基于認知負荷理論的物理課堂教學變革

任少鐸

摘? ?要：認知負荷理論認為當學習活動要用到的認知資源總量超過了個體具有的認知資源總量時，就會造成認知超負荷，學習活動就會隨之變得低效甚至無效，這對當前的課堂教學有著極其重要的啟發(fā)作用。基于認知負荷理論，以“探究電流與電壓、電阻的關系”實驗教學為例，通過研讀教材，結合學生的知識圖式，對現行的教學路徑進行深度變革，如此可降低學生的內外認知負荷，提高學生學習的有效性，進而可切實提升學生的物理學科核心素養(yǎng)。

關鍵詞：中學物理;認知負荷;教學變革;滑動變阻器

中圖分類號：G633.7? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1009-010X（2021）17-0031-05

認知負荷理論認為個體的認知資源是有限的，學習活動中任何信息的加工和處理都要消耗認知資源，都會產生認知負荷，隨著要加工和處理的信息數量的增加，認知負荷也會隨之增加，一旦認知超負荷，學習將會變得低效甚至無效，這對當前的課堂教學有著極其重要的啟發(fā)作用。即教學不能只關注教學設計的邏輯是否嚴密、活動是否豐富，還要關注學生加工信息所需要的認知資源是否會超過學生具有的認知資源總量。因此，在教學過程中應當基于學生的知識圖式合理設置任務、打磨教學路徑，以降低阻礙學生學習的認知負荷、增大促進學習的認知負荷，如此可提升學生學習的有效性，進而可提升學生的物理學科核心素養(yǎng)。

一、認知負荷理論

（一）認知負荷理論的概念及理論基礎

認知負荷理論最早由澳大利亞認知心理學家J·Sweller于1988年提出。經過二十多年的發(fā)展，該理論已成為繼建構主義后又一個對課堂教學有重要指導意義的心理學理論。認知負荷指的是個體在信息加工和處理的過程中需要投入的認知資源總量。資源有限理論、圖式理論是其基礎理論。認知負荷理論認為：長時記憶和工作記憶共同組成了個體的認知架構，其中長時記憶容量無限，工作記憶容量有限（7±2個組塊）。在任何學習活動中，所有的新信息加工和處理都需要占用工作記憶。根據資源有限理論，任何學習活動都要消耗認知資源（主要體現為工作記憶），一旦認知超荷，學習將會變得低效甚至無效。根據圖式理論，知識以圖式的形式存儲于個體的長時記憶中，在學習新知識時，可將新知識歸類于個體已有的知識圖式，歸類過程是自動化的，不會消耗認知資源，所以可以降低個體的認知負荷。

（二）認知負荷的分類

認知負荷理論將學習過程中的認知負荷分為內部認知負荷、外部認知負荷和相關認知負荷。

1.內部認知負荷。內部認知負荷是由元素間的交互作用形成的負荷，與個體已有的知識圖式和任務的復雜程度有關。個體在學習過程中，需要將各種信息在工作記憶中進行加工、整合。如果任務較復雜，或者超過了個體原有的知識水平，那么就需要耗費大量的工作記憶去加工和處理這些信息，這就增大了個體的內部認知負荷。

2.外部認知負荷。外部認知負荷是額外負荷，是阻礙學生學習的認知負荷。外部認知負荷主要是由不合理的教學設計引起的，教學活動中不合理的教學設計、不暢通的信息傳遞渠道都會導致個體在主動認知活動中需要額外處理的信息增多，由此會增大學生的外部認知負荷。

3.相關認知負荷。相關認知負荷是指與圖式構建及自動化過程相關的負荷。在學習活動中，個體的內部認知負荷和外部認知負荷沒有用完所有的認知資源時，可將剩余的認知資源分配于自主認知和建構活動中，這個過程會消耗認知資源并產生認知負荷，我們將其稱之為相關認知負荷，它對學習有促進作用。相關認知負荷是有效認知負荷，并不是所有的剩余認知資源都會被用于自主認知活動，學習者的學習動機越強，剩余認知資源的利用率越高，有效認知負荷的水平也就越高。因此為了使學習者的有效認知負荷達到最高，教學活動一定要設計成可以有效激發(fā)學習者學習動機的形式。

4.三種負荷間的關系。認知負荷總量等于內部認知負荷、外部認知負荷及相關認知負荷三者之和。在教學活動中，教師應當結合學生的知識圖式設計難度合理的任務，以降低學生的內部認知負荷;精心設計教學路徑，以降低學生的外部認知負荷，進而使學生有更多的認知資源可用于有意識的認知加工活動中（相關認知負荷）;并創(chuàng)設有利于激發(fā)學生學習動機的教學活動，以提高學生剩余認知資源的利用率，提高有效認知負荷。

二、基于認知負荷理論的物理課堂教學策略

（一）研讀課標和教材，分析知識的特征

《義務教育物理課程標準（2011年版）》（以下簡稱《課標》）對本實驗的要求是：通過實驗，探究電流與電壓、電阻的關系。本實驗是《課標》中20個學生必做實驗之一，《課標》對其的要求是理解層次。本實驗是探究歐姆定律的基礎，而歐姆定律是整個電學的基石。學生對實驗過程及數據處理的理解程度，直接決定了本節(jié)的學習效果。在操作過程中，本實驗又可具體分為“探究電流與電壓的關系”和“探究電流與電阻的關系”兩個實驗。

（二）分析學情，明確學生的知識圖式

在此之前，學生已經掌握了控制變量法，且能夠熟練運用;了解了電源、電阻等元件的特性，掌握了串并聯(lián)電路的電流、電壓關系，并能熟練遷移和運用;了解了滑動變阻器及其用法，知道滑動變阻器可以改變定值電阻的電壓，但因為缺乏理解（因為還沒學歐姆定律，學生并不知道滑動變阻器改變定值電阻電壓的具體原理），學生沒有形成知識圖式，所以不能對其進行熟練的運用和遷移。

（三）分析現行教學路徑下學生的認知負荷

對于實驗設計，各版本教科書在兩個實驗（“探究電流與電壓的關系”和“探究電流與電阻的關系”）中均用到了滑動變阻器，用滑動變阻器改變定值電阻兩端的電壓或控制定值電阻兩端的電壓不變，并先后完成了三次實驗，最后根據實驗數據得出了普遍結論。這種實驗設計的方式需要消耗較大的認知資源，因此會形成較大的認知負荷。

1.“探究電流與電壓的關系”實驗的認知負荷分析。盡管學生已經掌握了控制變量法，但由于電學概念的抽象性，此過程（根據實驗目的得出需要控制電阻不變，改變其電壓，觀察其電流的變化）仍然需要消耗一定的認知資源，因此會形成一定的內部認知負荷。

教科書（以人教版為例）采用滑動變阻器改變定值電阻兩端的電壓，但由于學生不具備相應的知識圖式，因此需要耗費大量的認知資源去應對“滑動變阻器改變定值電阻電壓”這一步驟，這無疑會增加學生的內部認知負荷。

教科書通過移動滑動變阻器進行多次實驗得到多組數據，但由于實驗不是同時進行的，而是先后進行的。因此學生需要消耗一定的工作記憶去記住本次實驗與前后實驗的關聯(lián)和區(qū)別，此種先后進行實驗的教學設計增加了學生的外部認知負荷。

三次實驗后，根據實驗數據得出結論時，由于內部認知負荷和外部認知負荷偏高，學生可用于認知活動的認知資源已經明顯偏少，這會導致學生的學習效率降低，少數認知負荷最大量不高的學生，已經認知超荷了，甚至會導致學習無效。

2.“探究電流與電阻的關系”實驗的認知負荷分析。在實驗中，控制變量法的使用消耗了學生一定的認知資源。教科書用不同的定值電阻分別進行實驗，所以每次實驗都需要斷開開關，并重新連接電路，盡管學生能熟練連接電路，但此過程仍然會消耗一定的認知資源。

由于幾次實驗是先后進行的，所以每次更換完定值電阻后，都需要消耗一定的工作記憶去記住本次實驗與前后實驗的關聯(lián)和區(qū)別，這會消耗一定的工作記憶，也增加了外部認知負荷。

在更換完定值電阻后，需要控制定值電阻兩端的電壓不變，此時不少學生的工作記憶已經超載（已經遺忘要控制電壓不變這一前提了），沒有超載的學生也接近滿負荷了，然而接下來教科書采用移動滑動變阻器控制定值電阻兩端電壓不變的設計，又進一步增加了學生的內部認知負荷，因此到更換成第三個定值電阻進行實驗時，大部分學生已出現了認知超荷。

最后用實驗所得的數據進行分析得到結論（此過程也會形成認知負荷）時，大部分學生的學習已經處于無效學習狀態(tài)了。不少學生直到畢業(yè)，仍未能很好地理解該實驗（每年各地中考此實驗得分率均不高），歸根到底，還是認知超荷導致了學習無效。

三、變革教學設計，降低內外認知負荷，提高學習效果

《課標》只要求通過實驗，探究電流與電壓、電阻的關系，并沒有指定具體的實驗方案。這意味著只要能幫助學生得出電流與電壓、電阻的關系，用其他實驗代替也可以，并不一定要用教科書上的實驗。因此，有必要對教科書中的實驗進行深度變革，改進其實驗設計，以降低學生的內外認知負荷，由此可切實提高學生的學習效果。

（一）改進“探究電流與電壓的關系”實驗，降低認知負荷

實驗電路圖如圖1所示，分別用一節(jié)干電池、兩節(jié)干電池串聯(lián)、三節(jié)干電池串聯(lián)三種方式同時進行三組實驗，通過三次實驗的實時對比，學生可以直接觀察并得出：電阻一定時，電流與電壓成正比。如果擔心電流超過電流表的量程，可以先選用電流表的大量程0～3A進行試觸，若電流沒有超過0.6A，則改用電流表的0～0.6A量程，如果電流超過3A，則更換更大阻值的定值電阻。

在分組實驗時，每個小組的定值電阻阻值可以不相同，以獲取更多的數據，提高實驗結論的可靠性。盡管不能連續(xù)改變定值電阻兩端的電壓，但有三次實驗亦可得出普遍結論，因為即使可以連續(xù)改變電壓，學生一般也只進行三次實驗，況且教科書設計的“探究電流與電阻的關系”實驗，也無法連續(xù)改變電阻的大小，也只是進行三次實驗，所以此種改進方案切實可行。

改進后的實驗避開了“用滑動變阻器改變定值電阻兩端電壓”這一操作，改用增加電池個數去改變定值電阻兩端的電壓，這一設計充分利用了學生已有的知識圖式，避開了學生不懂的知識，因此學生的內部認知負荷大大降低。采用三組實驗同時進行、同時對比，也降低了學生由于先后實驗帶來的工作記憶消耗，進而降低了學生的外部認知負荷。改進后的實驗，學生還有足夠的剩余認知資源可用于自主認知和建構，如此可大大提高學生的學習效率。

（二）改進“探究電流與電阻的關系”實驗，降低認知負荷

實驗電路圖如圖2所示，為了增加現象的對比度，可以再接一個電壓表（如圖3所示），改進后的實驗操作簡單快捷，原理簡單明了，現象直觀明顯，學生可以通過直觀對比得出結論：當電壓一定時，電流與電阻成反比。在分組實驗時，每個小組的三個定值電阻的阻值可以不一樣，電源電壓也可以不一樣，以獲取更多的數據，進而提高實驗結論的可靠性。

改進后的實驗避開了“用滑動變阻器控制定值電阻兩端電壓不變”這一操作，改用并聯(lián)電路控制三個定值電阻的電壓不變，這一設計充分利用了學生已有的知識圖式，避開了學生不懂的知識，如此可使學生的內部認知負荷大大降低。在一個電路中將三組電流同時對比，避免了每次實驗都要更換定值電阻并調節(jié)滑動變阻器控制電壓不變等一系列復雜的操作，如此可降低學生工作記憶的消耗，進而有效降低學生的外部認知負荷。改進后的實驗，幾乎所有學生的認知都沒有超荷，如此可使學生學習的有效性大大提高。

（三）對教科書中實驗的思考及合理利用

教科書的實驗方案，有站在終點看起點之嫌。在歐姆定律的內容之前就采用滑動變阻器改變定值電阻兩端的電壓，這大大加重了學生的內部認知負荷，嚴重影響了學生的學習效果。在電學入門之時，就用如此超前的實驗設計，并不利于學生對歐姆定律這一電學基石的掌握，不利于學生建立良好的電學知識體系，也不利于培養(yǎng)學生良好的科學思維、科學探究等物理學科核心素養(yǎng)。

筆者認為教科書的實驗，也有其不可替代的優(yōu)點。因此在復習電學時，可將教科書中的實驗交給學生獨立思考、操作，由此可幫助學生串聯(lián)各個電學知識點，培養(yǎng)學生的綜合分析能力。但若新授課就采用教材實驗，反而會導致本應幫助學生理解相關知識的實驗，成為學生必須記住的累贅。

四、教學啟示

（一）課前要深度研讀課標、教材和學情

教學的實施必須用《課標》來指導，《課標》是教學的基本依據，教師只有深度研讀《課標》，才能明確教學目的，把握教學方向，優(yōu)化教學方案的設計。同時還要吃透教材，領會教材的內涵，理解教材的編寫意圖，只有對教材有深入的理解，才能創(chuàng)造性地使用教材。為了更好地促進學生的“學”，教師在備課時應深入研讀學生，思考如何將新知識與學生已有的知識結構深（下轉第39頁）（上接第34頁）度融合，以讓學生有更多、更充足的時間去思考與交流，進而促進其主動發(fā)展。

（二）要有意識地分析學生的認知負荷并優(yōu)化教學路徑

如果教學內容使得學生的認知超荷了，那么再好的教學設計都只是徒勞。教師的“教”是站在終點看起點，一切都是自然而然、順理成章的，但學生的學習是站在起點看終點，一切都是新的，都需要消耗認知資源。因此教師在教學過程中不僅要思考教學路徑的邏輯是否嚴密，還應該關注知識是否會使得學生的認知超荷。因此在備課時，教師必須深入分析現行的教學設計對學生認知負荷的影響，并合理優(yōu)化教學路徑，盡量降低學生的認知負荷，由此可提高學生課堂學習的有效性。

（三）教師不應把教材當成束縛自己的枷鎖

教科書只是教師教學的參考，而不應成為束縛教師和學生思維的枷鎖。教師也不應把教科書的教學路徑當成上課的標準模式，更不應每節(jié)課都按部就班地“復述”課本和教學參考書的內容，復述式的教學很容易導致學生認知超荷。對于加大學生內外認知負荷的設計，應當結合學生的知識圖式，大膽創(chuàng)新教學路徑，以有效降低學生的認知負荷。如此才能促進學生進入有效學習，學生的物理學科核心素養(yǎng)才會得到真正的提升。