認知負荷理論下橋涵課程教學分析

[摘 要]運用認知負荷理論研究橋涵水文教學方案設計，提出若干教學策略。從圖表呈現到文字、畫面、聲音的組織安排方面減小外在認知負荷，合理利用雙通道效應降低內在認知負荷，通過情境干預及自我解釋達到增加相關認知負荷的效果。

[關鍵詞]認知負荷 橋涵水文 多媒體

[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2013）03-0141-02

“橋涵水文”是交通土建工程專業的專業基礎課，為路基排水、橋梁涵洞總體設計、孔徑計算提供必要的水力水文方面的資料及合理的設計數據，是一門實用性很強的應用學科。近年來多媒體教學手段的引入在一定程度上豐富了橋涵水文課堂教學，其傳遞信息量大、速度快、形象直觀等優勢顯而易見，但如果不能有效地控制多媒體信息量，選擇恰當的傳遞方式，會導致學習者的認知負荷超載，進而影響學習效果。

一、認知負荷理論

根據認知負荷理論，人的認知資源即工作記憶容量是有限的。當需要進行加工的信息總量超過工作記憶容量的限制時，原先保留在工作記憶系統中的信息就會發生部分遺忘。

認知負荷有三種類型：外部認知負荷、內部認知負荷和相關認知負荷。外部認知負荷是由教學材料呈現方式和期望學生完成的信息處理任務引起的認知負荷。內在認知負荷是由教學材料的內在性質與學生自身專業知識間的交互產生的，它不易被教學設計所改變。但如果學習者具有與學習材料相關的專業知識，會產生較少的內在認知負荷。相關認知負荷是指與促進圖式構建和圖式自動化過程相關的負荷。

在橋涵課程的多媒體教學中，應采取措施盡量減小外部及內部認知負荷，同時增加相關認知負荷。

二、改善教學認知負荷的方法

（一）降低外部認知負荷

減少與課堂教學目標無關的冗余信息，直接呈現學習目標，可以有效減小外部認知負荷。按照外部認知負荷產生的原因及來源，以下從橋涵課程中圖表的應用及教學材料信息載體的取舍兩方面加以說明。

在多媒體教學中恰當使用圖表，其教學效果顯然好于純粹的語言表達。利用多媒體準備圖表既節省了板書制表的時間，同時能將圖表元素直觀快速地呈現給學習者，使學生迅速接觸知識的重點并深入分析學習材料的邏輯關系。在利用圖表教學時應當配合簡潔準確的語言。例如，在講授“橋位選擇”這一知識點時，采用列表對比的方式明顯優于大段的文字呈現方式。兩橋位方案的優缺點對照呈現，一目了然。

多媒體為專業教學提供了文字、圖像、聲音及視頻等豐富的知識載體，但并不是呈現模式越多越好，過多的重疊信息反而會影響學習效果。實踐表明，同時提供兩個以上形式的知識信息載體模式將加重學生的認知負荷，從而干擾學生對知識的理解和整合。

為避免畫蛇添足，教師應盡量用較少的呈現方式把問題說明白。如果圖示是其意自明的，就不要附加文字。若圖示需要解釋，首先考慮用語音，或者用簡潔的文本注解，不可用文本和聲音同時描述圖像。

（二）優化內部認知負荷

內部認知負荷是在教學材料的本身特性與學生的知識結構之間的交互作用中產生的。當教師講授的知識點較復雜，而學生原有的相關專業知識缺乏時，學生就無法對新的知識進行有效地遷移理解，工作記憶不能有效地加工，這時內部認知負荷產生。雖然教授者不能直接影響它，但若能讓學習者具備一些與學習材料相關的知識，就會使其產生較少的內部認知負荷。

1.雙通道效應的利用

認知科學研究結果表明，工作記憶至少由兩個信息處理器組成，一個處理聽覺信息，另一個處理視覺信息，且以部分獨立的方式運作。因此，通過使用兩種處理器，可以擴大工作記憶的信息處理容量，降低同一通道的認知負荷，從而提高工作記憶效率。教學實踐證明，利用多媒體將視聽內容有機結合，其同步教學的效果要優于分開使用視覺或聽覺通道的方法。

以徑流形成過程這一章節為例，使用圖形或flesh動畫呈現徑流形成全過程（降雨→流域蓄滲→坡面漫流→河槽集流）的同時，配以適時的聲音講解，這種呈現方式要優于單純的語言解釋。在此學習過程中，視覺信息通道加工動畫片呈現的表象信息，聽覺信息通道加工解說詞傳遞的言語信息，減少了僅靠聽覺的傳統加工渠道造成的認知負荷超載。需要注意的是，動畫效果優于圖形，語音解說優于文字講解。因為動畫演示把靜止的圖片動態連續化，將徑流形成這一復雜的自然現象直觀、生動地展示在學生面前，幫助學生克服認知障礙，完成知識的建構。

避免呈現圖像（動畫）加解說時，屏幕上同時呈現大段解說文字。因為這時圖像（動畫）媒體信息和文字信息會相互競爭視覺資源，造成學習者的注意力分散，給工作記憶增加了額外的認知負荷。另外，聲音解釋與對應的屏幕內容須是同步呈現的，這樣可以減少學習者用于搜索相關資源的外在認知負荷。

2.任務分解策略

任何復雜的知識內容都可以被拆解為相對簡單且易于接受的若干小知識點。任務拆解有利于降低內部認知負荷。在完成若干子任務后，學生有了一些必要的知識儲備，這樣就減少了所需的內在認知資源。

例如，在使用多媒體講授適線法繪制理論頻率曲線時，將適線法分為三個子任務完成。首先，完成經驗頻率曲線的繪制，可將曲線賦予顏色；然后，應用矩法計算流量系列的統計參數均值Q、變差系數Cv，再假定偏差系數Cs，就可繪制相應的理論頻率曲線；最后，觀察理論頻率曲線與經驗頻率曲線的偏差情況，適當調整Cv、Cs，直到兩曲線符合最好。最終得到相應的理論頻率曲線。事實上，適線法就是基于原始流量系列的經驗頻率曲線的修正。第一步重點在經驗頻率的計算，第二步重點在于統計參數的正確計算，第三步的難點在于理論曲線的調試技巧。三個子任務的認知負荷應保持在一定水平，并關注各任務間的邏輯關系，讓學生形成對總任務的整體認識，將內在認知資源合理分配到子任務中去。

（三）增加相關認知負荷

相關認知負荷也稱有效認知負荷，它產生于學習者耗用了內外認知資源后，仍有相關的認知資源可以應用到對學習材料深層次地分析、抽象、推理中去，從而建立合理的圖式。相關認知負荷能深化促進學習，因此應該提高相關認知負荷占用的容量。

1.情境干預策略

在教學中，利用多種媒體來創設直觀形象生動的情境，激發學生的求知欲，讓學生將更多精力放在與圖式構建或自動化有關的任務上，這在一定程度上增大了相關認知負荷量，有利于知識遷移。

例如在講授“流量”概念時，利用多媒體技術演示：地形變化點連成地面線，地面線閉合成過水斷面，面累積成體積的過程。這個與流速v密切相關的體積即為流量。要求學生獨立思考 “流量”的測量方法并寫出計算公式。學生通過努力推導出了部分體積求和測流量，這種方法使學生對知識的理解更充分、更深刻。

2.引發自我解釋

在多媒體教學中，引發自我解釋可引導學生關注材料的關鍵信息，降低學生的外在認知負荷，啟發他們挖掘潛在的心里資源，進行意義加工，產生更多的相關認知負荷，從而建構更穩定的圖式。自我解釋使學生在新信息和已有知識之間建立聯系，并產生新的知識。

例如在講授有關“橋位選擇”方法時，在講述了橋位選擇的基本原則及四個要求（水文、地形、地質及通航）后，使用多媒體呈現典型河段圖片，要求學生在該河段上進行橋位選擇并解釋理由。當學生看到山區大峽谷河段圖片時，首先提出了一孔跨過方案，并能結合所學的“四個要求”從水文、通航方面進行解釋，后經過教師引導，學生補充出了高橋位優于低橋位的結論，并能從兩岸地形、接引線條件方面解釋理由。教師通過適時提示加上學生的自我解釋，有效地增加了相關認知負荷，使學生能將問題與習得的相關知識聯系起來，并獲得新認知。

三、結語

實踐表明，多媒體教學是一把雙刃劍。它能幫助學生降低內外認知負荷，但濫用多媒體也會增加學習者的外部認知負荷。教師應在教學中調控好三種認知負荷，使學習者的工作記憶更有效地集中于學習材料上。同時也要考察學習者個體差異，幫助學習者合理分配認知資源，提高課堂學習效率。

[ 參 考 文 獻 ]

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[4] 石曉杰，王卉.英國文學多媒體教學手段中的認知負荷調節[J].現代教育技術，2010，（9）：68-71

[責任編輯：陳 明]