基于认知负荷理论的电气实验衔接--“小灯泡伏安特性曲线测绘”教学思考_滑动变阻器论文

基于认知负荷理论的电学实验衔接——“测绘小灯泡的伏安特性曲线”教学思考，本文主要内容关键词为：电学论文,灯泡论文,负荷论文,认知论文,曲线论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。

      电学实验一直是初、高中考查的重要知识点，从表1可以看出，高中电学实验对学生的操作技能、处理数据和实验设计的能力要求更高，从而形成了初、高中电学实验学习的台阶。“测绘小灯泡的伏安特性曲线”实验是联系初、高中电学实验的纽带。本文尝试以该实验为例，从认知负荷理论的角度探讨如何使学生顺利地跨过这个学习台阶，适应高中电学实验的学习，提高电学实验能力。

      

      一、认知负荷理论及分析

      1.认知负荷理论

      认知负荷理论（Cognitive Load Theory）是心理学家John Sweller在1988年提出的关注工作记忆负荷的理论。认知负荷是指人在信息加工的过程中所必需的心理资源的总和。认知负荷分为内部认知负荷、外部认知负荷和相关认知负荷。内部认知负荷是由于元素间交互形成的，它取决于所要学习的材料的本质与学习者的专业知识之间的交互。外部认知负荷指与学习无关的认知活动引起的认知负荷，比如教学设计不当。相关认知负荷是指与促进图式构建和图式自动化过程相关的负荷。三种类型的认知负荷是相互叠加的。为了促进有效学习的发生，在教学过程中应尽可能优化内部认知负荷，减少外部认知负荷，增加相关认知负荷，并且使总的认知负荷不超出学习者能承受的认知负荷。

      2.“测绘小灯泡的伏安特性曲线”分析

      “测绘小灯泡的伏安特性曲线”在滑动变阻器的连接、电表的读数、作图等方面和初中相比要求较高，从而形成了较高的内部认知负荷。

      首先，滑动变阻器分压接法难理解。（1）分压接法不懂。学生在初中只学习了限流接法，对于分压接法，在滑片移动时为什么可以改变待测电阻的电压不清楚。（2）分压接法连线不会。学生已经习惯了限流接法的“一上一下”连接，分压接法要连接三根线，学生感觉无所适从。（3）滑片的初位置难确定。因为滑动变阻器上有三根导线连接，学生确定滑片的初位置需要考虑。

      其次，电表读数比较复杂。初中实验基本不涉及估读。电表读数是高中实验考查的重点，作为第一个高中电学实验，应该重视它的首因效应，让学生理解读数规则。

      最后，处理数据要求很高。（1）数据测量间隔难把握。初中都是取间隔均匀的数据，而本实验在曲线弯曲部位要多取几组数据。（2）坐标系标度和连线对学生协调能力要求高。初中的图象基本是直线，而本实验为曲线，学生要取合适的标度，连接要光滑。

      二、基于认知负荷理论的教学思考

      （一）设计“前试验”，降低内、外认知负荷

      “前试验（prelab）”是指在做实验之前学生所做的与实验相关的一切知识和技能方面的准备。加强实验前的准备能帮助学生通过强化已有知识和完善知识结构来降低他们在实验过程中产生的内、外认知负荷。研究表明，包括理论回顾和技能提示的实验前预习可以明显降低实验过程中提出低水平问题的学生比例，同时有助于学生在实验中的表现。

      1.用“子目标”理解“分压接法”

      “子目标”策略是指采用附加一个标签或视觉分离方法，分解学习任务为一些有意义的观念性片段的子任务。子目标分解了总目标，并构成有语义的信息组块，从而降低学习任务的内在负荷；另外，子目标内部之间、子目标与总目标的内在联系，可能会促进学习者进行自我解释，导向学习者有意义建构问题图式，产生更多的有效负荷。

      （1）分解电路理解分压接法。刚接触分压接法的学生并不理解图1（1）的电路图为什么可以改变待测电阻R的电压。我们可以把电路图分解成图1（2）所示的电路，让学生理解滑动变阻器ac部分和R是并联的，从而理解待测电阻上的电压是电源电压的一部分。

      

      （2）用数据理解滑动变阻器的选择。学生不理解分压接法为什么要选择阻值较小的滑动变阻器。我们在图2中让阻值为10Ω的滑动变阻器的ac部分电阻均匀变化，求出待测电阻R分别取1Ω、10Ω、1000Ω时R的电压U（电源电压恒定为3V），如表2。从表2可以明显看出，当待测电阻R越大，改变滑动变阻器电阻时U的变化越均匀。这样，学生就直观地理解了选择较小滑动变阻器的原因。

      

      2.用“样例效应”学习电表读数

      斯威勒等指出，在处理复杂认知任务时，如果向学习者提供已经解答的问题样例，则能有效地提升他解决问题的能力，这就是样例效应。样例呈现解决问题所需的程序，凸显关于图式的清晰信息，因而使学生只需注意与图式获得有关的信息，减少尝试错误，从而降低了负荷，促进图式的获得和规则自动化。

      实验室常用的电压表主要有3V和15 V两种量程，电流表主要有0.6 A和3A两种量程。3V和3A量程的电表最小分度分别为0.1 V和0.1A，15 V量程的电表最小分度为0.5 V，0.6 A量程的电表最小分度为0.02 A。这涉及十分度估读、五分度估读和二分度估读。可以通过样例详细介绍三种读数方法，让学生领悟、模仿和应用。

      （二）借助“模拟前实验”，降低内部认知负荷

      研究表明，用电脑模拟前实验有助于学生形成更多的结构图式，降低他们在实验过程中产生的认知负荷，从而提高实验教学的效果。

      （1）实验操作过程的模拟。学生通过前实验理解了实验原理和基本操作，但和实际操作过程仍然有差距。通过模拟线路连接过程、实验操作过程，有利于提高实验操作技能，提高在实验过程中处理问题的能力。

      （2）数据处理过程的模拟。数据的记录、坐标系的建立、标度的确立、描点、连线等处理数据的过程对学生的操作技能和协调能力有很高的要求，通过模拟，能够使学生熟悉数据处理过程，迅速掌握处理数据的要点，提高处理的技能。

      （三）优化“实验手册”，降低外部认知负荷

      研究发现把课文与图表整合在一起的整合图表型实验手册（包括用图片和表格描述新设备、仪器结构的正确使用过程与实验先后步骤）有助于学生在学业成就测试和操作技能测试中取得高分，也能激活学生对实验活动的积极态度。

      1.预设步骤，电路连接

      电路连接容易出错的原因是学生往往随意连接导线，没有连接顺序。在实验手册中，可以通过电路图和实物图的方式把电路拆分，要求学生按两个步骤连接电路。第一步，按图2的实物图连接。连接滑动变阻器、开关和电源回路。第二步，按图3的实物图连接。先把电流表和小灯泡连入电路，接着把电压表连入电路，最后检查滑动变阻器的滑片位置。

      

      

      2.预设表格，数据读取

      数据的选取是决定图线是否完整和正确的关键。小灯泡的电压在0.4 V左右范围内变化时，小灯泡的温度变化明显，U-I图象弯曲厉害，应该多取几组U、I数据。为了简化，可以预设表格和电压值（0 V、0.10 V、0.20 V、0.30 V、0.40 V、0.50 V、0.60 V、1.00 V、1.50 V、2.00 V、2.50 V、3.00 V），只要学生读取相应的电流值。在实验手册中提醒学生电流表量程是0.6 A，最小分度为0.02 A，估读为0A或0.01A。

      3.预设故障，自我排除

      在电路连接正确的情况下有两类问题是学生难以判断和排除的。一是合上开关发现两电表均有读数，可是小灯泡不亮。其实小灯泡不亮是因为电压低温度低；二是合上开关发现电压表有读数而电流表没有读数。可能是小灯泡坏了或者小灯泡与灯座没有旋紧。

      4.预设提示，数据处理

      通过预设提示，引领学生建立坐标系、标度选择、描点、连线。

      提示1：原点标了没有？纵轴和横轴分别是什么物理量，单位是什么？

      提示2：怎样选取电压、电流的标度才能使点的间隔足够大？

      提示3：连线时，要让大多数的点落在线上，少数没有落在线上的点应该分布在曲线两侧。可以先模拟连线几次，熟练后一气呵成用铅笔连成光滑的曲线。

      本文分析了“测绘小灯泡的伏安特性曲线”实验中的内在认知负荷，利用“前试验”、“模拟实验”和“实验手册”降低内在认知负荷和外在认知负荷，提高电学实验教学的有效性，从而有利于学生跨越电学实验的台阶，提高学生实验操作能力和创造能力。

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