基于CLT的“數(shù)據(jù)庫原理及應用”課程教學應用研究

高　峰，熊　晶，栗青生

(安陽師范學院 計算機與信息工程學院，河南 安陽 455000)

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基于CLT的“數(shù)據(jù)庫原理及應用”課程教學應用研究

高峰，熊晶，栗青生

(安陽師范學院 計算機與信息工程學院，河南 安陽 455000)

[摘要]針對師范院校不同專業(yè)的《數(shù)據(jù)庫原理及應用》課程的教學實際情況，從學生的認知結構出發(fā)，引入認知負荷理論進行課程整合。運用相關認知負荷效應理論，根據(jù)學生的認知負荷狀態(tài)，改變教學設計策略，以實現(xiàn)適應性教學。教學實踐效果表明,認知負荷理論在課程教學應用中的價值突出，同時也為數(shù)據(jù)庫相關課程改革提供幫助。

[關鍵詞]認知負荷理論；數(shù)據(jù)庫原理及應用；適應性教學；課程改革

在高校計算機專業(yè)課程中，隨著數(shù)據(jù)庫技術的廣泛應用，《數(shù)據(jù)庫原理及應用》課程已成為一門重要的主干課程。學生通過這門課程的學習，要掌握數(shù)據(jù)庫的基本概念、關系數(shù)據(jù)模型、關系數(shù)據(jù)理論、數(shù)據(jù)庫設計等相關理論，還需從數(shù)據(jù)庫設計者的角度出發(fā)，研究數(shù)據(jù)存儲及優(yōu)化、事務管理等知識[1,2]。在課程實踐方面，學生還要掌握SQL Server或Oracle等大型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，能夠結合C++、Java等前臺高級開發(fā)語言，完成數(shù)據(jù)庫應用系統(tǒng)開發(fā)[1,2]。目前，這樣一門理論性強，對工程實踐要求高的課程仍存在課程內容滯后于數(shù)據(jù)庫技術的新思想、新概念和新技術的情況，存在課程教學對學生的培養(yǎng)和社會需求相對脫節(jié)的現(xiàn)象[3]。針對師范院校計算機專業(yè)的特點，尤其從我校不同層次的學生特點出發(fā)，從學生的認知基礎分析入手，引入認知負荷理論(Cognitive Load Theory,CLT)，通過教學設計，基于降低學生的內部認知負荷、外部認知負荷、保持有效關聯(lián)認知負荷及提高學生的認知效率的原則，討論完善《數(shù)據(jù)庫原理及應用》課程教學的思路與方法。

1CLT簡介

CLT最早由Sweller等人提出，該理論將認知負荷分為內在負荷、外在負荷與關聯(lián)負荷[4]。內在負荷是指所授問題內在的難度，由問題的屬性所決定，與教師的指導方法無關。外在負荷是指所授問題的指導過程中所產(chǎn)生的難度，與信息的傳授與指導方法有關。早期的認知負荷理論關注的重點是通過改善教學設計來降低學生的外在負荷。隨后，Sweller 等又提出了關聯(lián)負荷。關聯(lián)負荷是與認知過程、結構構建與內化相關的負荷，關聯(lián)負荷的提高有助于促進認知結構的構建。由于三種負荷的總和不能超過工作記憶容量(WMC)[4]，而內在負荷是固定的,所以一個可行的做法是通過減少外在負荷來增加關聯(lián)負荷。良好的教學設計會適度增加學生的關聯(lián)負荷，使其在圖式建構中投入更多的努力，尋求更好的信息加工策略，從而提升學習質量[5]。

目前，認知負荷理所公認的認知負荷效應有自由目標效應、解答樣例效應、完成問題效應、通道效應、注意分離效應、冗余效應、想象效應、元素關聯(lián)效應、分離關聯(lián)元素效應、專長逆轉效應、指導漸減效應、變式效應等12種，它們都與改善學生的學習有關。合理有效地利用這些認知負荷效應就是認知負荷理論在教學應用中的關鍵。因此，從教學角度出發(fā)，認知負荷理論的教學涵義主要是如何把學習者的認知負荷調整到合適水平，以便學生合理地利用有限的認知資源，達到最佳學習效果[6]。

2CLT在課程教學設計中的應用

在數(shù)據(jù)庫原理課程教學中，可通過降低外在負荷提高關聯(lián)負荷設計的情況很多，但其使用也存在一定的限制，其主要限制來源于所授的知識結構本身。例如，數(shù)據(jù)庫的基本概念以陳述性知識為主，內在負荷并不高，但難度更多來自于其巨大的信息量。這類情況不能只減少外在負荷地簡單處理。另一類情況主要是數(shù)據(jù)庫的實驗、實踐教學，在傳遞信息量相同的情況下，可有效地降低授課過程的外在負荷，并增加關聯(lián)負荷，為教學設計提供新模式。

2.1　學生的認知負荷狀態(tài)

安陽師范學院于2001年開始《數(shù)據(jù)庫原理及應用》課程，目前課程所涉及的專業(yè)包括計算機科學與技術專業(yè)、信息管理與信息系統(tǒng)專業(yè)、軟件工程專業(yè)、物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)等，面向的學生基本是大二的。通過與學生交流、課程考試和畢業(yè)設計，發(fā)現(xiàn)該課程教學方面在教學內容、教學方法和課程實踐環(huán)節(jié)不能很好滿足學生和社會需求。基于此，我們采用適應性教學，針對傳統(tǒng)教學以教師為主導，而學生主體作用卻被極大忽視的現(xiàn)象，首先從學生的認知規(guī)律開始，對不同學生個體的認知規(guī)律調查研究，了解學生的認知負荷狀態(tài)，然后開展行之有效的教學方法。

2.2　內在認知負荷在課程設計中的應用

內在認知負荷與學習者專業(yè)水平和學習材料的復雜性之間的關聯(lián)程度有關。

1.注重學生的個體差異。在目前我國高等教育體制中，師范院校計算機專業(yè)培養(yǎng)目標主要包括一要具有良好的教育理論素質和技能，二要具備扎實的學科專業(yè)知識及較強的實踐能力和創(chuàng)新能力。但受傳統(tǒng)教師教育培養(yǎng)模式的影響，師范院校計算機專業(yè)難免出現(xiàn)重理論教學，輕實踐技能，重思維能力，輕動手能力的現(xiàn)象。學生個體差異最重要的體現(xiàn)在心理差異上，對于此類現(xiàn)象造成的心理影響將嚴重制約計算機專業(yè)課程的教學，如師范院校女生居多，不少女學生抱有“女生不適合學計算機”的片面觀點，這樣的心理狀態(tài)也將極大制約《數(shù)據(jù)庫原理及應用》這門實踐性較強的課程教學。為此，我們針對不同專業(yè)的男生和女生，甚至文理不同背景都進行差異化教學內容和教學計劃制定。如以數(shù)據(jù)庫應用開發(fā)實踐為例，表1列舉了不同學生個體的差異化教學模式設計。

表1　不同學生個體的差異化教學模式設計

2.課程材料的整合。根據(jù)不同專業(yè)的學生情況，我們將課程材料分為兩個階段進行整合。首先把課程的知識框架進行高度整合，將整合后的內容分為數(shù)據(jù)庫原理、數(shù)據(jù)庫設計和數(shù)據(jù)庫應用三大知識模塊，同時將各模塊的子模塊的大致內容以圖式的形式呈現(xiàn)給學生，讓學生對課程知識框架有一個整體輪廓的認識。從冗余效應和指導漸減效應來講，本階段呈現(xiàn)的內容是由信息組塊壓縮而成，且以圖式的形式出現(xiàn)，會使學生的內部認知負荷降低，同時也增加了模塊間的關聯(lián)認知負荷。第二階段則按照課程的三大模塊分別展開，使得課程知識的元素增多，但因學習記憶有了第一階段的圖式為基礎，整體任務會被同化，從而將整個課程的內部認知負荷降低。

2.3　外在認知負荷在課程設計中的應用

課程學習材料的組織與呈現(xiàn)是引起外在認知負荷的主要因素，通過優(yōu)化教學設計是降低外在認知負荷的有效途徑?；诖?，我們一直在努力完善課程教學網(wǎng)站設計，以達到課程輔助教學的目的，同時起到降低外在認知負荷的作用。具體采取了如下措施。

1.根據(jù)通道效應，均衡視覺和聽覺通道。不僅僅在教授的多媒體課件上注重教學內容材料的文字和動畫形式，同時增添小知識單元的微課錄像，讓學生多角度感受知識的獲取。

2. 結合自由目標效應和注重分類效應，根據(jù)學生認知負荷狀態(tài)，設計符合學生心理的知識導航系統(tǒng)，防止學生迷失于各種鏈接和信息的跳轉。

3. 結合解答樣例效應和完成問題效應，設置相關習題訓練和模擬考試系統(tǒng)，增添真實的課程設計或實踐材料以及各類數(shù)據(jù)庫相關應用的考試、面試等內容，通過適度的真實學習情境和材料的呈現(xiàn)，有利于學生將知識和技能向真實世界遷移，提高學生的學習積極性。

2.4　關聯(lián)認知負荷在課程設計中的應用

關聯(lián)認知負荷對學習有促進作用。在不超過認知負荷總量的前提下，教學設計應盡量提高學生的關聯(lián)認知負荷。因此，利用自由目標效應，注重激發(fā)學生的學習動機。 自由目標效應認為教學中不設置明確的學習目標或設置多個學習目標反而有更好的學習效果。數(shù)據(jù)庫是IT的核心，面向不同專業(yè)的學生及不同的學生背景，我們倡導學生將數(shù)據(jù)庫知識和自己的專業(yè)及興趣結合起來，如在數(shù)據(jù)庫設計的課程實踐環(huán)節(jié)可充分展現(xiàn)出來。另外，強調學生適時歸納學習內容，并為學生提供交互平臺，如在教學網(wǎng)站上增添教學討論區(qū)，提供設置教學專用QQ群及飛信、微信等多種交流方式的應用，極大增強了教學互動的效果。

3結語

本文從認知負荷理論研究出發(fā)，將其具體應用在《數(shù)據(jù)庫原理及應用》課程教學中，從近年來的學生對該課程的評優(yōu)結果不斷提升的效果來看，在一定程度上提高了學生的學習效率，也增強了教師教學的自信。認知負荷理論是一個不斷發(fā)展和豐富的理論，在今后的實際教學中還需要做進一步的研究和探討。

[參考文獻]

[1]王珊，薩師煊.數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概論(第4版)[M].北京：高等教育出版社，2006.5-10.

[2]施伯樂，丁寶康，汪衛(wèi).數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)教程(第3版)[M].北京：高等教育出版社,2008.10-12.

[3]董晨, 戴敏, 張樺. 基于 CDIO 模式的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)課程教學改革[J]. 計算機教育, 2012 (6): 36-40.

[4]Sweller J, Chandler P. Why some material is difficult to learn[J]. Cognition and instruction, 1994, 12 (3): 185-233.

[5]Sweller J, Van Merrienboer J J G, Paas F G W C. Cognitive architecture and instructional design[J]. Educational psychology review, 1998, 10(3): 251-296.

[6]龐維國.認知負荷理論及其教學涵義[J].當代教育科學，2011(12)：23-28.

[責任編輯：D]

On the Application of CLT in the Teaching of Database Principles and Applications

GAO Feng, XIONG Jing, LI Qing-sheng

(School of Computer and Information Engineering, Anyang Normal University, Anyang 455000,China)

Abstract:According to the teaching situation of database principle and application course for different majors of normal universities, the cognitive load theory is integrated into the course system from the point of students' cognitive structure. Apply the cognitive load theory to change the teaching design strategy based on the cognitive load status of the students. To realine the adaptine teaching. The practice results show that, the cognitive load theory is very effective for the teaching application and it can also contribute to the teaching reform of database related courses.

Key words:Cognitive Load Theory; database principle and applications; adaptive instruction; curriculum reform

[中圖分類號]G642

[文獻標識碼]A

[文章編號]1671-5330(2015)02-0130-03

[作者簡介]高峰(1977-)，男，陜西戶縣人，講師，主要從事數(shù)據(jù)庫技術應用研究。

[基金項目]安陽師范學院軟件工程專業(yè)創(chuàng)新教學團隊教學研究項目。

[收稿日期]2015-02-26