的能量觀念.

3.3 通過實驗探究 理論推演“閉合電路歐姆定律”

通過上述學習，學生已經掌握了內阻、電動勢的概念以及非靜電力做功的過程和特點.有研究者指出，教師可以通過重新設計實驗、精簡實驗步驟，從而減小外在認知負荷，加深學生對物理概念和規律的理解[9].因此，教師可以自制實驗裝置，師生共同探究，建立“閉合電路歐姆定律”，幫助學生理解定律的內容和數學表達式.

我們參考了已有研究者設計的實驗裝置，并在此基礎上進行改進，如圖4所示[10].

圖4 可樂電池結構圖

首先，教師可以將全班學生分為幾個小組，請小組學生相互交流并猜想閉合電路內電路電壓和外電路電壓的關系.然后，通過調節電阻箱改變外電阻，通過E向C，D板間的液面吹氣改變內阻.多次重復實驗，引導學生觀察電壓表V1和V2示數的變化并在實驗數據記錄表中記錄數據.最后，由小組成員共同分析數據發現，電源的電動勢等于閉合電路的內、外電壓之和.在此基礎上，啟發學生利用部分電路歐姆定律,推演“閉合電路歐姆定律”，推演過程如下.

根據實驗數據可得

E=U外+U內

由部分電路的歐姆定律可得

U外=IRU內=Ir

因此

E=IR+Ir

整理后可得

學生在推演“閉合電路歐姆定律”時，教師要充分發揮學生的主體作用，使學生經歷數據分析和基于證據發表見解等過程，培養學生歸納推理、合作交流的能力和實事求是的科學態度[11].

設計意圖：根據集體工作記憶效應，當學習材料的難度較大時，集體學習效果有可能會優于個體學習[12].教師通過自制實驗裝置，進行實驗探究，學生小組之間相互交流討論，提高了學生的集體記憶.教師利用部分電路歐姆定律推演“閉合電路歐姆定律”，基于學生已有的認知結構，利用已有認知結構中的固著點，簡化了數學推導的過程，減少了外在認知負荷，加深了學生對于“閉合電路歐姆定律”的理解.

3.4 設計教學樣例 幫助學生鞏固提升

根據可樂電池的探究實驗，學生已經推導了“閉合電路歐姆定律”的表達式，但不能熟練運用定律解決問題.因此，教師可以通過典型例題，向學生展示完整的解題步驟，并設計變式題讓學生進行訓練，從而強化學生對“閉合電路歐姆定律”的應用，典型例題和變式例題如下所示.

【典型例題】在圖5中，R1=9 Ω，R2=5 Ω.當單刀雙擲開關S撥到位置“1”時，電壓表的示數U1=2.70 V；當S撥到位置“2”時，電壓表的示數U2=2.50 V.求電源的電動勢E和內阻r(電壓表內阻可視為無窮大).

圖5 典型例題電路圖

教師解析過程：由閉合電路歐姆定律可得

當開關S撥到位置“1”時

當開關S撥到位置“2”時

以上兩式代入數據并聯立得

E=3 Vr=1 Ω

【變式題】在圖6中，R1=14 Ω，R2=9 Ω.當單刀雙擲開關S撥到位置“1”時，電流表示數I1=0.2 A；當S撥到位置“2”時，電流表示數I2=0.3 A.求電源的電動勢E和內阻r.

圖6 變式例題電路圖

學生解析過程：由閉合電路歐姆定律可得

當開關S撥到位置“1”時

E=I1R1+I1r

當開關S撥到位置“2”時

E=I2R2+I2r

以上兩式代入數據并聯立得

E=3 Vr=1 Ω

設計意圖：根據樣例效應，在處理復雜認知任務時，如果向學習者提供已經解答的問題樣例，則能有效地提升學習者解決問題的能力[12].教師通過樣例的講解，為學生提供了存儲在長時記憶中的問題解決圖式.學生在解答變式題時，通過教學樣例有效地促進了知識的遷移和應用，增加了關聯認知負荷，強化了學生對“閉合電路歐姆定律”的應用，促進了科學思維的發展.

3.5 課堂小結 拓展思考

在教師的引導下師生共同回顧本節課的內容,重點鞏固總結電動勢和內阻的概念、非靜電力做功及能量轉化、“閉合電路歐姆定律”的探究實驗.此外,為進一步培養學生的科學思維,教師布置課后問題啟發學生思考:如何測量可樂電池的電動勢和內阻？

4 總結與啟示

通過將認知負荷理論應用于高中物理“閉合電路歐姆定律”課堂教學中，提高了教學的有效性，減少了學生認知過程中的外在認知負荷，增加關聯認知負荷以促進認知圖式的生成，對于物理學科核心素養整體目標的落實起到了促進作用.同時，也為我國高中物理教學提供了新的教學思路.

首先，教師在教學設計中要充分考慮到學生的認知負荷，不能脫離實際情況去作一些“理想化”的教學設計.教師選擇學習材料時，要充分利用學生已有認知結構中的固著點，一方面減少了外在認知負荷，另一方面有利于學生原有知識的鞏固.

其次，教師要精簡實驗步驟，突出實驗重點.課堂中演示的實驗裝置不宜太復雜，教師可以采用日常生活中常見材料制作實驗儀器，激發學生的學習興趣，加深學生對于物理概念和規律的理解.

最后，教師可以設計教學樣例，促進知識的遷移和應用，為學生提供存儲在長時記憶中的問題解決圖式，從而增加了關聯認知負荷，培養學生解決問題的能力，提高教學的有效性.