王聰　毋志民　江金　曾毅

摘 要：單擺是中學(xué)物理實驗中重要的模型之一，實驗在該節(jié)的教學(xué)中起到重要作用。如何使實驗在教學(xué)過程中發(fā)揮更大的作用一直是物理教學(xué)的研究方向。認(rèn)知心理學(xué)中的信息加工理論揭示學(xué)習(xí)過程的認(rèn)知規(guī)律，從心理學(xué)角度分析單擺實驗過程中的認(rèn)知規(guī)律，通過注意、知覺等信息加工過程改進(jìn)單擺實驗。

關(guān)鍵詞：信息加工 單擺實驗 認(rèn)知心理學(xué) 注意 知覺

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-3973（2013）006-182-02

1 引言

實驗是物理學(xué)科發(fā)展的基礎(chǔ)。單擺作為高中物理教學(xué)中一個重要的模型，描述了一種常見的機械振動，對單擺運動規(guī)律的學(xué)習(xí)是學(xué)生今后研究復(fù)雜運動的基礎(chǔ)?，F(xiàn)實生活中的許多擺動可以被近似地看成單擺運動，研究單擺運動規(guī)律將直接有助于我們解決這類實際問題。單擺涉及運動規(guī)律和周期公式的知識大多來源于實驗，所以對這節(jié)課的學(xué)習(xí)很大程度上是以課堂的演示實驗為基礎(chǔ)的。認(rèn)知心理學(xué)是研究信息的獲得、加工和存儲等過程的一門學(xué)科。近年來隨著認(rèn)知心理學(xué)的發(fā)展，它對學(xué)習(xí)作用的研究也進(jìn)一步加深，通過對學(xué)習(xí)過程的研究為心理學(xué)在教學(xué)中的應(yīng)用提供了依據(jù)。對中學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)的分析顯示出了認(rèn)知心理學(xué)在教學(xué)中實際應(yīng)用的可行性。國內(nèi)外許多研究都表明將認(rèn)知心理學(xué)應(yīng)用在物理教學(xué)中可以促進(jìn)學(xué)生更快的掌握知識。本文通過認(rèn)知心理學(xué)中的信息加工過程來分析單擺實驗的教學(xué)過程，運用心理學(xué)規(guī)律改進(jìn)實驗過程。

2 信息加工理論

心理學(xué)中的認(rèn)知心理學(xué)用信息加工的觀點研究人的認(rèn)知過程。它主要通過研究人的信息加工過程，包括感覺、知覺、注意、記憶、思維、推理、判斷等，揭示人學(xué)習(xí)、儲存知識、提取知識來解決問題的實質(zhì)。認(rèn)知心理學(xué)的分支很多，在教學(xué)研究中常常使用的是信息加工的理論。其中美國教育心理學(xué)家加涅提出了一個信息加工模型，其中第一部分是信息貯存庫，包括感覺記憶、工作記憶和長時記憶。第二個部分是認(rèn)知加工過程，包括注意、知覺、復(fù)述、組織和檢索等。第三個成分是元認(rèn)知。信息加工理論認(rèn)為認(rèn)知過程即是學(xué)習(xí)的過程。在信息加工過程中感覺器官接受外界的刺激，將儲存的信息通過注意進(jìn)行選擇，一部分信息被注意到進(jìn)而通過知覺加工，最終形成記憶。

以認(rèn)知加工的模式來研究物理實驗教學(xué)的過程，實驗儀器是學(xué)生產(chǎn)生感覺刺激的第一步。認(rèn)知過程是從感覺開始的，觀察是實驗的前提。因此在物理實驗研究中需要考慮學(xué)生感覺規(guī)律，而注意是對感覺記憶中信息加工的開始，注意是對刺激的有意識關(guān)注。在物理實驗教學(xué)要吸引學(xué)生的注意力，需要運用注意的規(guī)律。知覺是對注意的進(jìn)一步加工，物理實驗可以適當(dāng)?shù)臄U大知覺的范圍，以形成理解和記憶。

3 單擺實驗

單擺在學(xué)習(xí)簡諧振動后的一節(jié)內(nèi)容，將一種特殊的簡諧振動簡化為單擺這一模型。單擺實驗主要的目的是使學(xué)生了解單擺的組成，演示單擺運動，通過運動過程推斷單擺周期，用單擺測重力加速度。內(nèi)容包括單擺的組成，單擺回復(fù)力的形成，單擺的周期及單擺的等時性等知識點。

單擺實驗的過程一般使用一個帶支架的擺球來演示單擺運動，通過改變擺長使振動周期發(fā)生變化。通過測量擺長和運動時間通過周期公式計算重力加速度。近年來有許多對單擺實驗的改進(jìn)研究，例如一些改進(jìn)的實驗儀器將光電計時器裝在實驗儀器上，自動記錄單擺的運動周期，或通過復(fù)雜的電子儀器自動完成周期測量，以及研究如何減少單擺實驗的測量誤差等。這些研究為單擺實驗的進(jìn)一步完善奠定了基礎(chǔ)。

4 改進(jìn)實驗

單擺實驗按照教學(xué)的目的可以劃分為演示單擺這一模型，推斷單擺周期公式，測量重力加速度這三個部分。在教學(xué)過程中可以將這幾部分實驗分開處理，以下分別對這三個部分進(jìn)行討論。

4.1 演示單擺運動

演示單擺的運動是為了使學(xué)生了解什么是單擺運動，形成抽象的物理模型。單擺現(xiàn)象在生活中很常見，如何引導(dǎo)學(xué)生將生活中的現(xiàn)象與實驗聯(lián)系起來是教學(xué)的重點。在認(rèn)知心理學(xué)中，當(dāng)兩者的相似程度越高時越容易形成遷移。遷移可以通過前面已有的知識促進(jìn)新知識的學(xué)習(xí)。為了便于學(xué)生遷移知識，可以用輕薄的紙片畫出秋千、電燈、鐘擺等圖像，剪下后用輕繩分別掛在單擺上。推動它們做振動，歸納它們的特點，進(jìn)而引入單擺是擺球質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于擺線質(zhì)量這一模型。引導(dǎo)學(xué)生將這些物體抽象為一個球體，形成對單擺模型的認(rèn)識。

4.2 推斷單擺周期公式

在推斷單擺公式的實驗過程中，將兩個單擺并排懸掛在橫桿上，如圖1，通過框形支架讓學(xué)生從a面觀察單擺的運動。這樣可以避免傳統(tǒng)實驗過程中學(xué)生不能從正面直觀看到兩個擺球的完整運動過程，便于學(xué)生對實驗中不同擺長單擺運動周期進(jìn)行對比。兩個擺球擺長不同，同時開始擺動可以看到它們不在同一直線上，不用進(jìn)行計時就可以觀察出周期的不同。再通過不同質(zhì)量的擺球的運動對比可以分析出單擺公式與擺長有關(guān)而和擺球質(zhì)量無關(guān)。為了增強對比性可以給兩個擺球涂上不同的顏色。為了擴大學(xué)生的注意信息，可以利用對比的方法，在實驗儀器后面加一塊擋板，可以將環(huán)境的影響降低。單擺實驗需要使擺角小于5度，在擋板上畫一個等腰三角形，中線為單擺經(jīng)過平衡位置時的位置，如圖1中的2所示。中線兩邊的圖形分別涂上不同的顏色，可以表現(xiàn)單擺的振幅變化，凸顯了單擺經(jīng)過平衡點時的位置。

4.3 測量重力加速度

單擺實驗中的周期計數(shù)過程較為枯燥，學(xué)生很難集中注意，計數(shù)容易出現(xiàn)誤差。為了引起學(xué)生的注意，可以在實驗儀器上加一個通過感光進(jìn)行發(fā)聲的裝置，如圖1中1。每當(dāng)單擺通過中間位置時發(fā)聲一次，可以選取特殊的聲音以引起學(xué)生的興趣，例如：貓叫、玻璃破碎的聲音、爆炸聲等。這樣就使學(xué)生交替的使用多種感官感知實驗過程。聲音可以提高學(xué)生計數(shù)的準(zhǔn)確性，之所以不采用光電計時器自動計數(shù)，是因為學(xué)生對實驗的參與度越高，對實驗的理解和記憶就越深刻。自動計數(shù)會使學(xué)生喪失參與實驗的機會。

還可以在實驗儀器上放一個較大的電子秒表，如圖1中的3所示。實驗過程中學(xué)生需要一邊計數(shù)一邊注意計時。非常容易產(chǎn)生誤差、為了解決這一問題，實驗中常常采用一人計數(shù)，一人計時的方法。這樣會使學(xué)生部分的完成實驗，不利于形成整體的記憶。人的知覺具有整體性，將計時裝置與實驗儀器整合在一起，可以使學(xué)生形成整體記憶。更便于使全體學(xué)生共同參與實驗過程，降低由學(xué)生分別計時產(chǎn)生的誤差。在實驗中將刻度直接標(biāo)注在擋板的中線上，當(dāng)單擺處于自然下垂?fàn)顟B(tài)時，可以直接從擋板上讀出擺線的長度和擺球的直徑。減少了不熟悉知識游標(biāo)卡尺對學(xué)習(xí)的影響，簡化了實驗的步驟。

5 實驗的主要改進(jìn)方法

（1）通過顏色的對比，體現(xiàn)單擺的周期性。使學(xué)生對單擺的振幅有直觀的認(rèn)識。

（2）將不同長度和質(zhì)量的擺球放在同一直線上，同時開始擺動，增強實驗的對比性。

（3）以聲音來輔助學(xué)生進(jìn)行周期的計數(shù)，以減小實驗的誤差，增加學(xué)生對實驗的感知。

（4）通過標(biāo)注刻度可以減少實驗的步驟，便于學(xué)生直觀的感受到擺線長度的變化。

（5）將秒表和實驗儀器結(jié)合在一起，使計時和計數(shù)過程統(tǒng)一在同一平面上，降低了操作的復(fù)雜性。使學(xué)生的計時統(tǒng)一，增加實驗的準(zhǔn)確性。

6 總結(jié)

為了使學(xué)生對單擺實驗形成深刻的印象，可以綜合應(yīng)用信息加工過程中的注意、知覺規(guī)律，將認(rèn)知心理學(xué)應(yīng)用在實驗改進(jìn)中。單擺實驗以對中通過視覺、聽覺等多種感官產(chǎn)生刺激，擴大學(xué)生對信息的接受范圍，將計時的秒表和實驗儀器結(jié)合，形成整體的知覺，促進(jìn)學(xué)生對信息的進(jìn)一步加工。

（基金項目：教育部教指委高等學(xué)校教學(xué)研究項目（WJZW-2010-42-xn），重慶市高等教育教改重點項目（112061），重慶師范大學(xué)教改項目（重師教發(fā)〔2011〕84號， 重師教發(fā)〔2012〕84號））

參考文獻(xiàn)：

[1] 丁鋼，梁寧建.應(yīng)用認(rèn)知心理學(xué)[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] 吳增強.論有效教學(xué)的心理學(xué)支持[J].教育發(fā)展研究，2011（04）：39-42.

[5] 楊善堂，劉萬里，歐曉霞，等.心理學(xué)[M].北京：人民教育出版社，2006：26-30.

[6] 馮新安.“單擺周期”實驗教學(xué)設(shè)計[J].教學(xué)儀器與實驗，2006（05）：22.

[7] 黃思俞.單擺實驗的改進(jìn)[J].三明師專學(xué)報，2000（03）：121-124.

[8] 王金德.“單擺測重力加速度”的實驗研究與誤差分析[J].銅仁學(xué)院學(xué)報，2011（03）：126-128.

[9] 田天增.測擺長無需用游標(biāo)卡尺[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2001（08）：53.