基于認(rèn)知負(fù)荷理論的教學(xué)策略探究

徐果

摘? ?要：隨著現(xiàn)代教育的改革，“還教于學(xué)”“還學(xué)于生”的呼聲愈來愈高，課堂中學(xué)生的主體地位也愈來愈凸顯。在此背景下，本研究以學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)為出發(fā)點(diǎn)，應(yīng)用認(rèn)知負(fù)荷理論來探索、優(yōu)化物理課堂教學(xué)策略，以期降低學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷，從而構(gòu)建出一節(jié)高效的“生本”課堂。

關(guān)鍵詞：認(rèn)知負(fù)荷;比熱容;教學(xué)策略

中圖分類號：G633.7 文

隨著認(rèn)知心理學(xué)的研究逐漸深入，它在教學(xué)中的地位日漸突出。目前，現(xiàn)代教學(xué)設(shè)計(jì)開始以學(xué)生已有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)作為教學(xué)起點(diǎn)，注重根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)特點(diǎn)來設(shè)計(jì)教學(xué)過程。在實(shí)際教學(xué)中，教師即使做到了以上幾點(diǎn)，也仍然發(fā)現(xiàn)學(xué)生在學(xué)習(xí)中會出現(xiàn)認(rèn)知困難，而認(rèn)知負(fù)荷理論的提出恰好解決了這一現(xiàn)象。

1? ? 認(rèn)知負(fù)荷理論的基本觀點(diǎn)

在進(jìn)一步研究認(rèn)知主義學(xué)習(xí)理論的基礎(chǔ)上，澳大利亞認(rèn)知心理學(xué)家約翰·斯威勒等人首次提出了認(rèn)知負(fù)荷理論，該理論從圖式獲取和規(guī)則自動(dòng)化入手[1]，為教學(xué)設(shè)計(jì)的優(yōu)化指引了新的方向。認(rèn)知負(fù)荷理論認(rèn)為，人類的學(xué)習(xí)離不開工作記憶和長時(shí)記憶，工作記憶是信息加工的場所，其容量極為有限，信息儲存時(shí)間短;而長時(shí)記憶是信息儲存的場所，容量無限，信息保存時(shí)間長，但它不能完成信息的加工，其所儲存的信息只有被提取到工作記憶中才能完成加工[2]。如果學(xué)習(xí)者所要加工的信息容量超出了工作記憶所能加工的容量，那么學(xué)習(xí)將變得無效[3]，導(dǎo)致學(xué)生的認(rèn)知超載。

研究發(fā)現(xiàn)，認(rèn)知負(fù)荷在結(jié)構(gòu)上可分為內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷、外在認(rèn)知負(fù)荷和相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷三類。在教學(xué)設(shè)計(jì)中，內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷由學(xué)習(xí)材料的固有特性及學(xué)習(xí)者的知識水平?jīng)Q定，一般認(rèn)為不能改變;外在認(rèn)知負(fù)荷源于教學(xué)材料的呈現(xiàn)方式及教學(xué)設(shè)計(jì)，它可通過教學(xué)內(nèi)容的重新組織和設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整;相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷是與學(xué)習(xí)者主觀領(lǐng)域相關(guān)的信息，與學(xué)生的認(rèn)知努力有關(guān)[3]。因此，有效的教學(xué)設(shè)計(jì)需科學(xué)管理這三種認(rèn)知負(fù)荷。

2? ? 認(rèn)知負(fù)荷理論下的教學(xué)策略探究

基于以上分析，認(rèn)知負(fù)荷理論下的教學(xué)原理應(yīng)該是：明確教材的內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷，在此基礎(chǔ)上降低外在認(rèn)知負(fù)荷、提高相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷。本文以蘇科版初中物理教材中“物質(zhì)的比熱容”內(nèi)容為例：比熱容是一個(gè)極為抽象的概念，其內(nèi)涵深、外延廣，是教學(xué)的難點(diǎn)，再加上現(xiàn)行教材在一定程度上脫離了學(xué)情，同時(shí)還存在內(nèi)容邏輯上的缺憾，以至于給學(xué)生造成了沉重的認(rèn)知負(fù)荷。有鑒于此，本文基于認(rèn)知負(fù)荷理論，從降低學(xué)生的外在認(rèn)知負(fù)荷出發(fā)，關(guān)注內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷和相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷，對“物質(zhì)的比熱容”教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行了優(yōu)化，如表1所示。

2.1? ? 把握知識本質(zhì)，明確內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷

比熱容是反映物質(zhì)特性的一個(gè)重要物理量。首先，“比熱容”這個(gè)名詞在學(xué)生的生活中并不常用，學(xué)生沒有相關(guān)的認(rèn)知基礎(chǔ)，已有認(rèn)知水平較低，因此會感到陌生、抽象，有一定的認(rèn)知障礙;其次，比熱容的本質(zhì)是相同質(zhì)量的不同物質(zhì)變化相同的溫度所吸收（放出）熱量的多少，是物質(zhì)吸熱（放熱）本領(lǐng)的強(qiáng)弱，是物質(zhì)容納熱量的能力。由此可見，比熱容的概念和熱量是密不可分的，而熱量又是看不見摸不著的，沒有具體直觀的物理模型。對初中生來說，他們對概念的理解還不能脫離具體事物的支持，對于抽象的概念學(xué)生會出現(xiàn)感知困難，因此在本就抽象的熱量基礎(chǔ)上再去學(xué)習(xí)更加抽象的比熱容概念，勢必會使學(xué)生有很重的認(rèn)知負(fù)荷。最后，比熱容概念的得出本質(zhì)是通過比值定義法，由于比熱容和三個(gè)物理量有關(guān)，公式較為復(fù)雜，教材雖然從直觀實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)出發(fā)得到了比熱容的公式（c=■），但是對學(xué)生而言，卻很難掌握公式的真實(shí)含義。因?yàn)閷Τ踔猩鷣碚f，書本上“比熱容在數(shù)值上等于單位質(zhì)量的某物質(zhì)溫度升高（降低）1 °C所吸收或放出的熱量”這一表述并非十分明確直觀，很難讓學(xué)生在思想上產(chǎn)生共鳴，學(xué)生必然出現(xiàn)認(rèn)知困難。

在對“比熱容”這一概念的本質(zhì)進(jìn)行分析后，發(fā)現(xiàn)知識的內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷較高，教師需要在學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步優(yōu)化本節(jié)課的教學(xué)設(shè)計(jì)。

2.2? ? 選擇教學(xué)路徑，降低外在認(rèn)知負(fù)荷

降低外在認(rèn)知負(fù)荷是“教學(xué)的認(rèn)知負(fù)荷理論研究”的重點(diǎn)關(guān)注對象，在“比熱容”中，其知識的內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷已經(jīng)很高，若要提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，亟需降低外在認(rèn)知負(fù)荷，即提高教學(xué)設(shè)計(jì)水平，對本節(jié)內(nèi)容及呈現(xiàn)方式進(jìn)行優(yōu)化：

（1）從實(shí)驗(yàn)效果優(yōu)化實(shí)驗(yàn)器材。教材中選用了“水和沙子”進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，但沙子的導(dǎo)熱能力差，加熱過程中極易造成沙子受熱不均勻，即使玻璃棒不斷攪拌，效果也不是很好，且測溫過程中溫度計(jì)處于沙子的不同部位，溫度差異會很大，這樣的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)會給學(xué)生后續(xù)的分析增加難度，人為增加了認(rèn)知負(fù)荷。因此，本實(shí)驗(yàn)摒棄了導(dǎo)熱效果不好的沙子，改為使用“水和食用油”進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)操作簡單、實(shí)驗(yàn)效果明顯、數(shù)據(jù)也更準(zhǔn)確，使認(rèn)知負(fù)荷降低，有利于學(xué)生實(shí)驗(yàn)結(jié)論的分析。

（2）基于學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律改進(jìn)實(shí)驗(yàn)。教材中“物質(zhì)的比熱容”一節(jié)的實(shí)驗(yàn)探究主題是“探究不同物質(zhì)吸熱升溫的快慢”，邏輯上是比較相等質(zhì)量吸收相同熱量的不同物質(zhì)升高相同溫度的時(shí)間，而“比熱容”是表示物質(zhì)吸熱（放熱）本領(lǐng)的大小，其本質(zhì)是相等質(zhì)量變化相同溫度的不同物質(zhì)，吸收（放出）熱量的多少。由此可見，二者的思維邏輯是完全不同的，教材的安排與學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律是不一致的，雖然教材后面補(bǔ)充提出了“質(zhì)量相等的沙子和水升高相同溫度，哪一個(gè)吸收熱量多？”但這樣顯然給學(xué)生增加了思維量和思維跨度，使學(xué)生要處理的認(rèn)知負(fù)荷增多，對學(xué)生準(zhǔn)確理解比熱容概念造成了障礙。針對此問題，為使知識的呈現(xiàn)與學(xué)生的邏輯思維一致，筆者將教材中“探究水和沙子吸熱升溫的快慢”實(shí)驗(yàn)改為“比較水和食用油升高相同溫度吸收熱量的多少”。在實(shí)驗(yàn)之前，借助學(xué)生燒水的生活經(jīng)驗(yàn)（將一壺水燒開比燒成溫水需要的時(shí)間長，即吸收的熱量多;將一壺水燒開比將半壺水燒開需要的時(shí)間長，即吸收的熱量多），讓學(xué)生明白同種物質(zhì)吸收熱量的多少與升高溫度、質(zhì)量有關(guān)。接著拋出問題“如何比較不同種物質(zhì)（比如水和食用油）吸收熱量的多少呢？”學(xué)生自然想到利用控制變量法，控制不同物質(zhì)的質(zhì)量和升高相同溫度，比較加熱時(shí)間（熱源相同）即可。在此基礎(chǔ)上，學(xué)生實(shí)驗(yàn)思路順利打開（控制水和食用油的升高溫度相同，記錄其加熱時(shí)間），這樣借助已有生活經(jīng)驗(yàn)，不僅把“熱量”這一抽象的概念轉(zhuǎn)化為具體的“加熱時(shí)間”，而且讓學(xué)生對比較吸收熱量時(shí)要“選取統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)”也有了初步感知，相比于教材原有的呈現(xiàn)方式，新的設(shè)計(jì)降低了知識難度，減少了學(xué)生的外在認(rèn)知負(fù)荷。F228E275-FEC3-4481-8D06-BF0C8A058502

（3）從比值定義法推動(dòng)比熱容本質(zhì)的顯性化。比熱容公式的得出是通過比值定義法，即通過統(tǒng)一比較標(biāo)準(zhǔn)，利用比值來揭示比熱容概念的內(nèi)涵。然而，教材上“比熱容在數(shù)值上等于單位質(zhì)量的某物質(zhì)溫度升高（降低）1 °C所吸收或放出的熱量”這一表述雖暗含“統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)”之意，但卻含而不露、點(diǎn)而不透，并沒有把熱量Q與質(zhì)量m和溫度變化Δt相比的必要性闡述出來，人為增加了學(xué)生的思維負(fù)擔(dān)。比值定義法是獲得比熱容概念過程中的核心與主線，只有明晰了這一方法展開的過程，學(xué)生對概念的理解才能足夠深刻。本教學(xué)設(shè)計(jì)從優(yōu)化后的水和食用油加熱時(shí)間與升高溫度關(guān)系圖（圖1）出發(fā)，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)論：“相同質(zhì)量的水和食用油升高相同的溫度，水吸收的熱量多”，即相同標(biāo)準(zhǔn)下吸收熱量多的物質(zhì)，吸熱本領(lǐng)較強(qiáng)。接著，拋出問題串“吸熱本領(lǐng)是什么？如果兩種物質(zhì)質(zhì)量不同，升溫也不同，如何比較其吸熱本領(lǐng)呢？”由前面實(shí)驗(yàn)的鋪墊，學(xué)生知道選取“相同標(biāo)準(zhǔn)”。因此，當(dāng)兩物質(zhì)質(zhì)量不同、升高溫度也不同時(shí)，“統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)”自然就成為了破除認(rèn)知矛盾的樞紐。所謂標(biāo)準(zhǔn)的“統(tǒng)一”就是利用數(shù)學(xué)的除法工具使其“標(biāo)準(zhǔn)化”為“相同質(zhì)量、改變相同溫度”，即液體吸收的熱量Q除以質(zhì)量m、溫度變化△t，采用比值■的形式來進(jìn)行吸熱能力的比較，從而得出比值大的吸熱能力強(qiáng)，比值小的吸熱能力弱，這種吸（放）熱能力在物理上就稱之為比熱容。綜上，以“統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)”作為落腳點(diǎn)，將“比值定義法”充分顯化于學(xué)生眼前，降低了知識的外在認(rèn)知負(fù)荷，幫助學(xué)生徹底理解了比熱容概念的內(nèi)涵。

2.3? ? 創(chuàng)設(shè)探究情境，增加相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷

相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷與學(xué)習(xí)者的認(rèn)知努力有關(guān)，可以把大量復(fù)雜無序的信息組合成簡單有序的知識體系，幫助學(xué)生更好地理解、掌握所學(xué)知識[4]。因此，在教學(xué)中創(chuàng)設(shè)情境，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，增加相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷，能有效提高學(xué)習(xí)效率。

在“物質(zhì)的比熱容”一節(jié)教學(xué)中，筆者創(chuàng)設(shè)了“氣球爆炸”實(shí)驗(yàn)情境：取兩個(gè)同樣的氣球，一個(gè)里面什么也不放，另外一個(gè)里面裝入少量的水，點(diǎn)燃酒精燈，觀察哪個(gè)氣球先爆炸。在學(xué)生的認(rèn)知里，氣球遇火就會破，但此情境中會發(fā)現(xiàn)裝有水的氣球短時(shí)間內(nèi)不會破，這就使學(xué)生產(chǎn)生了認(rèn)知沖突，激發(fā)了他們的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，增大了對學(xué)習(xí)的認(rèn)知努力。再比如，對“物質(zhì)的比熱容越大，吸熱本領(lǐng)就越強(qiáng)”的理解中，“比熱容”和“吸熱本領(lǐng)”由于缺乏具體形象的支持，學(xué)生理解起來很困難，此時(shí)就可以借助于情境創(chuàng)設(shè)來增強(qiáng)關(guān)聯(lián)：兩個(gè)高度相同、底面積不同的杯子，如何比較它們的裝水本領(lǐng)呢？很顯然，底面積大的杯子裝水能力強(qiáng)。因此，如果把物質(zhì)吸熱升溫和容器盛水水面升高進(jìn)行類比，比熱容就相當(dāng)于容器的底面積。認(rèn)知負(fù)荷理論認(rèn)為，學(xué)習(xí)的本質(zhì)就是通過較低水平的圖式進(jìn)行鏈接，形成容量更大、結(jié)構(gòu)更復(fù)雜、高水平的新圖式的建構(gòu)過程[5]，把學(xué)生熟悉的容器底面積與比熱容這一抽象概念進(jìn)行類比，更形象直觀，在學(xué)生的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)與科學(xué)概念之間搭建橋梁，有助于學(xué)生進(jìn)行圖式的建構(gòu)和獲得。

3? ? 認(rèn)知負(fù)荷理論對物理教學(xué)的啟示

在認(rèn)知負(fù)荷理論指導(dǎo)下，物理教學(xué)更關(guān)注學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，以學(xué)生的理解、感知為出發(fā)點(diǎn)，在把握內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷的基礎(chǔ)上，通過合理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、鼓勵(lì)學(xué)生自主探究、優(yōu)化知識邏輯等來降低外在認(rèn)知負(fù)荷，通過創(chuàng)設(shè)探究情境，提高相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷，從而讓學(xué)生的認(rèn)知資源達(dá)到最優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)“教師有效地教”“學(xué)生有效地學(xué)”。

參考文獻(xiàn)：

[1]Sweller John.Cognitive load during problem solving：Effects on learning[J].Cognitive Science，1988，12（2）：257-258.

[2]Baddeley Alan.Working memory[J]. Science，1992，255（5044）：556-559.

[3]李志專.認(rèn)知負(fù)荷理論的解讀及啟示[J].煤炭高等教育，2009，27（1）：50-52.

[4]羅伯特·米爾斯·加涅.教學(xué)設(shè)計(jì)原理（第5版修訂版）[M].上海：華東師范大學(xué)出版社，2018：37-40.

[5]常欣，王沛.認(rèn)知負(fù)荷理論在教學(xué)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用及其啟示[J].心理科學(xué)，2005，28（5）：1115-1119.

（欄目編輯? ? 鄧? ?磊）F228E275-FEC3-4481-8D06-BF0C8A058502