認(rèn)知負(fù)荷理論對(duì)物理教學(xué)設(shè)計(jì)的啟示

摘要：認(rèn)知負(fù)荷tE~(cognitive load theory)是在現(xiàn)代認(rèn)知心理學(xué)研究基礎(chǔ)上提出的一種促進(jìn)教學(xué)設(shè)計(jì)的理論，這種理論以容量有限的工作記憶為核心，強(qiáng)調(diào)合理分配認(rèn)知資源對(duì)有效學(xué)習(xí)的至關(guān)重要性。本文從認(rèn)知負(fù)荷理論的角度出發(fā)，從情境的創(chuàng)設(shè)、樣例的示范、任務(wù)的呈現(xiàn)以及媒體的運(yùn)用這幾個(gè)方面探討了其對(duì)物理教學(xué)設(shè)計(jì)的啟示。

關(guān)鍵詞：認(rèn)知負(fù)荷；教學(xué)設(shè)計(jì)；認(rèn)知圖式；樣例

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003—6148(2011)9(S)-0070—3

1 認(rèn)知負(fù)荷理論概述

認(rèn)知負(fù)荷是指人在信息加工的過(guò)程中所必需的心理資源的總量。它認(rèn)為影響認(rèn)知負(fù)荷的基本因素有三個(gè)：學(xué)習(xí)材料的組織和呈現(xiàn)方式(教學(xué)設(shè)計(jì))，學(xué)習(xí)材料的內(nèi)在本質(zhì)特征以及個(gè)體的專長(zhǎng)水平(即先前知識(shí)經(jīng)驗(yàn))。由此也就導(dǎo)致了三大類認(rèn)知負(fù)荷的產(chǎn)生，即外在認(rèn)知負(fù)荷、內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷和相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷。

因此，以此理論為依據(jù)的教學(xué)設(shè)計(jì)的基本要求是：教學(xué)設(shè)計(jì)必須以容量有限的工作記憶為依托，將設(shè)計(jì)的原理及規(guī)則建構(gòu)為適合工作記憶的加工對(duì)象一圖式或記憶組塊。而學(xué)習(xí)的本質(zhì)是為通過(guò)施加精確水平的認(rèn)知負(fù)荷進(jìn)行圖式的建構(gòu)。換句話說(shuō)，教學(xué)設(shè)計(jì)者應(yīng)當(dāng)確保在進(jìn)行教學(xué)時(shí)，學(xué)習(xí)者的工作記憶負(fù)荷不能超載。

2 認(rèn)知負(fù)荷理論在物理教學(xué)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

教學(xué)中，認(rèn)知負(fù)荷過(guò)低，會(huì)造成時(shí)間浪費(fèi)；認(rèn)知負(fù)荷過(guò)高，會(huì)阻礙學(xué)習(xí)者的信息加工活動(dòng)。因此，教學(xué)設(shè)計(jì)的目的就是為了能夠幫助學(xué)習(xí)者順利開(kāi)展學(xué)習(xí)活動(dòng)，即用最少的心理資源獲取最多的知識(shí)。

在以上3種認(rèn)知負(fù)荷中，內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷與材料本身的性質(zhì)相關(guān)，通過(guò)教學(xué)設(shè)計(jì)也無(wú)法直接改變；而外在認(rèn)知負(fù)荷與教學(xué)材料的呈現(xiàn)方式相關(guān)。相關(guān)的認(rèn)知負(fù)荷與學(xué)習(xí)者工作記憶能量的投入有關(guān)，都受控于教學(xué)設(shè)計(jì)者，可以通過(guò)教學(xué)設(shè)計(jì)加以改變。那么如何在物理教學(xué)中進(jìn)行有效設(shè)計(jì)，減輕外在的認(rèn)知負(fù)荷，增加有效的認(rèn)知負(fù)荷，保證學(xué)生能輕松有效地學(xué)習(xí)是探討的關(guān)鍵。教學(xué)中優(yōu)化物理學(xué)習(xí)材料的呈現(xiàn)方式是降低學(xué)習(xí)者外在認(rèn)知負(fù)荷的一個(gè)重要途徑。

2.1 創(chuàng)設(shè)真實(shí)豐富的學(xué)習(xí)情境

在教學(xué)設(shè)計(jì)中創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)情境是指：基于特定的學(xué)習(xí)目標(biāo)，將教學(xué)材料安排在相對(duì)真實(shí)的環(huán)境中，進(jìn)而促進(jìn)物理學(xué)科的教學(xué)活動(dòng)。

由于密切相關(guān)的認(rèn)知負(fù)荷和工作記憶能量的投入方向有關(guān)，如果創(chuàng)設(shè)出的學(xué)習(xí)情境能夠有效地引起學(xué)習(xí)者的注意，幫助學(xué)習(xí)者回想原有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)。學(xué)習(xí)者用于學(xué)習(xí)活動(dòng)的監(jiān)控和對(duì)學(xué)習(xí)策略的關(guān)注就會(huì)相對(duì)減少，而投入更深層的圖式建構(gòu)和存儲(chǔ)的記憶能量就會(huì)相應(yīng)增加，從而促進(jìn)信息加工。

因此，教學(xué)設(shè)計(jì)者要盡量創(chuàng)設(shè)出接近真實(shí)任務(wù)的情境，幫助學(xué)生進(jìn)行意義建構(gòu)，而且情境應(yīng)具有生動(dòng)性、豐富性。根據(jù)創(chuàng)設(shè)的作用和一般方法的相似性可以有：

(1)創(chuàng)設(shè)故事情境

如果涉及到物理學(xué)史的相關(guān)人物及其事跡等課程時(shí)，利用科學(xué)史情景進(jìn)行探究教學(xué)比照本宣科要好得多。如：伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究；牛頓關(guān)于萬(wàn)有引力定律的發(fā)現(xiàn)；法拉第的劃時(shí)代的發(fā)現(xiàn)——電磁感應(yīng)現(xiàn)象等等。教師可以在這些課程中嘗試把學(xué)生帶到科學(xué)史的具體事件中，從而讓學(xué)生感悟科學(xué)發(fā)展的過(guò)程，還可從中學(xué)習(xí)和領(lǐng)悟相關(guān)的概念、規(guī)律、公式、定理和科學(xué)思維的方法。

(2)創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)探究情境

很多中學(xué)物理知識(shí)歸根到底都來(lái)源于實(shí)踐(實(shí)驗(yàn)、生產(chǎn)和生活經(jīng)驗(yàn))。因此，此類物理知識(shí)的學(xué)習(xí)完全可以創(chuàng)設(shè)出豐富的實(shí)驗(yàn)探究情境。如：我們可以把《平拋運(yùn)動(dòng)的規(guī)律》這節(jié)課設(shè)計(jì)成實(shí)驗(yàn)探究課，利用數(shù)碼相機(jī)和平拋裝置對(duì)平拋運(yùn)動(dòng)進(jìn)行研究；《互感與自感》一節(jié)中我們可以通過(guò)電磁爐點(diǎn)亮白熾燈泡的實(shí)驗(yàn)來(lái)體驗(yàn)互感，又用“千人震”讓全班同學(xué)手拉手來(lái)體驗(yàn)線圈自感的威力。

(3)創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境

物理教學(xué)的過(guò)程應(yīng)當(dāng)是一個(gè)不斷提出問(wèn)題和解決問(wèn)題的過(guò)程。通過(guò)問(wèn)題的創(chuàng)設(shè)使學(xué)生進(jìn)入問(wèn)題“探索者”的角色，從而激起學(xué)生思維的欲望。這不僅能使學(xué)生在興趣和成功的喜悅中較好地掌握知識(shí)，還能從中發(fā)展思維，逐步形成良好的學(xué)習(xí)方法。

如：《多用電表》這一節(jié)我們可以設(shè)計(jì)逐步深入的問(wèn)題情境來(lái)完成該課的教學(xué)目標(biāo)：

1)回顧已有知識(shí)。

①如何把小量程電流表改裝成電壓表；②如何把電流表改裝成量程較大的電流表。

2)設(shè)計(jì)歐姆表。

①如何將電流表改裝成測(cè)電阻的歐姆表(設(shè)計(jì)可行方案)；②如何將表頭的刻度盤改裝成歐姆表的刻度盤；③如何進(jìn)一步完善我們?cè)O(shè)計(jì)的方案。

3)如何設(shè)計(jì)多用電表?

這些情境的創(chuàng)設(shè)不僅與新課程對(duì)探究式的課堂教學(xué)過(guò)程的建議和要求不謀而合，而且能夠幫助學(xué)習(xí)者在相對(duì)真實(shí)的情境中解決問(wèn)題，并且能引起學(xué)生持續(xù)探索的興趣，喚醒學(xué)生長(zhǎng)時(shí)記憶中的有關(guān)圖式，從而完成對(duì)知識(shí)的意義建構(gòu)。

2.2設(shè)計(jì)有效的物理教學(xué)樣例

很多教學(xué)實(shí)踐表明樣例學(xué)習(xí)可以減輕學(xué)習(xí)者認(rèn)知負(fù)荷，利于圖式建構(gòu)。在處理復(fù)雜認(rèn)知任務(wù)時(shí)，呈現(xiàn)具有詳細(xì)解答步驟的樣例，讓學(xué)生通過(guò)樣例學(xué)習(xí)，歸納出隱含、抽象的知識(shí)來(lái)解決新問(wèn)題，能有效地減輕工作記憶中的認(rèn)知負(fù)荷。由于物理樣例中包含了問(wèn)題及問(wèn)題情境，示例了問(wèn)題的正確解法，學(xué)生一旦不會(huì)做或做錯(cuò)題，可隨時(shí)參照這些樣例，通過(guò)樣例的學(xué)習(xí)和比較，借以形成解決問(wèn)題的圖式。

應(yīng)用物理樣例學(xué)習(xí)時(shí)，要選擇便于設(shè)計(jì)成樣例的教學(xué)內(nèi)容，尤其是物理基礎(chǔ)理論和計(jì)算部分。如：牛頓第二定律的應(yīng)用、動(dòng)能定律的應(yīng)用等，都比較適合于設(shè)計(jì)成樣例。在物理習(xí)題和計(jì)算教學(xué)中，教師可先對(duì)典型的物理例題進(jìn)行分析和演繹。例如：多過(guò)程問(wèn)題需要先確定分段的運(yùn)動(dòng)模式和相關(guān)物理量，找出物理過(guò)程的“節(jié)點(diǎn)”，繼而選擇合適的方法(運(yùn)動(dòng)學(xué)、能量)解決問(wèn)題；對(duì)牛頓第二定律的應(yīng)用，可先演繹例題，通過(guò)讓學(xué)生考察詳細(xì)解答步驟的學(xué)習(xí)方式，再總結(jié)基本程序(如圖1)，依此可以更有效地幫助學(xué)生形成解決問(wèn)題的圖式。

那么，我們?nèi)绾瓮ㄟ^(guò)樣例設(shè)計(jì)來(lái)促進(jìn)學(xué)生由考察樣例過(guò)渡到問(wèn)題解決呢?這里我們可以采用一種自后向前逐步消除解題步驟的樣例(backward fading procedure)設(shè)計(jì)方法：首先完整呈現(xiàn)第一個(gè)樣例的解答步驟，依次省去第二個(gè)樣例最后一個(gè)步驟，省去第三個(gè)樣例最后兩個(gè)步驟，最后只呈現(xiàn)一個(gè)需要解決的的問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)表明：相比“完整樣例+問(wèn)題”的樣例設(shè)計(jì)方法而言，這種漸減呈現(xiàn)的設(shè)計(jì)方法可以更有效地促進(jìn)學(xué)生知識(shí)的遷移和應(yīng)用，還可在一定程度上減少學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程中的錯(cuò)誤。

2.3復(fù)雜任務(wù)和分化任務(wù)要結(jié)合呈現(xiàn)

從認(rèn)知負(fù)荷的框架和有關(guān)的認(rèn)知負(fù)荷的理論研究中，我們可以得出：復(fù)雜認(rèn)知任務(wù)的學(xué)習(xí)和執(zhí)行是受有限的心理容量限制的。任務(wù)越復(fù)雜，它就可能包括更多的子任務(wù)，加工的要求就越高。例如：《探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系》對(duì)學(xué)生而言就是一節(jié)認(rèn)知負(fù)荷較高的課程，其包含了兩大探究任務(wù)和相關(guān)的子任務(wù)，因而對(duì)于學(xué)生個(gè)體來(lái)說(shuō)，需要同時(shí)處理的過(guò)程和反應(yīng)的能力就可能超過(guò)他所能承受的范圍。

因此，在學(xué)習(xí)此類的知識(shí)之前，教學(xué)設(shè)計(jì)者應(yīng)對(duì)復(fù)雜的學(xué)習(xí)任務(wù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆只＠纾涸趯W(xué)習(xí)《探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系》時(shí)可隨課程的進(jìn)展逐步回顧所需用到的一些已有的知識(shí)，如：控制變量、紙帶的應(yīng)用、數(shù)據(jù)處理的方案等；熟悉到一定程度后再呈現(xiàn)相對(duì)復(fù)雜的任務(wù)，促進(jìn)學(xué)習(xí)者對(duì)知識(shí)的建構(gòu)。因此可以說(shuō)，分化任務(wù)很好地促進(jìn)了對(duì)復(fù)雜任務(wù)的學(xué)習(xí)。復(fù)雜任務(wù)習(xí)得以后就以圖式的形式儲(chǔ)存于大腦，為以后的信息加工打下基礎(chǔ)。

2.4優(yōu)化媒體教學(xué)，提升學(xué)習(xí)效果

課件媒體教學(xué)時(shí)，呈現(xiàn)的信息量大，但認(rèn)知負(fù)荷也相應(yīng)較大，若能依據(jù)物理學(xué)科的特點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)，借助多媒體技術(shù)合理呈現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容便能更高效的傳遞信息，達(dá)到預(yù)期的效果。那些難以在課堂上展現(xiàn)的物理實(shí)驗(yàn)、抽象的物理問(wèn)題、微觀的物理世界、復(fù)雜的物理過(guò)程都能通過(guò)合理的多媒體技術(shù)應(yīng)用化抽象為形象，變靜態(tài)為動(dòng)態(tài)，變微觀為宏觀，化枯燥為生動(dòng)，使復(fù)雜的物理過(guò)程條理化、清晰化、動(dòng)態(tài)化。這將促進(jìn)學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和掌握，提高課堂教學(xué)效率和質(zhì)量，突破教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。但在使用多媒體技術(shù)時(shí)也應(yīng)注意以下幾個(gè)方面：

(1)注意分散效應(yīng)

認(rèn)知負(fù)荷理論對(duì)該效應(yīng)的解釋是：對(duì)有多個(gè)來(lái)源的信息進(jìn)行心理整合要消耗一定的認(rèn)知資源，這種消耗是由于學(xué)習(xí)材料的組織和呈現(xiàn)方式引起的，會(huì)干擾學(xué)習(xí)。

例如：我們要演示某個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置的工作原理，應(yīng)將該實(shí)驗(yàn)裝置的圖片、各個(gè)部件的名稱及相關(guān)文字說(shuō)明整合到同一張幻燈片上，并輔以相關(guān)的注釋來(lái)幫助學(xué)生更好的理解提供的信息。又如：我們要展示一篇實(shí)驗(yàn)報(bào)告，最好不要將實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和所得結(jié)論分開(kāi)討論，而應(yīng)該將這兩部分相關(guān)內(nèi)容整合在一起，以方便學(xué)生把兩者結(jié)合起來(lái)考慮，避免由于注意分散而導(dǎo)致結(jié)果的復(fù)雜性及含義理解的難度。

通過(guò)整合相關(guān)信息后，避免了讓新手學(xué)習(xí)者自己探尋各部分之間的聯(lián)系，從而消除了注意分散效應(yīng)，減少了學(xué)習(xí)者的外在認(rèn)知負(fù)荷，讓工作記憶資源得到更有效地利用。因此，在多媒體教學(xué)設(shè)計(jì)中應(yīng)盡可能將涉及的圖表和文字整合在一起；知識(shí)的處理應(yīng)盡量連貫，不要頻繁的讓學(xué)生在知識(shí)問(wèn)來(lái)回跳躍，造成注意力分散。

(2)剔除冗余效應(yīng)

現(xiàn)今一部分多媒體設(shè)計(jì)者為追趕新潮流，把教學(xué)材料配以豐富的畫面及動(dòng)聽(tīng)的音樂(lè)。但這和為促進(jìn)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)而多創(chuàng)設(shè)的幾種學(xué)習(xí)情境有著本質(zhì)的區(qū)別。它不是從多個(gè)方面對(duì)知識(shí)進(jìn)行審視，而是附加了大量的冗余信息。在這樣的學(xué)習(xí)環(huán)境中，學(xué)習(xí)者的注意力很容易被吸引到畫面和音樂(lè)上去，而不是把認(rèn)知資源很好地投入到意義建構(gòu)上，學(xué)習(xí)過(guò)程看似輕松，但沒(méi)有將其認(rèn)知潛力真正地發(fā)揮出來(lái)。因此，學(xué)習(xí)者對(duì)于學(xué)習(xí)的內(nèi)容本質(zhì)以及所體現(xiàn)的內(nèi)涵和思想知之甚少，能力的獲得與提取也就不會(huì)發(fā)生。這樣也就偏離了教學(xué)設(shè)計(jì)的主要目的。解決此類問(wèn)題，個(gè)人認(rèn)為，多媒體設(shè)計(jì)應(yīng)以精煉為主，也就是說(shuō)，教學(xué)過(guò)程中使用的任何信息都必須有明確的教學(xué)上的原因；刪除有趣但無(wú)關(guān)或重復(fù)的材料。

認(rèn)知負(fù)荷理論自上世紀(jì)80年代提出以來(lái)，受到教育界的廣泛重視，給改變傳統(tǒng)教學(xué)以理論指導(dǎo)和啟迪，為教學(xué)設(shè)計(jì)研究提供了新的視角。但設(shè)計(jì)再完美的預(yù)案，如果沒(méi)有實(shí)踐的支撐，那也是一堆“固化”的符號(hào)。在面對(duì)不同基礎(chǔ)的學(xué)生時(shí)，教師如何使物理教學(xué)鮮活起來(lái)，做到心中有案、行中無(wú)案，寓有形的預(yù)設(shè)于無(wú)形的動(dòng)態(tài)生成中，真正融入于互動(dòng)的教學(xué)里，還需要我們多動(dòng)腦筋，尋找符合認(rèn)知規(guī)律的切實(shí)有效的方法。

(欄目編輯 鄧?yán)?