基于认知负荷理论的教学策略探究

徐果

摘   要：随着现代教育的改革，“还教于学”“还学于生”的呼声愈来愈高，课堂中学生的主体地位也愈来愈凸显。在此背景下，本研究以学生的认知结构为出发点，应用认知负荷理论来探索、优化物理课堂教学策略，以期降低学生的认知负荷，从而构建出一节高效的“生本”课堂。

关键词：认知负荷;比热容;教学策略

中图分类号：G633.7 文

随着认知心理学的研究逐渐深入，它在教学中的地位日渐突出。目前，现代教学设计开始以学生已有的认知结构作为教学起点，注重根据学生的学习特点来设计教学过程。在实际教学中，教师即使做到了以上几点，也仍然发现学生在学习中会出现认知困难，而认知负荷理论的提出恰好解决了这一现象。

1    认知负荷理论的基本观点

在进一步研究认知主义学习理论的基础上，澳大利亚认知心理学家约翰·斯威勒等人首次提出了认知负荷理论，该理论从图式获取和规则自动化入手[1]，为教学设计的优化指引了新的方向。认知负荷理论认为，人类的学习离不开工作记忆和长时记忆，工作记忆是信息加工的场所，其容量极为有限，信息储存时间短;而长时记忆是信息储存的场所，容量无限，信息保存时间长，但它不能完成信息的加工，其所储存的信息只有被提取到工作记忆中才能完成加工[2]。如果学习者所要加工的信息容量超出了工作记忆所能加工的容量，那么学习将变得无效[3]，导致学生的认知超载。

研究发现，认知负荷在结构上可分为内在认知负荷、外在认知负荷和相关认知负荷三类。在教学设计中，内在认知负荷由学习材料的固有特性及学习者的知识水平决定，一般认为不能改变;外在认知负荷源于教学材料的呈现方式及教学设计，它可通过教学内容的重新组织和设计进行调整;相关认知负荷是与学习者主观领域相关的信息，与学生的认知努力有关[3]。因此，有效的教学设计需科学管理这三种认知负荷。

2    认知负荷理论下的教学策略探究

基于以上分析，认知负荷理论下的教学原理应该是：明确教材的内在认知负荷，在此基础上降低外在认知负荷、提高相关认知负荷。本文以苏科版初中物理教材中“物质的比热容”内容为例：比热容是一个极为抽象的概念，其内涵深、外延广，是教学的难点，再加上现行教材在一定程度上脱离了学情，同时还存在内容逻辑上的缺憾，以至于给学生造成了沉重的认知负荷。有鉴于此，本文基于认知负荷理论，从降低学生的外在认知负荷出发，关注内在认知负荷和相关认知负荷，对“物质的比热容”教学环节进行了优化，如表1所示。

2.1    把握知识本质，明确内在认知负荷

比热容是反映物质特性的一个重要物理量。首先，“比热容”这个名词在学生的生活中并不常用，学生没有相关的认知基础，已有认知水平较低，因此会感到陌生、抽象，有一定的认知障碍;其次，比热容的本质是相同质量的不同物质变化相同的温度所吸收（放出）热量的多少，是物质吸热（放热）本领的强弱，是物质容纳热量的能力。由此可见，比热容的概念和热量是密不可分的，而热量又是看不见摸不着的，没有具体直观的物理模型。对初中生来说，他们对概念的理解还不能脱离具体事物的支持，对于抽象的概念学生会出现感知困难，因此在本就抽象的热量基础上再去学习更加抽象的比热容概念，势必会使学生有很重的认知负荷。最后，比热容概念的得出本质是通过比值定义法，由于比热容和三个物理量有关，公式较为复杂，教材虽然从直观实验数据出发得到了比热容的公式（c=■），但是对学生而言，却很难掌握公式的真实含义。因为对初中生来说，书本上“比热容在数值上等于单位质量的某物质温度升高（降低）1 °C所吸收或放出的热量”这一表述并非十分明确直观，很难让学生在思想上产生共鸣，学生必然出现认知困难。

在对“比热容”这一概念的本质进行分析后，发现知识的内在认知负荷较高，教师需要在学生认知结构的基础上，进一步优化本节课的教学设计。

2.2    选择教学路径，降低外在认知负荷

降低外在认知负荷是“教学的认知负荷理论研究”的重点关注对象，在“比热容”中，其知识的内在认知负荷已经很高，若要提高学生的学习效率，亟需降低外在认知负荷，即提高教学设计水平，对本节内容及呈现方式进行优化：

（1）从实验效果优化实验器材。教材中选用了“水和沙子”进行实验，但沙子的导热能力差，加热过程中极易造成沙子受热不均匀，即使玻璃棒不断搅拌，效果也不是很好，且测温过程中温度计处于沙子的不同部位，温度差异会很大，这样的实验数据会给学生后续的分析增加难度，人为增加了认知负荷。因此，本实验摒弃了导热效果不好的沙子，改为使用“水和食用油”进行实验。该实验操作简单、实验效果明显、数据也更准确，使认知负荷降低，有利于学生实验结论的分析。

（2）基于学生的认知规律改进实验。教材中“物质的比热容”一节的实验探究主题是“探究不同物质吸热升温的快慢”，逻辑上是比较相等质量吸收相同热量的不同物质升高相同温度的时间，而“比热容”是表示物质吸热（放热）本领的大小，其本质是相等质量变化相同温度的不同物质，吸收（放出）热量的多少。由此可见，二者的思维逻辑是完全不同的，教材的安排与学生的认知规律是不一致的，虽然教材后面补充提出了“质量相等的沙子和水升高相同温度，哪一个吸收热量多？”但这样显然给学生增加了思维量和思维跨度，使学生要处理的认知负荷增多，对学生准确理解比热容概念造成了障碍。针对此问题，为使知识的呈现与学生的逻辑思维一致，笔者将教材中“探究水和沙子吸热升温的快慢”实验改为“比较水和食用油升高相同温度吸收热量的多少”。在实验之前，借助学生烧水的生活经验（将一壶水烧开比烧成温水需要的时间长，即吸收的热量多;将一壶水烧开比将半壶水烧开需要的时间长，即吸收的热量多），让学生明白同种物质吸收热量的多少与升高温度、质量有关。接着抛出问题“如何比较不同种物质（比如水和食用油）吸收热量的多少呢？”学生自然想到利用控制变量法，控制不同物质的质量和升高相同温度，比较加热时间（热源相同）即可。在此基礎上，学生实验思路顺利打开（控制水和食用油的升高温度相同，记录其加热时间），这样借助已有生活经验，不仅把“热量”这一抽象的概念转化为具体的“加热时间”，而且让学生对比较吸收热量时要“选取统一标准”也有了初步感知，相比于教材原有的呈现方式，新的设计降低了知识难度，减少了学生的外在认知负荷。F228E275-FEC3-4481-8D06-BF0C8A058502

（3）从比值定义法推动比热容本质的显性化。比热容公式的得出是通过比值定义法，即通过统一比较标准，利用比值来揭示比热容概念的内涵。然而，教材上“比热容在数值上等于单位质量的某物质温度升高（降低）1 °C所吸收或放出的热量”这一表述虽暗含“统一标准”之意，但却含而不露、点而不透，并没有把热量Q与质量m和温度变化Δt相比的必要性阐述出来，人为增加了学生的思维负担。比值定义法是获得比热容概念过程中的核心与主线，只有明晰了这一方法展开的过程，学生对概念的理解才能足够深刻。本教学设计从优化后的水和食用油加热时间与升高温度关系图（图1）出发，得到实验结论：“相同质量的水和食用油升高相同的温度，水吸收的热量多”，即相同标准下吸收热量多的物质，吸热本领较强。接着，抛出问题串“吸热本领是什么？如果两种物质质量不同，升温也不同，如何比较其吸热本领呢？”由前面实验的铺垫，学生知道选取“相同标准”。因此，当两物质质量不同、升高温度也不同时，“统一标准”自然就成为了破除认知矛盾的枢纽。所谓标准的“统一”就是利用数学的除法工具使其“标准化”为“相同质量、改变相同温度”，即液体吸收的热量Q除以质量m、温度变化△t，采用比值■的形式来进行吸热能力的比较，从而得出比值大的吸热能力强，比值小的吸热能力弱，这种吸（放）热能力在物理上就称之为比热容。综上，以“统一标准”作为落脚点，将“比值定义法”充分显化于学生眼前，降低了知识的外在认知负荷，帮助学生彻底理解了比热容概念的内涵。

2.3    创设探究情境，增加相关认知负荷

相关认知负荷与学习者的认知努力有关，可以把大量复杂无序的信息组合成简单有序的知识体系，帮助学生更好地理解、掌握所学知识[4]。因此，在教学中创设情境，激发学生学习兴趣，增加相关认知负荷，能有效提高学习效率。

在“物质的比热容”一节教学中，笔者创设了“气球爆炸”实验情境：取两个同样的气球，一个里面什么也不放，另外一个里面装入少量的水，点燃酒精灯，观察哪个气球先爆炸。在学生的认知里，气球遇火就会破，但此情境中会发现装有水的气球短时间内不会破，这就使学生产生了认知冲突，激发了他们的学习动机，增大了对学习的认知努力。再比如，对“物质的比热容越大，吸热本领就越强”的理解中，“比热容”和“吸热本领”由于缺乏具体形象的支持，学生理解起来很困难，此时就可以借助于情境创设来增强关联：两个高度相同、底面积不同的杯子，如何比较它们的装水本领呢？很显然，底面积大的杯子装水能力强。因此，如果把物质吸热升温和容器盛水水面升高进行类比，比热容就相当于容器的底面积。认知负荷理论认为，学习的本质就是通过较低水平的图式进行链接，形成容量更大、结构更复杂、高水平的新图式的建构过程[5]，把学生熟悉的容器底面积与比热容这一抽象概念进行类比，更形象直观，在学生的经验基础与科学概念之间搭建桥梁，有助于学生进行图式的建构和获得。

3    认知负荷理论对物理教学的启示

在认知负荷理论指导下，物理教学更关注学生的认知结构，以学生的理解、感知为出发点，在把握内在认知负荷的基础上，通过合理设计实验、鼓励学生自主探究、优化知识逻辑等来降低外在认知负荷，通过创设探究情境，提高相关认知负荷，从而让学生的认知资源达到最优化，实现“教师有效地教”“学生有效地学”。

参考文献：

[1]Sweller John.Cognitive load during problem solving：Effects on learning[J].Cognitive Science，1988，12（2）：257-258.

[2]Baddeley Alan.Working memory[J]. Science，1992，255（5044）：556-559.

[3]李志专.认知负荷理论的解读及启示[J].煤炭高等教育，2009，27（1）：50-52.

[4]罗伯特·米尔斯·加涅.教学设计原理（第5版修订版）[M].上海：华东师范大学出版社，2018：37-40.

[5]常欣，王沛.認知负荷理论在教学设计中的应用及其启示[J].心理科学，2005，28（5）：1115-1119.

（栏目编辑    邓   磊）F228E275-FEC3-4481-8D06-BF0C8A058502