认知负荷与天文之美——天文馆科学教育浅见

金峥华



认知负荷与天文之美——天文馆科学教育浅见

金峥华

上海科技馆

任何一门科学在试图被公众理解更多时，都会遇到同一个问题——“认知负荷”，天文亦是如此。天文馆在向观众传达天文之美时，该如何化解“认知负荷”？国外研究者的经验可以归结为四个方面：首先，避免一些看似有趣但实则是会干扰学习信息的提取和整合。其次，对于涉及基础知识极为广泛的内容，可以做模块化的处理，对内容进行分割、预处理、载体变化形态。第三，为了便于新的信息与已有的认知进行整合，需要为学习者提供便于他们理解和记忆的工具。对于学习设计者而言需要理解“专家”和“新手”的思维方式。第四，年龄是影响学习的一个重要因素，尤其是空间思维能力。最后各种天象厅的案例研究表明，天象厅是天文馆最具有魅力的体验，各种“地球视角”与“太空视角”的转化可以更好地帮助观众理解天体的关系和他们的运行方式，让观众主导的学习过程会使他们获得更好的参与感，而“真实”永远有它的魅力，一个渊博的学者在“星空”下做的分享是极具有吸引力的。

认知负荷 天文学习 学习设计

任何一门科学在试图被公众理解更多时，都会遇到同一个问题——“认知负荷”，天文亦是如此。从美学和情感的角度，我们毫不怀疑星空的魅力，但是她的数理与逻辑之美要为观众所认识和欣赏并非易事。不同于许多从实验室里获取的数据和理论的学科，天文的结论来自观测和演算，她的研究对象那么“遥不可触”，她的观点又与物理、哲学领域的理论相互渗透。天文馆在向观众传达天文之美时，该如何化解“认知负荷”？由于国内对于天文科学传播的文献总结极为有限，笔者因而希望从国外同行的经验与思考中获取些许启示，对2010年3月至2015年3月国际天文馆协会期（季）刊《Planetarian》（天文馆人）和其他一些国际科学教育期刊中涉及天文馆教育的文章进行一次梳理。

1 如何帮助观众减少认知负荷

“认知负荷”的观点来源于认知心理学和信息加工理论，学习的过程可以被分为四个部分：首先选取相关的学习材料，随后把材料组织编排成可以理解的模式，然后把材料与以往的认知整合或是重构，最后认知的运用。同时学习过程也是一个认知资源分配的过程，在这个过程中人们处理信息的能力是有极限的。那么天文馆里的科学学习会有哪些“认知负荷”呢？设计者又该如何减轻认知负荷？

1.1 避免那些看似有趣，但会干扰学习的细节

学习内容应该有一定的完整性和清晰的内在逻辑，有些形式或细节虽然很诱人，但实则可能是干扰学习的。学习过程中的信息量越大，那么学习的负荷也越大，可以减少额外和不必要的学习内容，降低学习的负荷，尽量避免在提取、组织、整合等各个环节中出现无助于认知的信息。Sean Gillette(2014) 等人有一项关于干扰性学习细节的研究，研究者在数字天象厅内向小学5年级的孩子讲述有关天文学的知识，为其中一半的孩子在学习过程中提供了大量有吸引力但与学习内容无关的细节，比如为学生设计3分钟左右的肢体参与活动，孩子在学习的过程还接触到了53个人物形象，另一半孩子则没有接触到这些细节，研究结果显示，具有诱惑力的细节可能激发兴趣和关注，但是这样的关注和兴趣未能提升学习的效果，反而会干扰学习者对核心信息的获取。

1.2 需要模块化处理的学习内容

知识总是相互牵连的，有时要解释某个名词或现象时，牵涉的基础知识极为广泛深入，即使做最简单的介绍也会演变成长篇大论，但显然这些必要的解释是会造成认知负荷的过量。这时设计者必须采用一定的策略，将纷繁复杂的学习内容进行分割、预处理和改变信息形态。

比如在学习月相前，先让学习者体验从不同视角看到光源对物体造成的不同光影的结果，然后再提供一个通过日、地、月三者的模型演示三者的相互关系和运行方式，最后再开始解释月相周期的具体成因。研究结果显示，经过模块化设计的学习内容能使学习者更扎实地了解相关知识，为发展新的认知提供基础。

1.3 提供便于理解和记忆的工具

学习者的思维模式不同于这个领域专家的思维模式，学习者不一定能按设计者的预想顺利地开展学习。如果学习的设计者对某个专业知识领域相当熟悉，则需要意识到，面对同样的信息，普通公众的理解方式、思维方式可能与自己截然不同。Lisa F. Smith(2010)等人对天文专业人士和非专业人士面对相同信息的不同理解展开研究，专业人士更趋向从更科学和更数据化的眼光看待图像，而非专业人士更偏向从艺术或是情感的角度理解看到的影像。这是由于专家和新手对于同一事物的辨识和思考模式是不一样的，专家拥有的知识储备在他们需要调用时不需要大量的意识控制，比如一个国际象棋的高手可以轻易分辨出棋盘上的某种进攻或防守的形态，知道下一步有哪些选择，以及怎样做最有可能成果。与之相反的是，新手则必须对无数种可能捉摸良久，仔细研读各个棋子的位置，十分困难地判断最佳举措在何处。对于同一种情况，专家相较于新手所获得信息总是更为深入的。所以面对大多数非“专业”背景的公众时，需要为他们提供便于与已有认知整合、重构的工具。比如，一个常用的“比喻”手法是将银河系画在一个气球的表面，往气球里吹起，气球的表面会膨胀，那么画在气球表面的银河系也会随着膨胀，以此来帮助公众理解宇宙膨胀的概念，气球里的空气就像是时间，空间随着时间膨胀（Jeanne E. Bishop，2014）。

在Lisa F. Smith (2010) 的研究中，人们在看过一组天文影像后，被要求回答一系列有关空间尺度的是非题，对于非专业背景的观众，有尺度参照的图像，得到的回答正确率远远高出没有尺度参照的，比如以太阳的直径为参照对比其他宇宙空间的尺度或距离。而对于专业人士而言，有没有这样的参照答题的正确率并没有显著的差异。而对于普通公众，这些简单的参照比例为他们提供了理解和记忆的重要工具，通过学习材料与已有认知的整合能够发展出新的认知。

Jean Creighton（2012）等人有一项研究，即：如何通过一场50分钟的天象节目让观众辨识3个以上的星座。他们对两个类似的星座天象节目做了比较研究，都是从天极附近的星座开始介绍，然后是介绍各个季节的星座，但是在过程中使用的技巧略有不同。两个节目后得到的观众能辨识3个以上星座的比例差异是17%，研究者认为一个非常可能的原因是其中一个节目更清晰地勾勒了星座的形态，并用影像填补了观众的想象，并与观众分享了更多星座背后的故事。研究也同时提到了年龄可能是一个非常重要的因素，制约了观众的星座辨识能力，成年人能辨识三个星座的分别为48%和32%，而12岁以下的孩子为33%和21%，孩子并不如成年人那样擅长辨识星座。

1.4 不要求超越年龄的学习能力

根据著名认知心理学家皮亚杰的观点，随着孩子年龄的增长，他们的思维方式是会发生改变的。许多幼年的儿童不能将原因和结果做出正确的关联，他们往往会把两个不相干的事务联系在一起。孩子们稍大一点时会喜欢探索，但仍然不喜欢逻辑思维。成熟的推理能力多数是在15岁左右形成的。月相、四季这些现象的变化规律和成因被广泛作为儿童学习天文的主题，但需要特别专注的是孩子们相应的空间思维能力是否已经建立(Jeanne E. Bishop,2014),发现在天象厅里给非常年幼的孩子讲解星座时，他们可以指到哪儿看到哪儿，但是他们并不具备空间思维能力，比如凭借想象去丰富星座的细节。她认为这是由年龄导致的学习能力的不同。她曾做过实验，7岁的学生很难完整理解四季和月相发生的原因。13～14岁的学生随着大脑发育的完善，已经可以开始理解抽象的天文概念了。她认为只有当学生能在脑海中自如切换“地球视角”和“太空视角”，他们才真正理解了四季和月相，这种能力被皮亚杰称之为”Project ability”(投影式思考的能力)，即可以从两个不同的视角辨识处同一事物的形态。

笔者查阅了美国物理教师协会发布的《K-12 astronomy benchmarks from Project 2061》，即2061计划幼儿园至高中阶段（12个年级）的天文教育标准：小学阶段的孩子只能刚刚建立一些关于星星和宇宙的模糊认识，数年之后他们才能对宇宙的大尺度空间有所了解。而在这个阶段，行星、恒星、星座名称是不需要记忆的，他们只需要对部分天体（比如太阳、月亮）在天空中的位置和运动有简单的了解。标准强调，在这个阶段不设具体的记忆目标，尽管有些学生会很乐意去记忆。然而对于距离和光亮的变化在这个阶段可以有所涉及。标准强烈建议，3D模型比2D图像更适合向儿童解释空间关系。

2 有关天象厅的学习案例

天象厅往往是整个天文馆中最具有魅力的部分，而在这片穹顶之下的体验往往也是观众在天文馆里最重要的学习体验。笔者选取了一些案例，解释他们是如何减轻认知负荷，分享天文之美的。

2.1 从“地球视角”到“太空视角”

随着数字天象厅的引入，太空视角的影像能更好帮助学生纠正一些错误的理解和认识。木星看着比金星离太阳更近，这看着不太合理，因为学生们知道金星距离地球是更近的。用3D 模型的视角转换能解释这是地球视角造成的问题。

Kim J. Small (2014)等人的研究发现，课堂和天象厅结合的方式更有可能使学生理解月相发生的原因。首先让学生在课堂上描述他们所观察的月亮在一个月内的月相变化，随后在天象厅播放月相在一个月内的变化，并请学生根据自己的理解解释这一现象的成因，这时学生有许多错误的观点会暴露出来。随后研究者带领学生离开地球并以不同的视角在“太空中”观察月亮，学生会发现月亮其实是个球体，绕地球一周的时间差不多是一个月，因为离月亮的“距离”更近了，学生会发现月亮发出的光亮其实是将太阳投向它的光线反射向了地球，月亮的一面总是亮的，而另一面总是暗的。月相变化是从地球视角可以看到的反光区域的变化，在学习了月相之后，再在月亮表面视角观察地球，学生们惊奇地发现地球也会有这种周期性变化的现象。然后再次带领学生观察金星和水星，从地球视角他们是否也有同样的周期性，最后我们回到地球，对月相产生的原因再做一个总结和回顾。

2.2 由观众主导的学习

从科技馆到天文馆，我们一直在寻找激励学习者的方式，互动是我们通常能想到的方式，互动意义是能够让观众成为主动探究的学习者。要有一些东西使学习者觉得他们是整个活动中关键的一部分(Jeanne E. Bishop,2014)。比如，谈论星空神话时，不妨让观众从不同的文化中挑选出他们感兴趣的神话，而不是直接引入希腊神话作为开头。当欣赏不同纬度的星空时，也可以由他们选择首先去哪，是南极、北极，还是赤道。或者在开始观测月相的时候他们是先想从新月开始呢，还是从满月开始。

2.3 “真实”是一种魅力

天象厅不仅是一个学习天象知识的地方，也是一个启发学生深层思考的地方，获得一个全新的或是更好的关于世界究竟为何、以及如何运转的认知，这也是科学和人类学习的意义所在。今天人们已经有了计算机模拟的星空游戏和适用于智能手机的应用程序以获得丰富的天文知识，但是这些都无法取代一个渊博的学者在“星空”下做的分享。

Mike Shanahan(2010)一项关于天象厅观众的调研涉及了观众最喜欢和最不喜欢的天象厅体验，与星座、星空、流星、夜空有关的夜空主题是观众最喜欢的部分，而紧随其后的就是“历史”和“真人讲演”。“历史”包括了宇宙的历史、人类探索的历史和某一特定人物（伽利略）的历史；“真人讲演”的方面包括了现场感、讲演者的逻辑、音色、激情、博学、幽默等等。而那些观众最不喜欢的部分，往往是破坏现场感和沉浸感的部分，比如视野不完整、现场有孩子吵闹、脖子不舒服、座椅倾斜不够、座椅有异味等。

3 结果与讨论

国外研究者在如何消减公众“认知负荷”经验上可以归结为四个方面：首先，避免一些看似有趣但实则会干扰学习的信息的提取和整合，学习的内容应该有一定的完整性和清晰的内在逻辑，和学习无关的内容会分散学习者的注意力，进而干扰学习过程中信息的提取和组织。其次，对于牵涉基础知识极为广泛的内容，可以做模块化的处理，对内容进行分割、预处理、载体变化形态，比如在学习月相前，利用各种媒体的结合，先让学习者体验不同视角看到的不同光影的结果，通过日、地、月模型演示三者的运行方式，进而再解释月食的成因。第三，为了便于新的信息与已有的认知进行整合，需要为学习者提供便于他们理解和记忆的工具。对于学习设计者而言需要理解“专家”和“新手”的思维方式是不同，有些对于专业人士是显而易见的信息，对于公众则需要为他们提供获取信息的工具，以简化他们对信息编排和整合的过程。第四，年龄是一个影响学习的重要因素，尤其是空间思维能力。天象厅是天文馆最具有魅力的体验，各种“地球视角”与“太空视角”的转化即可以带领观众享受前所未见的景观也可以更好地帮助观众理解天体的关系和他们的运行方式。而最重要的是，无论科技如何发达，“真实”永远有他的魅力，一个渊博的学者在“星空”下做的分享是极具有吸引力的。

这些国外研究的结果极富借鉴和参考价值，但是也有不少问题仍待深入研究和实践总结，笔者认为，唯有通过受众调研，在从设计到实施的过程中开展形成性评估，才能不断调整完善，有效减少“认知负荷”，分享天文之美。面对具体的学习内容和学习目标，如何界定哪些是“富有诱惑力但干扰学习的细节”；对于学习内容的模块化处理，如何取舍和处理从而保留核心的和真正重要的学习内容；需要为学习者提供哪些工具，这样他们获得的信息才能更接近专家获得的信息；这些问题既在相当程度上有赖于设计的经验，也取决于具体深入的受众分析。尤其是“富有诱惑力但干扰学习的细节”，比如，也有研究者支持在天象厅的学习过程中加入一些肢体活动，以免坐得太久而产生疲劳。关于年龄对于天文学习的影响，国内并有细致按年龄或年级划定的目标，学校和学生的个体差异也很大，具体的内容适合怎样的年龄层次学习，需要天文领域的科学传播者和教育工作者共同探讨。天象厅的只是天文学习的一个途径，天文馆的设计可以从天象厅的案例中获得相当的借鉴和启示，也仍有更多更广阔的形式和载体值得探索和实践。

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