認知負荷理論對物理教學設計的啟示

摘要：認知負荷tE~(cognitive load theory)是在現(xiàn)代認知心理學研究基礎上提出的一種促進教學設計的理論，這種理論以容量有限的工作記憶為核心，強調(diào)合理分配認知資源對有效學習的至關重要性。本文從認知負荷理論的角度出發(fā)，從情境的創(chuàng)設、樣例的示范、任務的呈現(xiàn)以及媒體的運用這幾個方面探討了其對物理教學設計的啟示。

關鍵詞：認知負荷；教學設計；認知圖式；樣例

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003—6148(2011)9(S)-0070—3

1 認知負荷理論概述

認知負荷是指人在信息加工的過程中所必需的心理資源的總量。它認為影響認知負荷的基本因素有三個：學習材料的組織和呈現(xiàn)方式(教學設計)，學習材料的內(nèi)在本質特征以及個體的專長水平(即先前知識經(jīng)驗)。由此也就導致了三大類認知負荷的產(chǎn)生，即外在認知負荷、內(nèi)在認知負荷和相關認知負荷。

因此，以此理論為依據(jù)的教學設計的基本要求是：教學設計必須以容量有限的工作記憶為依托，將設計的原理及規(guī)則建構為適合工作記憶的加工對象一圖式或記憶組塊。而學習的本質是為通過施加精確水平的認知負荷進行圖式的建構。換句話說，教學設計者應當確保在進行教學時，學習者的工作記憶負荷不能超載。

2 認知負荷理論在物理教學設計中的應用

教學中，認知負荷過低，會造成時間浪費；認知負荷過高，會阻礙學習者的信息加工活動。因此，教學設計的目的就是為了能夠幫助學習者順利開展學習活動，即用最少的心理資源獲取最多的知識。

在以上3種認知負荷中，內(nèi)在認知負荷與材料本身的性質相關，通過教學設計也無法直接改變；而外在認知負荷與教學材料的呈現(xiàn)方式相關。相關的認知負荷與學習者工作記憶能量的投入有關，都受控于教學設計者，可以通過教學設計加以改變。那么如何在物理教學中進行有效設計，減輕外在的認知負荷，增加有效的認知負荷，保證學生能輕松有效地學習是探討的關鍵。教學中優(yōu)化物理學習材料的呈現(xiàn)方式是降低學習者外在認知負荷的一個重要途徑。

2.1 創(chuàng)設真實豐富的學習情境

在教學設計中創(chuàng)設學習情境是指：基于特定的學習目標，將教學材料安排在相對真實的環(huán)境中，進而促進物理學科的教學活動。

由于密切相關的認知負荷和工作記憶能量的投入方向有關，如果創(chuàng)設出的學習情境能夠有效地引起學習者的注意，幫助學習者回想原有的知識經(jīng)驗。學習者用于學習活動的監(jiān)控和對學習策略的關注就會相對減少，而投入更深層的圖式建構和存儲的記憶能量就會相應增加，從而促進信息加工。

因此，教學設計者要盡量創(chuàng)設出接近真實任務的情境，幫助學生進行意義建構，而且情境應具有生動性、豐富性。根據(jù)創(chuàng)設的作用和一般方法的相似性可以有：

(1)創(chuàng)設故事情境

如果涉及到物理學史的相關人物及其事跡等課程時，利用科學史情景進行探究教學比照本宣科要好得多。如：伽利略對自由落體運動的研究；牛頓關于萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)；法拉第的劃時代的發(fā)現(xiàn)——電磁感應現(xiàn)象等等。教師可以在這些課程中嘗試把學生帶到科學史的具體事件中，從而讓學生感悟科學發(fā)展的過程，還可從中學習和領悟相關的概念、規(guī)律、公式、定理和科學思維的方法。

(2)創(chuàng)設實驗探究情境

很多中學物理知識歸根到底都來源于實踐(實驗、生產(chǎn)和生活經(jīng)驗)。因此，此類物理知識的學習完全可以創(chuàng)設出豐富的實驗探究情境。如：我們可以把《平拋運動的規(guī)律》這節(jié)課設計成實驗探究課，利用數(shù)碼相機和平拋裝置對平拋運動進行研究；《互感與自感》一節(jié)中我們可以通過電磁爐點亮白熾燈泡的實驗來體驗互感，又用“千人震”讓全班同學手拉手來體驗線圈自感的威力。

(3)創(chuàng)設問題情境

物理教學的過程應當是一個不斷提出問題和解決問題的過程。通過問題的創(chuàng)設使學生進入問題“探索者”的角色，從而激起學生思維的欲望。這不僅能使學生在興趣和成功的喜悅中較好地掌握知識，還能從中發(fā)展思維，逐步形成良好的學習方法。

如：《多用電表》這一節(jié)我們可以設計逐步深入的問題情境來完成該課的教學目標：

1)回顧已有知識。

①如何把小量程電流表改裝成電壓表；②如何把電流表改裝成量程較大的電流表。

2)設計歐姆表。

①如何將電流表改裝成測電阻的歐姆表(設計可行方案)；②如何將表頭的刻度盤改裝成歐姆表的刻度盤；③如何進一步完善我們設計的方案。

3)如何設計多用電表?

這些情境的創(chuàng)設不僅與新課程對探究式的課堂教學過程的建議和要求不謀而合，而且能夠幫助學習者在相對真實的情境中解決問題，并且能引起學生持續(xù)探索的興趣，喚醒學生長時記憶中的有關圖式，從而完成對知識的意義建構。

2.2設計有效的物理教學樣例

很多教學實踐表明樣例學習可以減輕學習者認知負荷，利于圖式建構。在處理復雜認知任務時，呈現(xiàn)具有詳細解答步驟的樣例，讓學生通過樣例學習，歸納出隱含、抽象的知識來解決新問題，能有效地減輕工作記憶中的認知負荷。由于物理樣例中包含了問題及問題情境，示例了問題的正確解法，學生一旦不會做或做錯題，可隨時參照這些樣例，通過樣例的學習和比較，借以形成解決問題的圖式。

應用物理樣例學習時，要選擇便于設計成樣例的教學內(nèi)容，尤其是物理基礎理論和計算部分。如：牛頓第二定律的應用、動能定律的應用等，都比較適合于設計成樣例。在物理習題和計算教學中，教師可先對典型的物理例題進行分析和演繹。例如：多過程問題需要先確定分段的運動模式和相關物理量，找出物理過程的“節(jié)點”，繼而選擇合適的方法(運動學、能量)解決問題；對牛頓第二定律的應用，可先演繹例題，通過讓學生考察詳細解答步驟的學習方式，再總結基本程序(如圖1)，依此可以更有效地幫助學生形成解決問題的圖式。

那么，我們?nèi)绾瓮ㄟ^樣例設計來促進學生由考察樣例過渡到問題解決呢?這里我們可以采用一種自后向前逐步消除解題步驟的樣例(backward fading procedure)設計方法：首先完整呈現(xiàn)第一個樣例的解答步驟，依次省去第二個樣例最后一個步驟，省去第三個樣例最后兩個步驟，最后只呈現(xiàn)一個需要解決的的問題。實驗表明：相比“完整樣例+問題”的樣例設計方法而言，這種漸減呈現(xiàn)的設計方法可以更有效地促進學生知識的遷移和應用，還可在一定程度上減少學生學習過程中的錯誤。

2.3復雜任務和分化任務要結合呈現(xiàn)

從認知負荷的框架和有關的認知負荷的理論研究中，我們可以得出：復雜認知任務的學習和執(zhí)行是受有限的心理容量限制的。任務越復雜，它就可能包括更多的子任務，加工的要求就越高。例如：《探究加速度與力、質量的關系》對學生而言就是一節(jié)認知負荷較高的課程，其包含了兩大探究任務和相關的子任務，因而對于學生個體來說，需要同時處理的過程和反應的能力就可能超過他所能承受的范圍。

因此，在學習此類的知識之前，教學設計者應對復雜的學習任務進行適當?shù)姆只?。例如：在學習《探究加速度與力、質量的關系》時可隨課程的進展逐步回顧所需用到的一些已有的知識，如：控制變量、紙帶的應用、數(shù)據(jù)處理的方案等；熟悉到一定程度后再呈現(xiàn)相對復雜的任務，促進學習者對知識的建構。因此可以說，分化任務很好地促進了對復雜任務的學習。復雜任務習得以后就以圖式的形式儲存于大腦，為以后的信息加工打下基礎。

2.4優(yōu)化媒體教學，提升學習效果

課件媒體教學時，呈現(xiàn)的信息量大，但認知負荷也相應較大，若能依據(jù)物理學科的特點優(yōu)化設計，借助多媒體技術合理呈現(xiàn)教學內(nèi)容便能更高效的傳遞信息，達到預期的效果。那些難以在課堂上展現(xiàn)的物理實驗、抽象的物理問題、微觀的物理世界、復雜的物理過程都能通過合理的多媒體技術應用化抽象為形象，變靜態(tài)為動態(tài)，變微觀為宏觀，化枯燥為生動，使復雜的物理過程條理化、清晰化、動態(tài)化。這將促進學生對知識的理解和掌握，提高課堂教學效率和質量，突破教學的重點和難點。但在使用多媒體技術時也應注意以下幾個方面：

(1)注意分散效應

認知負荷理論對該效應的解釋是：對有多個來源的信息進行心理整合要消耗一定的認知資源，這種消耗是由于學習材料的組織和呈現(xiàn)方式引起的，會干擾學習。

例如：我們要演示某個實驗裝置的工作原理，應將該實驗裝置的圖片、各個部件的名稱及相關文字說明整合到同一張幻燈片上，并輔以相關的注釋來幫助學生更好的理解提供的信息。又如：我們要展示一篇實驗報告，最好不要將實驗現(xiàn)象和所得結論分開討論，而應該將這兩部分相關內(nèi)容整合在一起，以方便學生把兩者結合起來考慮，避免由于注意分散而導致結果的復雜性及含義理解的難度。

通過整合相關信息后，避免了讓新手學習者自己探尋各部分之間的聯(lián)系，從而消除了注意分散效應，減少了學習者的外在認知負荷，讓工作記憶資源得到更有效地利用。因此，在多媒體教學設計中應盡可能將涉及的圖表和文字整合在一起；知識的處理應盡量連貫，不要頻繁的讓學生在知識問來回跳躍，造成注意力分散。

(2)剔除冗余效應

現(xiàn)今一部分多媒體設計者為追趕新潮流，把教學材料配以豐富的畫面及動聽的音樂。但這和為促進學習者學習而多創(chuàng)設的幾種學習情境有著本質的區(qū)別。它不是從多個方面對知識進行審視，而是附加了大量的冗余信息。在這樣的學習環(huán)境中，學習者的注意力很容易被吸引到畫面和音樂上去，而不是把認知資源很好地投入到意義建構上，學習過程看似輕松，但沒有將其認知潛力真正地發(fā)揮出來。因此，學習者對于學習的內(nèi)容本質以及所體現(xiàn)的內(nèi)涵和思想知之甚少，能力的獲得與提取也就不會發(fā)生。這樣也就偏離了教學設計的主要目的。解決此類問題，個人認為，多媒體設計應以精煉為主，也就是說，教學過程中使用的任何信息都必須有明確的教學上的原因；刪除有趣但無關或重復的材料。

認知負荷理論自上世紀80年代提出以來，受到教育界的廣泛重視，給改變傳統(tǒng)教學以理論指導和啟迪，為教學設計研究提供了新的視角。但設計再完美的預案，如果沒有實踐的支撐，那也是一堆“固化”的符號。在面對不同基礎的學生時，教師如何使物理教學鮮活起來，做到心中有案、行中無案，寓有形的預設于無形的動態(tài)生成中，真正融入于互動的教學里，還需要我們多動腦筋，尋找符合認知規(guī)律的切實有效的方法。

(欄目編輯 鄧磊)