基于認知負荷理論的初中聲學單元復習教學設計與實踐*

姚婷婷 林 欽

(福建師范大學物理與能源學院 福建 福州 350117)

邵邦武

(晉江市養正中學 福建 泉州 362000)

復習是中學教學的重要組成部分，旨在幫助學生“溫故而知新”，“溫故”包括鞏固知識技能、回憶遺忘知識，“知新”包括建立知識聯系、優化知識結構[1]. 可以說復習課是提升學生能力和素養的關鍵.

現代教學設計要求從學習任務分析、學習者分析以及教學策略分析等方面入手優化教學，這是來源于認知理論對學習規律研究的結果[2].認知主義理論認為，學習過程是一個信息加工的過程，即學生對來自環境刺激的信息進行內在的認知加工的過程.認知理論提出有效學習應考慮的4個問題：刺激信息不是一種隨機的過程；人類記憶加工信息的容量是有限的；必須把知識“組塊”以減少機械學習；信息編碼有助于學生理解、信息存儲和提取[3].要求教學按照一定的邏輯關系對學習任務進行加工和呈現，調動學生長時記憶彌補工作記憶的不足，并努力幫助學生把知識“組塊”，以提高學習的效率.

斯威勒(John Sweller)等人進一步發展了認知主義學習理論，從圖式獲取和規則自動化入手，提出了認知負荷理論[4](Cognitive Load Theory，簡稱CLT)，為優化教學設計提供了新的方向.認知負荷理論認為：

(1)工作記憶和長時記憶都是人類學習的基礎，學習過程應充分發揮長時記憶的作用.人類工作記憶的容量很小，只能同時存儲7個左右或者加工2～3個信息單元，且對于信息的保存時間也很短，大約只有1～2 min.因此，依賴工作記憶的學習，很容易造成認知負荷超載，降低學習效率.教學必須充分關注學習者的經驗基礎，盡可能從容量無限、永不遺忘的長時記憶中提取的信息組塊來提高學習效率.

(2)知識在長時記憶中以圖式的形式存儲，圖式是根據信息的功能及其用途范疇化歸類的信息單元[5].一個圖式可以存儲大量的信息，但工作記憶是將一個圖式作為一個單元予以加工，即工作記憶處理信息量龐大的圖式單元并不會增加認知負荷.學習的本質是通過將較低水平的圖式進行鏈接，形成容量更大、結構更復雜的、高水平的新圖式的建構過程[6].因此，提高學習效率、降低認知負荷的關鍵在于圖式的構建和利用，教學設計的教學策略分析應該圍繞著圖式構建和圖式應用自動化進行.

根據信息加工過程中施加在認知系統的認知負荷方式不同，斯威勒等人提出3種不同的認知負荷類型：內在認知負荷(Intrinsic Cognitive Load)、外在認知負荷(Extraneous Cognitive Load)與相關認知負荷(Germane Cognitive Load).

內在認知負荷，是指工作記憶中必須被同時加工的材料的內在特性，即材料內部元素的交互性水平決定的，又稱原始性認知負荷.因此，內在認知負荷難以改變.在一些較簡單的學習任務中，元素間相互作用水平低，在選擇忽略一些相互作用的元素后，便可以降低內在負荷.但是對于復雜的、高元素相互作用的學習任務，忽略會造成對相互作用元素的表面理解，只有在工作記憶中同時對所有基本元素及其相互關系進行加工才能完整理解任務[7].

外在認知負荷，是由刺激材料的呈現方式和外部要求個體所從事的活動而引起的工作記憶負荷.很明顯，外在認知負荷可能占用工作記憶容量，降低學習效率.與內在認知負荷不同的是，外在認知負荷可以通過教學設計進行調節.

相關認知負荷，是指與圖式建構和獲得，以及與圖式自動化過程的努力程度相關的認知負荷.

因此，認識負荷理論框架下教學設計的任務應該是:(1)仔細分析教學材料本身對注意的要求，明確內在認知負荷；(2)深入調研學習者已有的與學習材料有關的圖式，尋找相關性認知負荷；(3)教學材料的組織形式應該有助于減少對學生注意的要求，減少因信息來源的分散而進行的不必要的心理整合，以調節外在認知負荷；(4)創設有意義學習的情境，充分調動學生的學習積極性，減輕學生整體的認知負荷.

下面我們以初中物理“聲的世界”一章為例，介紹基于認知負荷理論開展教學設計的過程.

1 分析學習材料 明確內在認知負荷

教材內容包含：聲音的產生與傳播、聲音的特性與分類、聲音的感知與利用，涉及知識點如圖1所示.依據課程標準要求，教材通常將本章內容分成3節[8].但在復習課上，學生需要在有限的時間里，系統整理如此多的知識點，并將概念和經驗圖景、實驗形成新的知識結構圖式，很容易造成認知負荷的超載，造成復習低效或無效.

圖1 “聲現象”知識結構圖

2 分析學生基礎 探索相關性認知負荷

人生活在聲音的世界里，常見的聲現象有優雅的吉他聲、動聽的歌聲、吵鬧的廣場舞聲、急促的救護車聲等.這些聲現象包含著聲音的產生、聲音的傳播、聲音的特性、噪音和樂音等科學知識.如表1所示，我們可以圍繞學生經驗開展有關聲現象的復習教學.

表1 學生已有的生活經驗及對應的“聲現象”

3 優化學習材料呈現方式 調節外在認知負荷

教學時，我們可以選擇一個能夠涵蓋這些經驗圖景的畫面，將這些經驗圖景和背后的物理知識融成一體，構建出一副“聲的世界具象思維圖”(如圖2所示)，讓學生在熟悉的環境中梳理知識，以減輕外在認知負荷.

圖2 “聲的世界”具象思維圖

(1)在城市廣場上有一座音樂噴泉，中間佇立著一把吉他，吉他通過弦振動可以彈奏出不同音調、頻率的聲音，青蛙正在音樂里盡情的玩耍，只有被罩在真空罩里的青蛙聽不到聲音.聲音的其他特性刻畫在噴泉邊上的石板上.

(2)廣場舞正在廣場的一角上演，音箱發出與吉他不同音色的聲音.摩托車的轟鳴聲破壞了這和諧的氛圍，正在被交警同志處罰，要求安裝消音設備在聲源處減少噪聲.

(3)救護車急促的警報聲表明醫生正在搶救病人，聲音在醫學上還有大用途，聽診器和“B超”都是利用了聲音的有關性質.

(4)住在廣場附近的學生覺得室外的聲音都是噪聲，因為影響了他的學習.于是他捂起耳朵、計劃關上隔音玻璃，想要在聲音的接收處、傳播過程中減弱噪聲.

4 創設物理情境進行復習 引導學生將知識與情境結合

具體教學流程如圖3所示.

圖3 “聲的世界”教學流程圖

4.1 展示“聲的世界”具象圖

為避免具象思維圖過于“繁雜”，對學生認知造成障礙，教學過程中可先隱藏了相關的物理概念，呈現學生熟悉的圖景,如圖4所示，要求學生從圖中尋找哪些物體可以發聲(吉他、青蛙、摩托車、救護車、廣場舞用的音箱)，并進一步提問聲音是如何產生的，有何性質，并將答案寫在“吉他”上.

圖4 “聲的世界”具象思維圖(課堂版)

4.2 聲音的傳播及聲速

圍繞“吉他”邊上的青蛙，通過“土電話”“水中手機”等互動實驗，再現聲音傳播需要的介質，真空不能傳聲.利用青蛙聽到聲音是否同步問題的探討，回顧聲音傳播速度和回聲現象.

4.3 噪音及控制

結合學生的感受，理解樂音和噪音，知道噪聲控制的方法可以從聲源處、傳播過程中、接收處減弱噪聲.

4.4 聲音的應用

最后，播放救護車急促的警報聲，回顧聲音的特性，急促的聲音可以引起人們的警覺.研究聲音的目的是為人類服務，了解聲現象在醫學上的應用，聽診器、“B超”等.

認知負荷理論為我們優化教學設計提供了一個嶄新的視角，通過對學習材料和學生認知經驗基礎的全面考量，為學生搭建經驗基礎與科學概念之間的“具象思維圖”，有利于充分調動學生的長時記憶，梳理章節完整的認知圖式，促進高效的學習.可以說，認知負荷理論為章節復習教學設計展示了一個積極的發展前景，為高效復習提供了重要思路.