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    認知負荷理論在新課程高中數(shù)學(xué)教學(xué)情境下的應(yīng)用

    2021-07-12 14:52:28季靈慶
    關(guān)鍵詞:認知負荷教學(xué)探究高中數(shù)學(xué)

    季靈慶

    【摘要】在高中整體教育水平穩(wěn)定提升,教育環(huán)境愈發(fā)完善的形勢下,高中數(shù)學(xué)教學(xué)也逐漸邁入新的發(fā)展階段,其教學(xué)優(yōu)化工作在高中新課程教學(xué)中的地位同樣有所提升.本文以此為背景,探究認知負荷理論在新課程高中數(shù)學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用途徑,為相關(guān)教師優(yōu)化課程教學(xué)設(shè)計,有效提升課程教學(xué)質(zhì)量,提供一定的參考依據(jù).

    【關(guān)鍵詞】認知負荷;高中數(shù)學(xué);教學(xué)探究

    引 言

    高中數(shù)學(xué)作為學(xué)生進一步提升自身歸納總結(jié)能力、推理判斷能力、抽象轉(zhuǎn)化能力以及思維邏輯性的基礎(chǔ)課程,其在新課程逐步推進與落實的趨勢下,對培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科素養(yǎng)工作愈發(fā)重視.而在總體課時資源不變的情況下,在保證課程教學(xué)進度與質(zhì)量的前提下,為有效培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科素養(yǎng),認知負荷理論逐漸進入教師教學(xué)視野,其在高中數(shù)學(xué)中的應(yīng)用途徑,也成為相關(guān)教師當(dāng)下重點關(guān)注的問題.

    一、認知負荷理論基本內(nèi)容

    認知負荷理論最早由約翰·斯威勒在1988年提出,是以人類認知記憶特性為研究基礎(chǔ),將人的認知記憶分為工作記憶與長時記憶兩部分.針對工作記憶,認知負荷理論也稱其為短時記憶,其信息處理容量較小,往往只能憑借儲存的5~9條信息內(nèi)容,同時處理2~3條信息的交互工作.而針對長時記憶,認知負荷理論則認為其容量充足,可以儲存各類信息.在此基礎(chǔ)上,認知負荷理論則認為在長時記憶中儲存信息是教學(xué)的主要功能,并且教學(xué)應(yīng)利用知識信息是以圖示形式儲存在學(xué)生長時記憶中這一特性,利用教學(xué)影響促進圖示自動化,為工作記憶釋放一定的信息處理空間,進而提升其實際運作效率,從而在總體接受知識信息內(nèi)容不變的前提下,減少不必要的認知負荷[1].

    二、基于認知負荷理論的高中數(shù)學(xué)教學(xué)問題

    (一)認知負荷理論認知不足

    在新課程逐步推進落實的驅(qū)動下,認知負荷理論已經(jīng)擁有一定的教學(xué)基礎(chǔ)和應(yīng)用環(huán)境,但是部分教師對認知負荷理論的具體作用機制與實際應(yīng)用側(cè)重認知不足,導(dǎo)致其不能有效調(diào)動認知負荷理論,完善課程教學(xué)結(jié)構(gòu),促使學(xué)生在新型信息處理模式中提升自身數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)效率.同時,部分教師對認知負荷中的內(nèi)在認知負荷、外在認知負荷、相關(guān)認知負荷的分辨與處理認知不足,導(dǎo)致其在設(shè)計課堂教學(xué)內(nèi)容時呈現(xiàn)一定的混亂性,學(xué)生在無序的認知學(xué)習(xí)模式中,無法科學(xué)有效地運用數(shù)學(xué)思維處理課程知識內(nèi)容,反而增加了無效的認知負荷,降低了其實際學(xué)習(xí)效率,削弱了課程教學(xué)效果.

    (二)教學(xué)形式單一

    認知負荷理論在課程教學(xué)中的應(yīng)用,需要教師結(jié)合課程內(nèi)容以及學(xué)生實際情況,采用多種教學(xué)措施或活動形式,針對不同的教學(xué)效應(yīng),將認知負荷理論與實際課程教學(xué)內(nèi)容相結(jié)合,為學(xué)生構(gòu)建科學(xué)認知學(xué)習(xí)機制,在提升其學(xué)習(xí)效率的同時,也能通過長期對其施加相應(yīng)教學(xué)影響,促使其建立正確的學(xué)習(xí)思維模式與學(xué)習(xí)認知結(jié)構(gòu),進而將課程知識內(nèi)容轉(zhuǎn)化為圖示形式,儲存在自身長時記憶中,強化課程教學(xué)效果.但在目前的高中數(shù)學(xué)教學(xué)中,部分教師仍采用單一的教學(xué)形式,這不僅抑制了學(xué)生數(shù)學(xué)思維發(fā)展空間,也不利于教師優(yōu)化內(nèi)在認知負荷,減少外在認知負荷,并在此基礎(chǔ)上增加相關(guān)認知負荷.

    (三)認知負荷測量呈現(xiàn)主觀性

    準(zhǔn)確掌握學(xué)生在課程學(xué)習(xí)中的認知負荷情況,是教師在課堂教學(xué)中應(yīng)用認知負荷理論的前提.但在目前的高中數(shù)學(xué)教學(xué)中,部分教師在測量學(xué)生實際認知負荷時,主要憑借自身教學(xué)經(jīng)驗進行主觀判斷,從而導(dǎo)致學(xué)生在教師視野中呈現(xiàn)的認知負荷情況呈現(xiàn)一定的主觀性.而喪失科學(xué)性與客觀性的認知負荷判斷,容易令教師在應(yīng)用認知負荷理論改善課堂教學(xué)模式時,在教學(xué)目標(biāo)與教學(xué)調(diào)整方向方面出現(xiàn)錯誤,從而削弱認知負荷理論在課程教學(xué)中的應(yīng)用效果.

    三、認知負荷理論在高中數(shù)學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用途徑

    (一)更新教學(xué)認知,強化已有知識與新知識的聯(lián)系

    基于認知負荷理論的內(nèi)容,教師應(yīng)更新自身教學(xué)認知,意識到圖示認知結(jié)構(gòu)是學(xué)生將信息內(nèi)容按照特定思維方式進行整理歸類所需要的一種認知結(jié)構(gòu),其在學(xué)習(xí)認知環(huán)節(jié)的有效利用,可以幫助學(xué)生減少工作記憶(短時記憶)處理信息時所承擔(dān)的負荷,進而提升其課程學(xué)習(xí)效率.而針對高中數(shù)學(xué)教學(xué)內(nèi)容,由于學(xué)生已經(jīng)經(jīng)歷了小學(xué)與初中兩個學(xué)段的數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)階段,因此其長時記憶中已經(jīng)存有一定的圖示認知結(jié)構(gòu)[2].教師可在更新教學(xué)認知的基礎(chǔ)上,針對學(xué)生該項特征,通過構(gòu)建新舊知識的有效聯(lián)系,促使學(xué)生利用已有的認知結(jié)構(gòu)處理新的知識信息,減少內(nèi)在認知負荷.教師具體可通過優(yōu)化課堂導(dǎo)學(xué)環(huán)節(jié),令學(xué)生明確課程學(xué)習(xí)目標(biāo),并運用已有知識結(jié)構(gòu)處理新課程知識信息,有效調(diào)動自身長時記憶中的圖示認知結(jié)構(gòu).例如,在教學(xué)“圓柱、圓錐、圓臺和球”這一課時,教師應(yīng)改變傳統(tǒng)數(shù)學(xué)教學(xué)中直接向?qū)W生介紹課程涉及的幾種幾何體的結(jié)構(gòu)特點與形成過程的模式,而是利用認知負荷理論中的樣例效應(yīng),首先利用如圖所示的幾何體形成樣例引導(dǎo)學(xué)生利用原有的,與圓柱相關(guān)的圖示認知結(jié)構(gòu),分析圓柱體的形成機制,并借此樣例處理教師提出的問題“其他幾何體是否也可同樣利用該機制形成?”,進而利用與平面幾何圖形相關(guān)的知識結(jié)構(gòu),在樣例教學(xué)效應(yīng)的作用下順利完成知識遷移,利用空間想象力得到圓錐、圓臺、球這三種幾何體,完成課堂導(dǎo)學(xué)任務(wù).通過該課堂導(dǎo)學(xué)環(huán)節(jié)調(diào)整形式,教師一方面可借助圖形演示與樣例效應(yīng)相結(jié)合的方式,減少學(xué)生在學(xué)習(xí)該課程涉及的幾何體知識時產(chǎn)生的外在認知負荷,一方面可借助平面圖形與幾何體的轉(zhuǎn)化過程,促使學(xué)生優(yōu)化內(nèi)在認知負荷,進而將圓柱、圓錐、圓臺以及球的結(jié)構(gòu)特點與旋轉(zhuǎn)體、旋轉(zhuǎn)面的數(shù)學(xué)知識概念,轉(zhuǎn)化為進階圖示認知結(jié)構(gòu)內(nèi)容.

    (二)豐富教學(xué)形式,優(yōu)化知識呈現(xiàn)方式

    為減少冗余效應(yīng)為學(xué)生認知負荷帶來的不利影響,教師可通過引入信息技術(shù)豐富教學(xué)形式,在改善知識呈現(xiàn)方式的同時,也能利用其整合分散注意力效應(yīng)、形式效應(yīng)、瞬時效應(yīng)等基于認知負荷理論的教學(xué)效應(yīng),優(yōu)化內(nèi)在認知負荷,降低外在認知負荷[3].例如,在教學(xué)“古典概型”這一課時,教師可借助多媒體課件與微視頻,選取學(xué)生生活中常見的古典概型體現(xiàn)形式,如學(xué)生在小學(xué)與初中學(xué)段常見的出拳游戲(剪刀、錘子、布),將設(shè)定人物甲,乙進行出拳游戲時產(chǎn)生的可能性,以動畫演示的形式展示給學(xué)生.為優(yōu)化學(xué)生在理解古典概型的基本概念與概率計算公式時的認知負荷,教師可在學(xué)生觀察動畫演示的過程中,設(shè)置問題內(nèi)容“出拳的可能性是否有限?”“甲、乙兩人在保持同樣的出拳速度的前提下,勝負概率是否公平?”,以此引導(dǎo)學(xué)生認知理解基本事件概念,以及古典概型的基本特征.首先,教師可通過引入信息技術(shù)演繹古典概型,利用形式效應(yīng),即利用信息技術(shù)在調(diào)動學(xué)生視覺與聽覺方面的優(yōu)勢,代替單一的數(shù)學(xué)知識信息來源(紙面教材內(nèi)容),以此提升學(xué)生知識信息加工效率,有效降低外在認知負荷.其次,教師可通過在動畫演示后,列出出拳游戲的各種可能性,利用圖文結(jié)合的形式,整合教學(xué)信息內(nèi)容,降低分散注意力效應(yīng)為學(xué)生認知學(xué)習(xí)帶來的不利影響,減輕其認知負荷.最后,由于無論是多媒體課件還是微視頻,都具備可重復(fù)播放或演示的特性,則教師可借此應(yīng)對學(xué)生在處理概率分析問題時,所產(chǎn)生的瞬時效應(yīng),即通過提供可以被學(xué)生反復(fù)利用的資源,彌補其工作記憶在處理信息方面的缺陷,進而減低認知負荷,強化數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)效果.

    除此之外,教師可通過選用與學(xué)生生活常見的古典概型素材,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,進而強化學(xué)生相關(guān)認知負荷,促使其在固定的課堂時間內(nèi),主動投入更多的工作行為,強化課堂學(xué)習(xí)效果.

    (三)完善認知負荷測量方式,實現(xiàn)多元化測量

    認知負荷測量不僅是教師應(yīng)用認知負荷理論開展教學(xué)活動的關(guān)鍵,也是其掌握認知負荷支持下的課堂教學(xué)成效的主要途徑.因此,教師應(yīng)構(gòu)建主觀測量、生理測量、任務(wù)績效測量三位一體的認知負荷測量體系[4].

    針對主觀測量內(nèi)容,教師可通過定期發(fā)布結(jié)構(gòu)化問卷,收集學(xué)生在課堂產(chǎn)生的感受與學(xué)習(xí)體驗,進而利用心理努力與任務(wù)難度雙向評價機制,測量學(xué)生在數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)過程中的認知負荷水平.

    針對生理測量法,教師需要借助主觀判斷或儀器設(shè)備,分析學(xué)生在課堂學(xué)習(xí)中出現(xiàn)的生理反應(yīng),以此為依據(jù)分析學(xué)生認知負荷水平.但是教師在應(yīng)用生理測量法時應(yīng)注意,學(xué)生生理反應(yīng)容易受到多方面影響,從而導(dǎo)致分析內(nèi)容容易出現(xiàn)變化,因此在應(yīng)用生理測量法時,應(yīng)主要將其作為參考,而非主體測量方式.

    而針對任務(wù)績效測量法,針對高中數(shù)學(xué)教學(xué),教師可通過分析學(xué)生在課堂學(xué)習(xí)中的習(xí)題準(zhǔn)確率、問題解答時間、錯誤頻率等指標(biāo),分析學(xué)生在數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)過程中體現(xiàn)出的學(xué)習(xí)認知負荷水平[5].教師在應(yīng)用任務(wù)績效測量法時,應(yīng)注意學(xué)生受自身數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)基礎(chǔ)與思維模式的影響,在數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)過程中呈現(xiàn)一定差異性,因此教師在分析任務(wù)績效內(nèi)容時,也要綜合考慮學(xué)習(xí)差異性為認知負荷帶來的影響,從而確保認知負荷的全面性.

    結(jié)束語

    綜上所述,在新課程背景下,為構(gòu)建貼合教育發(fā)展趨勢,滿足學(xué)生實際學(xué)習(xí)成長需求的高中數(shù)學(xué)課堂,教師應(yīng)合理應(yīng)用認知負荷理論,通過強化已有知識與新知識之間的聯(lián)系、優(yōu)化知識呈現(xiàn)方式、多元化測量認知負荷,幫助學(xué)生長時記憶變動內(nèi)容,即在知識信息接收總量不變的前提下,有效提升工作記憶運作效率,進而提升其數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)效率,并建立科學(xué)思維模式,滿足新課程對高中數(shù)學(xué)教學(xué)的要求.

    【參考文獻】

    [1]李迎,范文翔,張一春.基于認知負荷理論的問題式教學(xué)探究[J].數(shù)字教育,2019,5(4):17-23.

    [2]吳佳佳.高中生元認知能力對其數(shù)學(xué)樣例學(xué)習(xí)的影響研究[D].昆明:云南師范大學(xué),2019.

    [3]時彥鵬,劉妍,徐錚,楊振寧.認知負荷理論與注意相關(guān)理論對教學(xué)的啟示[J].山東農(nóng)業(yè)工程學(xué)院學(xué)報,2018,35(9):160-163.

    [4]李艷.基于認知負荷理論的數(shù)學(xué)解題錯誤實證研究[D].武漢:華中師范大學(xué),2018.

    [5]楊武菊.高中幾何教學(xué)中樣例設(shè)計的研究[D].昆明:云南師范大學(xué),2018.

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