基于認知負荷理論的初中地理有效問題設計策略
——以“影響氣候的主要因素”為例

陳志斌

（廈門外國語學校, 福建 廈門 361012）

杜威提倡在解決問題的過程中獲得知識，孔子主張“不憤不啟，不悱不發”，可見提問在教學中的重要性。隨著問題式教學廣泛應用于各級各類的教學實踐，[1]課堂由“滿堂灌”變成了“滿堂問”。看似充滿“問題”的課堂，實則是師生間簡單的對話，缺乏思維碰撞的火花，難以激發學生更深入地思考。問題式教學的有效性以適切的問題設計為前提，[2]而部分教師在問題設計時忽視了學生認知水平，對問題的難度和梯度把握不當，問題的呈現方式混亂無序，問題指向不明確，這些都給學生帶來了較高的認知負荷。本文運用認知負荷理論，分析湘教版七年級上冊“影響氣候的主要因素”第一課時教學內容，找出本節課認知負荷產生的原因，探索如何優化設計初中地理課堂問題，以期降低學生的認知負荷，調動學生學習積極性，培養學生地理思維，進而提高教學的有效性。

一、認知負荷產生的原因

心理學家約翰·斯威勒（Jonh Sweller）于1988年提出認知負荷理論，他認為認知負荷是指外部信息進入個體工作記憶中所需的心理活動總量，[3]外在認知負荷、內在認知負荷以及相關認知負荷組成了個體學習的主要認知負荷。

內在認知負荷是由于信息元素之間交互產生的負荷。學習者的認知水平越低，學習材料越復雜，則會產生大量信息交互，導致內在認知負荷較高。“影響氣候的主要因素”（第一課時）對應的課程標準有“舉例說明緯度位置、海陸位置、地形等因素對氣候的影響”以及“用地理現象說明地球的自轉和公轉”（部分內容）。本節課按照布魯姆的目標分類理論屬于理解層次，內容較為復雜抽象，涉及到“地球形狀與氣候”“地球自轉和公轉及其對氣候的影響”等較多知識點。教科書通過文字解說、實驗活動以及直觀圖像幫助學生理解不同緯度太陽高度角的差異帶來太陽輻射的差異，但是教科書對于“地球運動與氣候”的描述則是簡單幾句話帶過，呈現的圖片也較少。學生僅通過閱讀教科書，只能獲取一些感性而片面的認識，缺乏整體的知識結構。學生對于“地球運動產生的現象及其對氣候影響”的學習也只是淺嘗輒止。綜合上述分析，一方面，這部分學習內容較復雜抽象，另一方面，初一學生的認知水平以及空間想象力有待進一步發展。這些原因都引起了學生較高的內在認知負荷。

外在認知負荷是由學習材料的呈現與組織方式引起的認知負荷。教師在教學活動中不加選擇地呈現無序且冗余的學習材料時，學生則會產生較高的認知負荷?！暗厍蛐螤詈偷厍蜻\動”對應的影響因素是緯度因素，按照教科書提供的問題進行教學設計，可以幫助學生解決單個問題，但不利于學生圖式建構。教師在教學設計時，忽視對問題的數量、難度、梯度以及呈現方式等方面的設計，學生就需要在課堂上花費更多時間與精力提取和加工信息，大大增加了外在認知負荷。

相關認知負荷為有效的認知負荷，是學習者形成認知圖式及知識結構過程中想要投入的認知資源數量。[4]本節課是初一地理的重難點，若教師沒有進行有效的問題設計，很難激發學生的學習興趣，容易引起學生的畏難情緒和挫敗感，相關認知負荷降低，從而降低教學成效。

學生學習時運用的心理活動總量有限，內在認知負荷受到學習者認知水平以及學習材料本身復雜程度的影響，故不可避免。因此，教師進行問題設計時，應注重降低外在認知負荷，以提高學生的學習效率。

二、有效問題設計策略

1.地理問題生活化，生活問題地理化

導入問題的設計，要注重激發學生的探究欲望。地理問題生活化和生活問題地理化有利于提高學生的相關認知負荷，使得學生在學習時愿意投入更多的認知努力。在“影響氣候的主要因素”（第一課時）中，筆者設計了導入問題“為什么這個季節早晚比較涼，中午比較熱”。學生將發現的“太陽高度與氣溫的關系”再次用于解釋“不同緯度氣溫差異”時，可體會到學習成就感。從地理視角去解釋生活，從生活中的現象學習地理，正體現了義務教育地理課程標準的理念之一：學習對生活有用的地理。

2.明確核心問題，設計問題鏈

教師在進行問題設計時，要突出核心問題，核心問題的解決有利于降低外在認知負荷，達到以簡馭繁的成效。圍繞核心問題，設計問題鏈，問題鏈以學生的認知規律和地理學科邏輯為出發點，由高低不同層次問題構成，同時要注意問題呈現的次序，由淺入深、循序漸進、環環相扣達到水落石出之效，最終發展學生思維。

“影響氣候的主要因素”（第一課時）的核心問題在于地球形狀和運動對太陽輻射的分布與變化的影響。為了解決這個核心問題，本節課設置了三個主要問題：同一地點一天中不同時段太陽輻射的差異；同一時間不同緯度太陽輻射的差異；隨著直射點的移動不同緯度太陽輻射的差異。三個主要問題的解決又需要借由次要問題達成（見圖1）。本節課以問題鏈為教學主線，重構教學邏輯，從“早晚與中午的溫差”入手，探究太陽高度角與太陽輻射的關系，說明地球自轉對天氣的影響。學生將探究出的規律再次用于解釋不同緯度太陽輻射的差異，引出地球形狀對天氣的影響。最后通過觀察太陽直射點移動、晝夜長短與太陽高度角變化幫助學生理解地球公轉及其相關現象。這三個主干問題將三個知識點串聯在一起，建立了知識點之間的聯系，體現了地理課堂的整體性和邏輯性。學生沿著清晰的學科邏輯線路展開學習，投入更多的努力用以圖式建構，降低了外在認知負荷，增加了相關認知負荷。

圖1 “影響氣候的主要因素”問題鏈

3.適當追問，拓寬思維深度和廣度

有時為了貫穿問題鏈，達成教學目標，教師可以通過適當的追問，從一個問題過渡到另一個問題，拓展學生思維的深度與廣度。追問的問題設計要注重問題之間的關聯性，使得問題之間承轉更為自然，符合學生思維邏輯。追問可以是順向思維也可以是逆向思維。在本節課中，通過追問“同一時間不同緯度的太陽高度角是否相同”以及“太陽直射點是否會發生移動”進行問題之間的過渡。在探究完公轉對氣候影響之后，對學生進行逆向追問“假如地球不傾斜，直射點是否會發生移動”。學生在不斷地追問中發現問題，逐漸完善知識體系。

4.借助教學演示，巧設問題

切分元素獨立呈現和提供輔助信息均有助于控制內在認知負荷。本節課借助實物演示和多媒體動畫演示化解重難點，以生動具象的方式呈現抽象的內容，有助于吸引學生注意力，控制內在認知負荷。教學演示不僅在于“演”，更在于“思”。在教學演示時，巧設問題，通過問題的引導幫助學生排除干擾信息，有的放矢地進行觀察和思考，降低外在認知負荷。本節課采取了實物演示和多媒體動畫演示：在實物演示時，讓學生觀察手電筒的光斑明亮及大小，并說出產生差異的原因。帶著這個演示結果去思考，學生不難歸納出太陽高度角與太陽輻射的關系。在多媒體動畫演示地球公轉時，設計了以下三個小問題引導學生觀察：太陽直射點一年中在哪兩條緯線之間有規律地移動；春分、夏至、秋分、冬至太陽直射點分別在哪個位置；隨著太陽直射點的移動，晝夜的長短是如何變化的。通過教師精心設計的問題，學生從感性的認識上升到理性的認識，從地球公轉運動中歸納出直射點和晝夜長短的變化規律。

三、教學建議

除了上述的問題設計策略，還應該考慮到問題解決方式。教師基于認知負荷產生的原因，預設問題解決方式：哪些問題學生可以通過獨立思考解決，哪些問題需要借助小組進行探究，哪些問題需要教師搭建“腳手架”進行引導。同時，一堂課的問題可以支持多種解決方式，讓不同層次的學生都參與進來，積極投入到學習活動中。學生學習時的認知心理活動總量是有限的，隨著多個問題不斷解決推進時，要適時適當梳理核心問題、主要問題和次要問題之間的關系，幫助學生建構知識，形成解決問題的圖式建構（見圖2）。學習者如果具備與學習任務相關聯的圖式結構，內在認知負荷就會相應減少。[5]本節課中當學生建構了太陽輻射與太陽高度角的關系圖式，便能運用該圖式去解決核心問題，減少內在認知負荷。此外，在問題設計時還應注重問題的表述是否清晰明了，語言是否凝練準確，避免增加額外的外在認知負荷。

圖2 “影響氣候的主要因素”圖式建構