基于認知負荷理論的初中物理線上課堂教學

周盼盼 袁海泉

[摘 要]學習是學生自己建構認知結構的過程，認知負荷理論旨在減少教學過程中認知資源不必要的浪費，采用合適、有效的教學手段管理學習者的內(nèi)在認知負荷，減少外在認知負荷，增加學習者的相關認知負荷，從而提高學習者的學習效率。當前，互聯(lián)網(wǎng)技術飛速發(fā)展，線上教學已經(jīng)變得非常普及和必需，為了提高初中物理線上教學質量，筆者選取蘇科版八年級上冊“運動的相對性”一節(jié)，基于認知負荷理論進行線上教學。從策略上來講，線上教學也需要“創(chuàng)設問題情境”“巧設漸進問題”“組織互動體驗活動”等。文章對初中物理線上教學進行分析探討。

[關鍵詞]認知負荷理論;初中物理;線上教學

[中圖分類號]? ? G633.7? ? ? ? [文獻標識碼]? ? A? ? ? ? [文章編號]? ? 1674-6058（2021）32-0045-03

初中物理線上教學就是通過互聯(lián)網(wǎng)在線的方式對初中物理進行教學，這種教學模式給教師和學生提供了很大的便利，作為未來教育中非常重要的一種輔助教學方式，自然也受到了各界的關注與重視。但是由于其應用還不是非常成熟，所以在實踐過程中，學生會出現(xiàn)不必要的認知負荷，降低了線上教學的有效性。認知負荷理論在初中物理線上教學中的應用，不僅能夠使教師對學生的學習情況有進一步的了解，還可以對線上教學設計提供強有力的指導。筆者基于認知負荷理論對線上教學“運動的相對性”一節(jié)進行設計，旨在使學生能夠利用有限的認知資源，合理控制學習的認知負荷。

一、認知負荷理論概述

認知負荷理論是由澳大利亞認知心理學家約翰·斯威勒于1988年首先提出來的。它主要研究的是在復雜的教學過程中，通過控制記憶負荷，最大限度地降低阻礙學習的認知負荷。人的認知資源是有限的，人腦的認知資源如果被非常多的任務同時占用，就會出現(xiàn)人腦占用的資源大于人的認知資源整體數(shù)量的現(xiàn)象，最終會影響人的記憶效果。因此，線上物理教學，需要教師充分了解學生的認知水平，合理設計教學方案，從而降低學生的學習障礙，激發(fā)學生的學習興趣。認知負荷主要分為三類：內(nèi)部認知負荷、外部認知負荷和關聯(lián)認知負荷。內(nèi)在認知負荷是由學習材料的復雜程度產(chǎn)生的負荷，取決于學習材料的難易程度和學習者的經(jīng)驗水平，教師一般對其影響較小。外在認知負荷也稱之為無關性的認知負荷，其主要是由學習材料的組織和呈現(xiàn)方式?jīng)Q定，外在認知負荷往往會干擾學習。還有相關認知負荷，其主要是促進學習者圖式建構與圖式自動化，相關認知負荷越多，越有助于學習者理解學習材料。

根據(jù)認知負荷理論，線上教學之所以存在較大的學習困難，是因為線上教學時教師對學生的監(jiān)管力度被大大削弱，還有線上教學畢竟是在虛擬空間中展開的，教師對學生活動和實驗演示環(huán)節(jié)的調控作用都會受到限制，從而引發(fā)外在認知負荷過重，增加學生負擔。

因此，在線上教學中，教師需要盡量降低外在認知負荷，增加相關認知負荷。通過互聯(lián)網(wǎng)技術將聲音、文字、視頻、動畫等進行完美結合，直觀形象地展示教學內(nèi)容，降低外在認知負荷的影響。還可以在教學中加入更高級的認知活動，激發(fā)學生思維，使學生在原有認知層面上有更進一步的提升。例如理科學習中的一些推理、研究、分析、判斷等問題都可以增加學生的相關認知負荷。

二、基于認知負荷理論的“運動的相對性”線上教學策略

根據(jù)認知負荷理論的基本原理，筆者對線上課堂教學進行重新設計。遵循化繁為簡、循序漸進的原則，將零碎的物理知識圖表結構化，巧妙創(chuàng)設問題情境，使知識可視、可聽，組織線上互動體驗活動，形成基于認知負荷理論的線上物理教學。下面以蘇科版八年級上冊“運動的相對性”為例具體談一談教學策略。

1.巧妙創(chuàng)設問題情境

外在認知負荷主要是教學材料的呈現(xiàn)方式，可以通過多媒體資源（動畫、視頻、仿真實驗等）生動形象地向學生展現(xiàn)物理課堂的巨大魅力，充分發(fā)揮“雙重感官效應”，并且教師的課件要圖文并茂、情境生動，通過視聽結合雙重感官來實現(xiàn)教學目標，從而大大降低學生的外在認知負荷。為了提高學生線上學習的積極性與熱情，線上物理教學設計中的引入環(huán)節(jié)至關重要。筆者在“運動的相對性”線上教學中首先播放世界萬物運動的視頻，震撼的畫面與音樂，讓學生脫口而出：世界是運動的。在學習“運動還是靜止”的時候，筆者通過視頻播放“嫦娥五號”發(fā)射情景、“運動員滑雪”情景、“爬樹的雪烏龜”等，總結歸納出“研究對象、參照物等概念以及判斷靜止和運動的方法”。在學習“運動的相對性”時，筆者播放“兩個直梯向上運動”視頻，并提出問題：梯子運動了嗎？相對于什么而言？還展示了詩詞“坐地日行八萬里，巡天遙看一千河”并配上應景圖片，提出“日行八萬里”是相對什么而言的，等等，進一步讓學生理解“運動的相對性”。在講運動相對性的應用時，筆者展示了“加油機給受油機加油”“同步衛(wèi)星繞地球飛行”“風洞實驗”等的視頻。通過視聽結合，讓學生感受物理知識在生活中的運用。這樣，不僅增強了物理教學的趣味性與可讀性，還提高了學生的學習興趣。在本節(jié)課結尾，筆者播放西游記中“孫悟空騰云駕霧”的視頻，并提問學生：如果你是導演，這個片段該如何拍攝？學生紛紛說出自己的想法。通過這個思考題來增加學生的相關認知負荷，幫助學生進一步理解本節(jié)課內(nèi)容，達到學以致用的目的。

2.密搭臺階，巧設漸進問題

內(nèi)在認知負荷不僅與學習材料有關，還與學習者在某一領域的認識水平有關。知識不是機械地灌輸給學生的，必須要靠學生根據(jù)已有的知識經(jīng)驗去建構，而建構的過程就是解決問題的過程。因此在線上教學中，教師提出的問題需要依據(jù)學生已有的知識經(jīng)驗，由易到難，層層遞進，逐步引導學生實現(xiàn)知識的主動建構。在講授“運動的相對性”時，首先通過視頻畫面播放“小小竹排江中游，巍巍青山兩岸走”，然后再“密搭臺階”，提出漸進問題，幫助學生解決困惑，具體如下：

師：思考“竹排游”是以什么為參照物的？

生：青山。

師：那“青山走”又是以什么為參照物的？

生：竹排、人。

師：可以說竹排是靜止的嗎？

生：可以。

師：如何分析？

生：相對人而言，竹排是靜止的。

通過這種漸進式提問，不僅可以幫助學生鞏固所學的參照物概念，還可以幫助學生建構新知，從而有效提升學生的認知水平。

3.開展互動體驗式教學

傳統(tǒng)的物理課堂教學中，學生活動是必不可少的，引導學生參與、動手操作、自主實驗、互動交流，不僅可以調動學生的學習積極性，集中學生的注意力，還能達到探究實驗的目的。而線上教學，學生和教師各處于網(wǎng)絡的兩端，導致教師對課堂教學的把控以及與學生的互動存在問題。筆者所在學校開展線上教學時采用的是騰訊課堂App，教師在討論區(qū)發(fā)送問題，學生在討論區(qū)里呈現(xiàn)不同的觀點。在討論中教師再設置其他問題，還可以開通App中的舉手功能，指定學生語音形式與教師對答、討論。在講解“運動的相對性”這一概念前，筆者為了讓學生有真實體驗和探究，設計了學生體驗活動：把物理課本放在桌子上，課本上放鉛筆盒，推動課本使它緩慢移動。分析鉛筆盒、課本、桌子相對于彼此是靜止的，還是運動的。然后由教師進行啟發(fā)，學生總結得出結論：對于同一個物體，可以認為它是運動的，也可以認為它是靜止的，因為選擇的參照物不同，運動的這種性質就叫運動的相對性。教學中筆者運用騰訊課堂中的屏幕共享功能，展示了三位學生的活動體驗過程，并選其中一位為代表，給學生分析。這種線上教學模式學生非常感興趣，在觀察其他同學實驗活動時，學生非常專注，并且在討論群里討論得很激烈。實質上，學生只有在深入體驗后，才能更加立體地建立概念。這種教學方式遵循了先情境后語義、化抽象為具體的原則，極大地降低了外在認知負荷對學生學習的影響。

4.物理知識圖表化

Pollcck等人的研究表明，當學生的學習材料比較復雜時，教學可以通過將知識板塊化、結構化，然后分段呈現(xiàn)學習材料，同時要注重構建材料之間的聯(lián)系，做到承上啟下，由此才能達到降低初學者認知負荷的效果。就物理學科而言，由于其學科特點，自身具備完備的知識體系，所以在線上教學中，物理教師可以將本節(jié)課內(nèi)容以圖式的形式進行總結。這樣不僅能夠降低學生學習記憶中的“冗長”信息，還有利于學生理解物理知識之間的內(nèi)在聯(lián)系。比如在總結如何判斷物體是運動還是靜止的方法時，總結研究對象、參照物等概念時，筆者以結構圖形式，結合語言表述，給學生整理出清晰完備的知識體系，降低學生的內(nèi)在認知負荷。

基于認知負荷理論的線上物理教學符合物理課程目標與教學改革對人才培養(yǎng)的要求，這一理論不僅為線上教學提供了一個新的方向，也為線上教學理論與實踐提供了有益的參考和操作指導。它是從學習者的認知結構和認知規(guī)律出發(fā)，通過研究線上物理教學的各種策略，培養(yǎng)學生的問題意識，促進學生形成完整的圖式結構，提高學生的學習積極性與興趣，從而降低教學中學生的內(nèi)、外認知負荷，提高相關認知負荷，使學生完成學習任務。

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（責任編輯 易志毅）