基于認知負荷理論的物理教學策略

顧燕萍 周麗萍

摘 ? 要：以資源有限理論和圖式理論為基礎的認知負荷理論主張在教學中通過合理分配資源提高學習效率，結合物理教學，以“牛頓第二定律”為例，提出基于認知負荷理論的物理教學策略。

關鍵詞：認知負荷;物理教學策略;牛頓第二定律

物理作為中學階段的重要學科之一，部分學生在物理的學習上存在困難，一方面由于物理學科具有較強的專業(yè)性和實踐性，內容自身有一定難度，另一方面教學過程中若出現(xiàn)學習活動過于復雜、信息傳遞不通暢等現(xiàn)象也會造成學生的學習困難。比如在“牛頓第二定律”的學習中，學生不僅要完成探究實驗，還要分析物理量之間的數(shù)學關系，牛頓第二定律的應用也是學習難點。利用認知負荷理論分析學生學習過程中的負荷類型，針對學生認知過程中的困難提出相應的教學策略，可促進學生的圖式建構和圖式自動化。本文以“牛頓第二定律”的教學為例，從認知負荷的角度分析物理教學并提出降低認知負荷的相關策略。

1 ?物理教學的認知負荷分析

認知負荷理論主要從引導資源合理分配的角度為教學提供心理學的理論依據(jù)[ 1 ]。為了提高學生學習效率，教師在教學過程中要針對教學內容進行負荷分析，根據(jù)Sweller等人對認知負荷類型的劃分，可以從內在認知負荷、外在認知負荷和相關認知負荷三方面分析物理學習中的認知負荷，如表1所示。

表1 ?物理教學中的認知負荷分析

根據(jù)認知負荷理論在教學設計中應用的基本原則：降低內在、外在認知負荷，提高相關認知負荷，結合物理課程特點，從教師角度提出如表2所示的教學策略優(yōu)化模式。

表2 ?基于認知負荷理論的教學策略

2 ?基于認知負荷理論的教學策略

2.1 ?課前分析內容 明確內在認知負荷

內在認知負荷由學習內容本身決定。教師課前準備的主要任務是分析學習任務對學習者認知過程中的負荷影響及學習者的先前經驗。由認知負荷種類的劃分可知影響學習者認知過程的主要因素包括學習內容、學習內容的呈現(xiàn)方式及個體的先前經驗。以“牛頓第二定律”的教學為例，人教版教材中是基于探究加速度與力、質量關系的實驗，建立直角坐標系分析數(shù)據(jù)得到F=kma，再由單位決定k值，得到牛頓第二定律，其學習過程包含的認知負荷如圖1所示。

牛頓第二定律的學習任務主要包括：完成探究a與F、m關系的實驗，明確三者之間的定量關系，理解牛頓第二定律及其應用。學生在此之前已完成探究小車速度隨時間變化的規(guī)律實驗，了解實驗的基本過程及相關實驗器材的使用，熟知牛頓第一、第三定律，了解力是改變物體運動狀態(tài)的原因。

認知負荷分析：教師通過具體分析學習任務明確教學目標，可提前將復雜任務根據(jù)學習者特征劃分成若干簡單任務，讓學習任務與學習者有效關聯(lián)，降低其認知過程中的內在認知負荷，提高相關認知負荷。

2.2 ?創(chuàng)設關聯(lián)情境 提高相關認知負荷

相關認知負荷是指由圖式建構與圖式自動化引發(fā)的認知投入度，即學習者意欲分配給新信息的認知資源數(shù)量[ 2 ]，一方面，相關認知負荷能幫助學習者將新信息組合成有序體系進行處理，另一方面，相關認知負荷的增加還有利于提高長時記憶中圖式的規(guī)模和質量。在物理教學中創(chuàng)設與學習者長時記憶相關聯(lián)的情境，學習者會減少對學習活動的監(jiān)控和對學習策略的關注，投入更多的資源到更深層的圖式建構和存儲中去，從而促進信息加工[ 3 ]。

比如在“牛頓第二定律”的教學中，教師可播放精彩的賽車比賽，賽車雖然質量小，卻能獲得較大的加速度，由此引發(fā)學生討論加速度與哪些因素有關。學生聯(lián)系前面的學習內容可知力是改變物體運動狀態(tài)的原因，質量大的物體運動狀態(tài)不易改變，加速度與質量和力之間一定存在某種關系。

認知負荷分析：物理現(xiàn)象遍布學生的日常生活，相關情境的創(chuàng)設可幫助學習者突破新任務的入門壁壘，減少內在認知負荷，學習者利用自身長時記憶中的圖式對新任務進行梳理排列，可提高相關認知負荷。

2.3 ?引導實驗探究 降低內在認知負荷

物理學習是不斷發(fā)現(xiàn)問題解決問題的過程，實驗是物理學習的基礎，學生在學習過程發(fā)現(xiàn)問題時內在認知負荷較高，可鼓勵他們通過科學探究解決問題。

探究加速度與力和質量關系的實驗包含兩個探究任務：探究a與F的關系、探究a與m的關系，在此之前學生沒有在某一實驗中同時探究兩個任務，教師可引導學生將其劃分為兩個獨立的實驗，利用控制變量法進行探究。在探究牛頓第二定律的實驗中，可將其分為（1）對同一輛小車，通過改變砝碼的個數(shù)來改變小車所受拉力，測量不同拉力下小車的加速度并記錄數(shù)據(jù);（2）保持小車所受拉力不變，測量不同質量小車的加速度并記錄數(shù)據(jù)，這兩個實驗。

一般教學中教師在實驗時會描述“控制小車質量不變或改變小車質量”，這與學生的已有的認知：“物體質量是物體的固有屬性，不是變量”相沖突[ 4 ]，內在認知負荷增加，因此教師在描述實驗時可強調第一個實驗是針對“同一物體”，第二個實驗是針對“不同物體”，明確研究對象;進行實驗前可將整個實驗過程以表格形式完整展示出來，幫助學生了解實驗目的和步驟，降低外在認知負荷。

學生需要花費較多時間分析處理實驗數(shù)據(jù)，在此過程中學生傾向關注數(shù)據(jù)的數(shù)學處理而非實驗的研究目的，外在認知負荷較高，因此可以利用計算機準確高效地處理數(shù)據(jù)，降低外在認知負荷。

如圖2所示，利用EXCEL可快速分析a與F、m的關系。a-m圖像成一條曲線，考慮到實驗存在誤差，可將圖像轉化為過原點的一條直線。由a-擬合直線可知，當小車所受合外力不變時，a與m成反比。

a-F的擬合直線始終通過一、三象限，對同一小車而言（質量一定），a-F擬合直線表明了a與F之間的對應性和同向性[ 5 ]，即F消失時，a也消失;F為負值時，a也為負值，F(xiàn)與a均為矢量，這里的正負是指方向。

圖2 ?用計算機分析實驗數(shù)據(jù)

通過數(shù)據(jù)分析得到a與F和m的關系：F=kma，一般得到該結論后教師會直接告知學生k=1，學生內在認知負荷較高，教師可以向學生解釋：在國際單位制下，質量為1 kg的物體產生1 m/s2的加速度時，所受的合外力為1 N，于是k==1。

認知負荷分析：面對較為復雜的實驗時，教師可適當?shù)奶峁澳_手架”，幫助學習者細化復雜任務，降低探究難度，減少內在認知負荷，對于與教學目標無關的認知活動，可借助其他資源降低外在認知負荷，引導學習者進行自主探究可促進圖式建構，提高相關認知負荷。

2.4 ?突顯有效信息 降低外在認知負荷

外在認知負荷受學習材料的組織和呈現(xiàn)方式的影響較大。信息技術的飛速發(fā)展為物理教學帶來更多生動直觀的內容展示方式，不少課件過于追求視覺效果，在教學過程中呈現(xiàn)不必要的冗余信息，比如背景音樂、裝飾圖片等，無用信息會占用學習者的工作記憶空間，外在認知負荷增加，因此在課件制作上應盡量簡潔，條理化展示授課內容，突出關鍵信息[ 6 ]。

比如在實驗部分，可用表格完整展示實驗方案，介紹實驗儀器時，在同一張課件中同時展示文本和圖片，并將實驗器材與名稱一一對應。尤其是在課堂教學結束后進行教學總結時，利用如圖3所示的思維導圖形式歸納知識點，可使整個牛頓運動定律的內容一目了然，幫助學生構建知識框架。

認知負荷分析：適當簡化課件，突出重點內容，條理化展示授課內容，一方面能引導學生將資源更集中地分配到學習任務上，有效降低外在認知負荷，另一方面可以引導學生形成知識框架，提高相關認識負荷。

2.5 ?展示圖式樣例 促進知識遷移

有解樣例效應[ 1 ]認為考察有解樣例能達到更好的學習效果，在進行樣例教學過程中可逐漸減少支架支持，自后向前逐步消除解題步驟[ 7 ]，即先呈現(xiàn)一個完整的解題步驟，在第二個問題中省去最后一步，在第三個樣例中消除最后兩步，以此類推，直至最后只呈現(xiàn)一個目標問題。如表3所示，在高中階段，牛頓第二定律的計算大致有以下幾類。

認知負荷分析：認知負荷理論認為學習者在學習樣例時，教師要幫助學習者盡量減少錯誤解題，引導學習者關注樣例解題的圖式。通過學習一定數(shù)量和類型的有效樣例，可減輕學習者的認知負荷，促進知識的遷移，實現(xiàn)認知自動化，將新信息納入長時記憶的圖式中。

3 ?小結

有效教學應在學習者的已有經驗基礎上，通過指向明確的認知活動，引導學習者將工作記憶轉化為長時記憶。根據(jù)認知負荷的劃分，在物理教學過程中，適當細化復雜任務，鼓勵學習者進行科學探究，可有效降低認知過程中的內在認知負荷，整合教學資源，充分利用信息技術，減少冗余效應，可以降低外在認知負荷，提高相關認知負荷，有效合理的樣例學習是學習者將工作記憶轉變?yōu)殚L時記憶最好的方式。

參考文獻：

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