促进深度学习的翻转课堂研究：认知负荷理论的视角

2019-07-08乐会进蔡亮文

教学与管理(理论版) 2019年4期

乐会进蔡亮文

摘要促进深度学习是提高教育质量的本质要求。翻转课堂教学模式，被学术界认为是促进深度学习、提高教育质量的有效途径。从认知负荷理论的视角，结合分布式认知理论、图式理论，分析了翻转课堂教学模式为什么能促进深度学习。研究表明：深度学习的目标定位、学习任务的结构化和以学习者为中心的教学策略，使得翻转课堂教学模式得以促进深度学习。信息技术则协助翻转课堂教学设计与实施，降低深度学习伴随的认知负荷，或者将认知负荷分布到各环节学习活动、媒体和主体间，从而促进深度学习。

关键词深度学习翻转课堂认知负荷分布式认知

促进深度学习是提高教育质量的本质要求。翻转课堂，被学术界认为是促进深度学习、提高教育质量的有效途径。相关研究表明：翻转课堂能够有效促进深度学习[1][2];为本文的研究打下了坚实的基础。然而，翻转课堂为什么能促进深度学习？翻转课堂促进深度学习的机制及路径目前还没有深入研究。本文试图从认知负荷的理论视角分析翻转课堂何以能促进深度学习。

一、认知负荷视角下的深度学习

1976年Ference Marton和Roger Salgor通过分析比较学习者获取和加工信息的方式，提出了深度学习（deep learning）的概念。按照广为接受的说法，深度学习是以高阶思维为核心特征的学习。结合我国学者黎加厚引入的深度学习概念，我们将深度学习理解为一种主动获取信息、与已有知识进行加工重组建构新的知识体系、并且能够在长期内进行迁移运用以及问题解决的学习状态[3]。

2007年，美国林地公园高中的科学教师乔纳森·伯格曼和亚伦·萨姆斯开创并实践了翻转课堂，形成学习内化在课堂、传授知识在课外的新教学模式。翻转课堂的本质在于在课前初步完成浅层学习目标，充分发挥面对面教学的作用，在课堂上实现知识的内化以及高阶思维能力的培养，从而促进深度学习[4]。

深度学习往往意味着高认知负荷。认知负荷理论认为，根据来源及其是否有助于图式的建构，可以把认知负荷分为内在认知负荷、外在认知负荷、关联认知负荷和元认知负荷四类。人的工作记忆资源总量是有限的，学习要发生，其认知负荷总和不能超过记忆资源的总量。深度学习时认知负荷超过工作记忆的容量限制，就会造成认知负荷超载[4]，影响学习或问题解决的效率。

那么，翻转课堂设计的教学模式，在促进深度学习的同时，如何将各类认知负荷总量控制在学生可接受范围之内？

二、促进深度学习的翻转课堂模式设计

根据分布式认知理论，认知分布可以分为空间上的分布与时间上的分布[5]。翻转课堂将浅层目标、深层目标所伴随的认知负荷分布于课前、课中、课后的教学设计中，将认知负荷控制在学生可接受的范围之内，体现了分布式认知在时间上的分布;而在活动设计中设计人机交互、个体交互、环境辅助教学，从而降低学生学习的认知负荷，则体现了认知负荷在人与媒介、个体间的分布。从分布认知理论出发，促进深度学习的教学设计模式应具备深度学习的目标定位、学习任务结构化以及促进深度学习的教学策略。

1.深度学习的目标设计

深度学习的目标设计是翻转课堂教学模式设计的起点。根据深度学习的高阶思维特征，促进深度学习的教学目标设计不能仅仅停留在了解，领会和應用的初级认知水平，更要突出面向应用、分析、评价以及创造等高级认知水平。围绕深度学习的目标定位，才有深度学习任务设计。

翻转课堂《探究轴对称的性质》课例中[6]，在学生课前自主学习环节掌握轴对称的概念和性质的基础上，课堂上则致力于知识内化。通过知识深化、知识拓展、练习巩固、知识总结等课堂教学环节，促进学生认知朝分析、评价等高级水平发展。深度学习的目标分层次设计、分步骤实施，有效合理控制了各个学习任务的内在认知负荷。

2.学习任务结构化

教学目标需要通过各个具体的学习任务来实现。学习任务设计时，突出强调任务之间的逻辑和意义关联、思维层次逐渐递进，实现学习任务结构化。一方面，通过任务分解，每一个以问题为导向的学习任务涉及的知识要素变少，从而降低单个学习任务的内在认知负荷;另一方面，通过任务结构化，将总体内在认知负荷分布到互相关联的教学任务中，实现认知在时间上的分布。学生在后一学习任务中可以调用前一个学习任务中习得的图式和学习定势，从而降低高认知水平学习任务的认知负荷。

课例《探究轴对称的性质》体现了翻转课堂的典型教学任务结构化设计。学生利用电子书包完成课前线上学习和自测，为接下来的任务建构一个初步的知识网络，课堂上教师根据电子书包反馈的学生学习情况，进一步巩固前一目标，进行知识深化。任务设计既涉及浅层目标也涉及高阶思维培养目标，然后再进一步利用电子书包内置工具进行知识拓展与练习，利用电子书包呈现的多媒体学习材料，降低高阶思维学习过程中的外在认知负荷，让学习者利用内置工具实现认知负荷自主调节。

线上线下相结合的翻转课堂教学设计，课前利用教学视频帮助学生消解了传统纸质教材自学带来的部分认知负荷，形成了一定的认知图式，一方面降低了课堂知识内化的难度，另一方面也为课堂知识内化预留了较大的认知空间，有利于高阶思维培养。

3.促进深度学习的教学策略设计

如果说教学任务是教学目标的具体化，那么教学策略就是在教学过程中为了使生成教学目标满足甚至超越预期教学目标所采取的一套特定的方式或方法。学生是学习的主体，深度学习发生的重要内部条件之一就是调动学习者的主动性，激发学生的内在学习动机，以使学生实质地参与深度学习过程。因此，促进深度学习的教学应围绕“学生主体，教师主导”的思想展开。深度学习的教学组织在这一中心思想的指导下，合理运用支架策略、协作学习策略、形成性评价策略等来避免认知超负荷。

（1）支架策略

支架策略是指新手在更有能力的人的帮助下解决问题、完成任务的过程。学习支架具有吸引学生、降低任务难度、维持学习动力和示范等作用[5]。深度学习往往涉及到高难度的知识或任务，这就需要教师为学生提供支架，将高难度学习任务的认知负荷控制在合适水平，从而支持学生完成深度学习。

那么教师提供的支架又是如何降低任务难度，让学生完成深度学习的呢？以翻转课堂《探究轴对称的性质》的教学设计为例，首先，教师在课前根据学生的已有知识与认知发展水平，为学生开发和收集了合适的课前学习材料，包括课件、微课以及自主测试。课前自主学习实际上就是在将浅层学习带来的内在认知负荷前移至课前消化。其次，轴对称的性质对于七年级学生来说属于较抽象的概念，视频讲解运用数形结合更加形象直观，而形象直观的呈现方式也降低了学习者的外在认知负荷。例规法加深了学生对于概念的理解，让学生在课堂知识内化前初步领会了轴对称的性质，为课堂知识内化奠定了基础，同时学生在自主学习过程中发展了自我分析、总结、概括的高阶思维能力。最后，教师在教学过程中为学生设计了结构化的学习任务，并且给学生提供了及时的过程性评价反馈，维持了学生的学习动力，并且完成任务后的分析及教师的点评具有示范作用。

（2）协作学习策略

翻转课堂面对面学习任务的实质是问题解决，这个过程需要多种知识类型的参与，认知负荷达到最高点。问题解决任务的完成，是深度学习的核心阶段。协作学习是翻转课堂促进深度学习的主要策略，也是认知负荷控制的关键。

深度学习意味着问题解决过程具有较高的内在认知负荷，协作学习如何降低问题解决的认知负荷呢？协作学习过程中，就同一问题，小组成员从不同角度对问题进行表征，提出不同的解决方法，学习者之间会产生认知冲突。通过交流、反思和整合产生新的认知。这个过程中涉及知识应用，图式适用性分析和评价，并最终创造整合出新的问题解决方案。群体动力和多样化认知图式，促使学习者进行深度的认知加工[7]。以数学问题解决过程为例，信息加工心理学家将问题解决分为问题表征、设计解题计划、执行解题计划和监控四个阶段[8]。问题表征阶段，学生对问题进行浅层理解以及深层理解，可以由教师利用多媒体来呈现问题，使其更加形象生动，从而降低外在认知负荷;也可以由协作学习同伴用生活世界的话语从不同角度来表征问题，降低内在认知负荷;面对认知冲突，通过小组交流与讨论，适当增加关联认知负荷，促进深层表征。设计解题计划和监控阶段，让学习者协作完成问题，当每个学习者都只能构思出一部分的解题计划时，来自同伴的支持有助于建构出完整的解题计划，从而降低其内在认知负荷，而且共同监控相对于自我监控也会降低学习者的元认知负荷;执行解题计划阶段，这一阶段主要运用的是程序性知识，与上一阶段相同，同伴支持会降低其内在认知负荷以及元认知负荷。

（3）形成性评价策略

形成性评价指由注重结果评价转为注重过程评价，其本质特征是评价所反馈的信息用于改进[9]。有关实验研究表明：学期内开展的形成性评价次数越多，学生的学习水平提升越高。因为形成性评价经常为学生提供有关学习情况的反馈信息，反馈信息成为学生自我反思的外部参照，从而降低元认知负荷，有利于学习者调整优化原有知识结构，使得学习不断朝分析、评价、创造等高阶思维水平发展，从而增强了学生的深度学习能力。因此，注重形成性评价，为学生提供具有反馈意义的评价。如翻转课堂《探究轴对称的性质》的课堂练习巩固环节，教师在学生做题过程中观察学生的做题情况并对有需要的同学进行个别化辅导，关注学生的个别差异，有针对性地进行评价指导反馈，促进学生对已有知识的反思和改进，而来自外部的评价比起学生自己的反思评价相对来说也降低了学生的元认知负荷。

三、信息技术支持深度学习活动实施

促进深度学习的目标定位、结构化任务以及多样化的教学策略等教学设计都是围绕影响学习的三大因素——人、知识、环境进行的，而信息技术支持深度学习的途径也是围绕这三者之间的关系渗入教学的，主要表现出两个功能：一是提供丰富的学习资源与各层次的认知工具;二是提供便捷的社会互动与交流平台。根据分布式认知理论，借助工具可以提高个体的认知效率。在没有媒体技术支持的情况下，将会加重认知负荷，特别是工作记忆容易超负荷。学习者利用丰富的学习资源实现信息外部存储，借助技术工具实现媒体存储信息与工作记忆的交互，促进人与媒体间的认知分布，为学生在课堂中进行知识内化时预留认知空间，减少工作记忆的瞬时认知负荷。

根据戴维·乔纳森的教育技术思想，基于三者关系，笔者分析了信息技术支持深度学习渗入教学的主要方式（如表1）。

1.技术支撑优化教学环境，创设支架空间

通过创设信息化学习环境，信息技术为深度学习的结构化任务在线上线下实施提供了支持和保障，实现了数据、信息与知识跨越时空的共享，打破了课堂的时空限制，从而优化教学环境。为学生提供丰富的学习资源作为支架策略的主要表现方式之一，使学生能够在课前完成浅层学习的任务。学生利用学习资源开展课前自主学习不仅涉及浅层教学目标，也涉及到了高阶思维的发展。当学生在丰富多样的学习资源中进行选择时就是一种分析性、批判性的学习，而批判性思维也是高阶思维能力的标志之一。根据认知分布式理论，使用信息技术工具，可以将一部分运算任务或认知过程性数据存储任务交给技术工具，从而降低工作记忆的认知负荷，提高认知效率[8]。同时，由于课前的自主学习阶段已经完成浅层学习目标，所以当學生学有余力时，还可引入关联认知负荷，深化学生对知识的理解。

技术还能为深度学习的教学提供多元化的认知工具。研究表明使用语义图示工具有助于提升学习过程质量，促进学习者的深度理解[10]。语义图示等认知工具的使用，也能降低认知负荷，促进深度学习。

2.技术支撑多模态教学，促进课堂灵活实施

信息技术能够为教学提供传统模拟和言语形态以外的多样化形式，实现多模态教学[11]。在传统课堂中，知识仅仅停留在纸质媒体书本教材以及教师的言语、肢体动作等单一的展示形式上。而信息技术支持的翻转课堂教学模式却可同时利用书本教材、教师表达以及多种多样的多媒体技术赋予的教学形式。认知负荷理论认为，内在认知负荷取决于因材料本身包含的要素多少产生的绝对难度和因学习者已有认知图式和生活经验的可用性带来的相对难度。深度学习带来的认知负荷，可以通过课前的支架策略在一定程度上降低相对难度，但绝对难度是不可能避免的。在翻转课堂中，主要通过信息化教学材料降低外在认知负荷来降低总认知负荷。教师可利用多媒体技术通过视频、音乐、图画等多种媒体符号，优化教学内容的呈现方式，使其简单易懂。借助信息技术，设计有效的多媒体材料，能显著降低学习的外在认知负荷。

3.技术平台支持互动，增强人际交互

借助信息技术构建师生交流、学生同伴讨论以及过程性考核平台，为教育教学过程人与人的交互关系提供了便捷的社会互动和交流方式，增强了人际交互关系。

师生交流和学生讨论平台建立了一道心理防线，不像线下交流一样，需要面对及时回应的压力。技术支持的在线交流平台能够充分给予学生思考的时间，让学生有充足的时间进行深度思考。根据耶克斯—多德森定律，面对复杂问题时，学习压力越大，解决问题的效率越低。基于技術平台的交流，让学生有更多的机会调用长时记忆里的图式来分析解决问题，有助于提高学生学业成功的几率，进而让学生有进一步探索思考复杂问题的动力。基于技术平台的交流还提供了多元化的认知工具帮助学生清晰地阐述自己所学。如果没有多元化认知工具的支撑，同样的讨论问题，将成倍增加学习表达的元认知负荷。在翻转课堂《探究轴对称的性质》中，学生利用电子书包的资源进行学习，遇到问题可以在线向其他同学以及教师请教，来自外部的支持可以帮助学生认识自身知识体系的缺陷，降低自我反思所带来的元认知负荷;课堂中利用电子书包的拖动、书写、注释功能深化理解。教师能够利用平台进行及时评价，协助学生进行自我监控，促进学生的自我调控，从而降低学生的元认知负荷;而信息技术能够记录学生的参与性、教师的过程性评价，为教学提供了多样化评价机制。

翻转课堂模式本身充分了发挥面对面教学的作用，学生在课前完成浅层目标，降解了浅层目标伴随的认知负荷，为课堂上实现知识的内化以及高阶思维能力的培养预留更多的认知空间，从而为深度学习的实现提供了可能性。深度目标定位、结构化教学任务以及“教师主导，学生主体”的教学策略，进一步聚焦深度学习。信息技术则协助教学设计的实施，降低深度学习伴随的认知负荷，或者将认知负荷分布到各环节学习活动、媒体和主体间，从而促进深度学习。

总之，从认知负荷的角度出发，翻转课堂教学模式促进深度学习的机制主要在于教学模式本身、结构化的任务设计以及信息技术的支撑可以在不同层面将深度学习所伴随的认知负荷控制在合适范围内。

参考文献

[1] 张国荣.基于深度学习的翻转课堂教学模式实践[J].高教探索，2016（03）.

[2] 胡立如，张宝辉. 翻转课堂与翻转学习：剖析“翻转”的有效性[J].远程教育杂志，2016（04）.

[3] 杨玉琴，倪娟. 促进“深度学习”的教学设计[J]. 化学教育，2016（17）.

[4] 孙崇勇. 认知负荷的测量及其在多媒体学习中的应用[D]. 苏州：苏州大学，2012.

[5] 刘俊生，余胜泉分布式认知研究述评[J].远程教育杂志，2012（01）.

[6] 刘凯. 基于电子书包的翻转课堂教学案例设计[D]. 兰州：西北师范大学，2014.

[7] 吴冬梅，吴晶晶. 支架式教学及其在中职英语教学中的应用研究[J].中国职业技术教育，2015（11）.

[8] 皮连生. 教育心理学：第四版[M].上海：上海教育出版社，2011.

[9] 赵德成. 教学中的形成性评价：是什么及如何推进[J].教育科学研究，2013（03）.

[10] 蔡慧英，顾小清. 设计语义图示工具促进深度理解的实证研究[J].开放教育研究， 2017（06）.