认知负荷理论视角下指向核心素养发展的教学设计行动框架*——基于协作问题解决的学习设计

蔡慧英

江南大学江苏“互联网+教育”研究基地 江苏无锡 214122

一、前言

核心素养是21 世纪的学习者实现自我终身发展并促进社会发展所必备的品格和关键能力；是学习者在真实情境中灵活运用不同学科知识、技能和态度，有效满足情境需求并灵活地解决复杂问题的综合能力［1］。2022 年，我国面向义务教育阶段颁布了新的课程标准，明确指出不同学科教学中学习者需要达成的核心素养，正式拉开了“为素养而教”的课堂转型的序幕。这不仅体现了国家对高质量、创新型人才培养的需求，也体现了国家致力于新型课堂教学改革的发展目标。

为了在教学过程中落实基于核心素养的育人目标，教师需要变革传统的基于知识本位的教学设计的行为惯性，转向为学习者设计具有启发性、高质量和趣味性的深度学习体验，助力学习者核心素养的培育与发展［2］。学习科学中的研究表明，协作问题解决学习不仅可以助力学习者建构优质的知识结构，还可以发展学习者的高阶思维技能，因而被认为是促进学习者核心素养发展的最佳学习方式［3］。因此，本文基于认知负荷理论视角，从教学设计的层面提出了指导教师进行协作问题解决学习设计的行动框架，为中小学教师开展指向核心素养发展的教学实践提供科学的指导。

二、教师进行协作问题解决学习设计的理论基础

（一）协作问题解决学习的概述

学习是一个复杂的过程，不仅包括个体大脑认知发展的过程，还包括基于历史文化情境进行社会性交互的认知建构过程。因此，作为体现认知建构主义和社会建构主义学习理论对学习本质规律阐释的最佳学习方式，协作问题解决学习受到了越来越多的教育研究者和实践者的关注。

目前，学术界对协作问题解决学习没有形成统一定义，但大家普遍认为：协作问题解决学习是学习者在社会性情境中与同伴进行协作交互，在共同解决问题的过程中建构知识并促进自我认知发展的一种学习方式［4］。协作问题解决学习涉及学习者的认知发展维度和社会性交互维度［5］。从认知发展维度看，在协作问题解决学习中，学习者需要共同地在发现与确认问题、表征问题、寻找解决方案、实施策略并行动、评估与反思等问题解决的五个环节中经历一系列认知操作，从而使问题从初始状态达到目标状态。从社会性交互维度看，为了共同解决某一问题，学习者之间需要以小组或团队的形式，进行深度且持续的沟通、协调与合作，充分发挥小组内各个学习者的专长和优势，从而在解决问题的过程中完成知识意义的建构。

学习科学领域的研究表明，协作问题解决学习是促进学习者核心素养形成的适宜方式［6］。首先，协作问题解决学习可以为学习者提供高质量的主动学习机会，催生和引发学习者的深度理解，助力学习者形成迁移性解决新问题的能力。另外，协作问题解决学习可以激发、锻炼与培养学习者的高阶认知思维能力，如自主学习能力和批判性思维等，从而促进学习者综合能力的全面发展。

然而，在实践教学过程中，教师难以突破基于知识本位的教学设计的行为惯性，缺乏对学习者协作问题解决学习过程进行科学设计的意识和技能。一般而言，在给学习者讲解完相应的知识之后，教师通常会给学习者布置具有一定难度的问题，然后要求学习者以小组讨论的方式进行自我摸索，从而形成问题解决的方案。研究表明，教师在协作问题解决学习中表现出的这种“不教或少教”的做法会引发学习者在学习过程中产生较高的认知负荷，难以激发协作问题解决学习在促进学习者核心素养上的教育价值［7］。因此，如何帮助教师科学地设计协作问题解决学习，从而助力学习者核心素养的发展是当前需要关注的重要内容。

（二）指导教师科学设计协作问题解决学习的基本理论：认知负荷理论

无论从认知建构主义角度还是从社会建构主义视角看，学习的过程都会涉及学习者运用人的认知架构对外界信息进行加工的认知操作过程［8］。因此，基于人的认知架构而提出认知负荷理论在指导教师有效设计协作问题解决学习中发挥着重要作用［9］。

从人的认知架构来看，学习者加工外部信息并解决问题的过程主要发生在大脑的工作记忆和长时记忆存储空间中。其中，人的工作记忆存储空间的容量是有限的，只能短暂地存储7+/-2 个单位的信息［10］。在解决某一问题时，学习者进行认知编码和加工的过程会占用工作记忆存储空间的容量，消耗大脑中的认知资源，从而让学习者产生认知上的压力或负担，即“认知负荷”。研究发现，学习者在解决某一问题时一般会经受三种认知负荷［11］。其中，一是固有认知负荷由学习任务的复杂程度引起且不可更改，对学习没有直接贡献。二是额外认知负荷由外在教学设计不当等原因而引起，对学习具有消极影响。三是相关认知负荷由学习者投入到有意义学习过程中进行深度加工而引起，对学习具有积极影响。另外，由于人的工作记忆存储空间的容量有限，因而在单位时间内其能经受的认知负荷的总和是固定的。因此，从认知负荷对学习者产生影响的角度看，为了促进学习者的有效学习，教师在设计学习者的学习历程时需要遵循的基本的原则是：把固有认知负荷控制在合理范围内，降低额外认知负荷，并提升相关认知负荷。

三、教师进行协作问题解决学习设计的行动框架

为了促进学习者核心素养的发展，教师在设计协作问题解决的学习时也需要遵循基于认知负荷理论析出的指导教师进行学习设计的基本原则。具体而言，教师首先需要通过设计“大概念”建构协作问题解决学习中学习者需要达成的优质知识结构，把学习者的固有认知负荷控制在合理范围内。随后，以“问题图式”为抓手设计学习活动序列，通过预设学习者基于问题解决的学习路径，降低额外认知负荷。最后，通过设计“学习支架”来辅助协作问题解决学习中的团体认知过程，激活群体认知，用以提升相关认知负荷。

（一）协作问题解决学习模式中大概念的设计

大概念是在课程教学中落实核心素养的重要锚点和抓手。因此，为了把学习者的固有认知负荷控制在合理范围内，在设计协作问题解决学习时，教师首先需要对协作问题解决学习中涉及的大概念进行设计，目的是对学习者在协作问题解决学习中需要建构的认知要素及其关系进行合理的规划和编排。

1.设计大概念的必要性

大概念也称“大观念”，是由知识点、关键概念、核心概念、共通概念组成的一整套知识体系［12］。大概念是人的认知结构中能不断吸纳、融合其他知识的学科或跨学科的核心知识。它可以将不同的知识有意义地联结起来形成一个认知组块，不仅能帮助学习者理解和预测较大范围内的事物和现象，还能帮助学习者在不同环境中迁移性解决问题［13］。与普通的概念相比，大概念具有三个重要特点。第一，大概念具有上位性和聚合性。小概念往往是理解大概念的基础，大概念则能促进对小概念的理解。大概念可以聚合一些下位概念，并使其归整在一起形成有意义的知识结构，从而形成建构深度理解的原材料。第二，大概念具有持久性。大概念是经验和事实消失之后会持久地存留在我们长时记忆存储空间中的核心概念。第三，大概念具有生活价值和迁移性。当学习者头脑中形成了相应的大概念之后，大概念是能帮助我们观察外部生活世界的“透镜”，能帮助我们理解许多无意义、孤立、惰性或令人困惑的事实，使我们以更加清晰和智慧的方式看待和解决问题。因此，大概念可以被看成是一个强大的智力工具，可以激活学习者进行更具持续性的思考，并帮助学习者分析和解决问题，扩展学习者的认知边界。从教学角度看，基于大概念组织协作问题解决学习过程，可以帮助教师跳出详细讲解琐碎知识的教学惯习，转向关注学习者复杂知识结构的构建和思维技能的发展。这不仅能为教师有效控制学习者的固有认知负荷提供有力的抓手，还可以为教师开展指向素养达成的教学提供靶向指导［14］。

2.设计大概念的基本思路

在设计协作问题解决学习时，教师需要在研读课程标准、教材等重要的教学参考材料的基础上，结合自身对学科教学内容的整体把握和对学习者认知状态的准确分析，为学习者建构基于大概念的知识结构，从而预设协作问题解决学习过程中学习者需要达成的学习目标。

（1）圈定协作问题解决学习中的大概念

为了有效地开展基于大概念的协作问题解决教学，教师首先需要对大概念进行遴选分析，剖析大概念的具体内涵。遴选大概念的范围和策略包括四种方式，它们并不是各自独立，而是相辅相成的［15］。第一，从核心素养中转化出大概念。教师可以认真研读国家发布的核心素养的框架，结合所教学科的内容特点与教学经验，从核心素养的框架中转化出相应的大概念。第二，从课程标准和学科教材中演绎出大概念。课程标准和学科教材是指导教师进行教学设计的重要参考依据，是教师开展教学活动的指导性文本。因此，所有大概念原则上都需要符合课程标准的基本思想，满足学科教材的基本导向要求。第三，从生活意义中挖掘大概念。引导学习者建构大概念的目的是引导学习者解决生活中的复杂问题。因此，在设计大概念时，教师可以进行逆向思考，通过不断地反思与归纳学习者在学习众多知识点时的生活意义，从而对大概念进行迭代式的提取、细化和调整。

（2）建构基于大概念的知识结构

通过研读核心素养框架、课程标准、教材并追问生活意义等方式确定大概念之后，教师需要运用科学的步骤和方法建构基于大概念的知识结构体系，为后续预设协作问题解决学习目标和学习活动做准备。第一，从大概念中生成学科关键概念。学科关键概念是经由大概念发展延伸而来的特定概念。由于大概念意涵层面既深且广，如果未经由关键概念来确立探讨和指引思考的方向，那么，学习者就不能通过具体课程内容的学习而形成对大概念的有效理解。因此，确定大概念之后，要分析组成大概念的事实元素，即学科关键概念。第二，依据学科关键概念，确定下位的知识点。并不是所有的关键概念都值得继续探究，因此，需要继续筛选能作为项目中深度学习的关键概念和知识点。建构好基于大概念的知识结构之后，教师可以按照金字塔模式，来呈现不同概念之间的逻辑关系和层级关系［16］。

（3）基于大概念撰写表现性的学习目标

在建立好大概念及其对应的知识结构之后，教师需要设置基于大概念的表现性学习目标，为后续设计协作问题解决学习活动和评价任务做铺垫。在撰写协作问题解决学习目标时，教师在考虑教学实际情况和分析学习者认知水平的基础上，可以借助布鲁姆认知分类框架，明确学习者在建构基于大概念的认知结构中的不同组成成分时需要经历的认知加工层级。随后，教师可以基于认知加工维度对应的动词，运用动宾结构的文字表述撰写学习目标。

（二）协作问题解决学习模式中基于问题图式的学习活动序列设计

为了降低额外认知负荷，在明确了基于“大概念”的表现性学习目标之后，教师需要预设学习者的协作问题解决学习活动序列，避免学习者在无引导的学习过程中进行漫无目的且不必要的无效探索。具体而言，教师可以将“问题图式”作为牵引，按照学习者问题解决认知过程的逻辑路径，为学习者铺设具有启发性的基于问题解决过程的学习活动序列。

1.基于问题图式设计学习活动序列的必要性

高效的知识获取和建构大多源于认识问题并解决问题的过程。因此，在学习科学中，以问题解决的方式学习可以促进学习者的认知得到最大化的发展。从认知角度看，问题是包括一系列初始状态、目标状态和路径约束的情境，其组成要素如图1 所示［17］。问题初始状态和目标状态的中间环节构成了问题空间。问题空间中包括解决问题过程中涉及的概念、规则、原则等［18］。不同知识领域中的问题对应的问题空间中会涉及不同的概念、规则、原则等认知要素。例如，学习者需要应用不同的概念体系、思维范式等解决物理问题和语言学问题。问题解决的认知过程就是学习者在问题空间中，运用已有的知识基础和思维习惯，操作问题空间中涉及的概念、规则和原则，完成具有目标指向性的认知操作序列，使得问题从初始状态过渡到目标状态的过程。

图1 问题的组成要素

目前，对问题解决认知过程的研究包括两种取向。一种是问题解决的过程论。研究者大多认为，在解决问题时，问题解决者一般会经历发现与确认问题、表征问题、寻找解决方案、实施策略并行动、评估与反思等五个认知阶段，具体含义如表1 所示［19］。

表1 问题解决的五个认知阶段

另一种是问题解决的图式论。世界著名的教育技术学研究者戴维·乔纳森（D.Jonassen）教授认为，问题解决是一个基于图式的活动［20］。问题图式是学习者在先前解决某一问题时形成的“经验”成果，是源于对专业知识的萃取和应用。它能帮助学习者将已有的问题图式映射到需要解决的问题上，较快地表征问题和定位问题解决策略，从而前进到问题解决的执行阶段，启动解决方案［21］。当新手学习者对某一特定问题图式的问题经历了足够的训练和反思后，学习者就可以熟能生巧地运用对应的问题图式，具备解决不同类型问题的技能，快速并创造性地解决类似的新问题，从而达到专家学习者的认知水平。

另外，乔纳森教授认为，不同类型的问题空间中蕴含了不同的问题图式，因此，学习者在解决不同类型的问题时所要经历的认知操作序列也是不同的。通过对问题解决图式进行系统分析，乔纳森教授发现常见的问题图式包括逻辑推理、数字运算、故事理解、故障解决、决策判断、社会调研、实验探究、设计创作等11 种［22］。其中，以下五类问题解决的过程适合促进学习者高阶认知的发展。

一是故障类问题。它是指试图分离系统中的故障状态或替换故障组件，使系统能恢复正常。常见的故障类问题包括：电路中灯泡为何不亮？某单位员工之间的人际关系为何紧张？解决故障类问题的一般步骤为：确切地描述问题，找出故障的原因，测试，评估。

二是决策类问题。它是要求某人采取某种行动，使行动的受益人在某件事情上获得令人满意的结果。比如，大学毕业后是找工作还是去读研究生，如何为病人制定合理的治疗方案，等等。解决决策类问题时，问题解决者需要根据一系列可供选择的标准，从可选答案中选择一种有利的或令人满意的方案。解决决策类问题的一般步骤是：确定可选方案集，确定评估可选方案的方法或标准，给出评估指标权重，对每一种可选方案进行估价，选择拥有最高值的可选方案。

三是调研类问题。它是明确并解决有争议或矛盾问题的过程，或对事情提出建议及辩护的过程。比如，郑和下西洋对我国历史发展具有哪些影响，城乡教育资源之间存在什么差异，等等。调研问题的解决过程是明确并解决有争议或相矛盾的问题，收集和澄清有用的信息并将信息组织起来，然后用利于他人理解的方式进行呈现，从而消除模糊观点的过程。因此，解决调研类问题的一般步骤是：明确调研的问题，收集信息，甄别不同信息的价值，合理地分析信息，将信息用直观的方式呈现出来。

四是探究类问题。它是对所观察的现象提供科学的解释，并加以检验的过程。比如，哪种薯条比较受人欢迎，花放在不同颜色的水里会不会变色，等等。在解决探究类问题的过程中，问题解决者需要运用以往所学的概念、原理对探究的现象作出可能的解释并形成假设，设计相应的实验并收集数据，然后在分析数据结果的基础上得出结论，从而回应研究假设。因此，解决探究类问题的一般步骤是：观察现象并形成问题和假设，设计实验方案，实施实验并收集数据，整合分析结果，运用实验证据进行科学解释，形成科学的研究结论并反思。

五是设计类问题。它是一类最复杂的、非良构的问题解决类型，解决设计类问题的过程是形成原创性产品或过程，以满足预期需求的过程。比如，如何设计一辆轿车，如何构思一篇文章，等等。解决设计类问题的一般步骤是：阐明问题，指定功能要求，应用先前的知识分析限制条件来选择解决方法，建构模型，设计产品，形成并优化解决方法。

2.基于问题图式设计学习活动序列的基本思路

虽然学习者在解决以上五类问题时均会经历发现问题、表征问题、寻找策略、实施策略、评估与反思等五个问题解决的认知阶段，但是在解决这五种不同类型的问题时，学习者在不同的问题解决认知阶段所要进行的认知操作会有所不同。因此，在设计协作问题解决学习时，教师可以结合问题解决的过程论和图式论，选择恰当的问题解决图式来编排协作问题解决学习活动序列。

第一，教师需要根据学习情境，基于某一类问题图式设计驱动性问题。这就要求教师首先需要清晰地理解不同类型的问题图式，在此基础上根据教学内容、学习情境、学习者的认知特点，以及确定的学科大概念，选择某一种恰当的问题图式，从而围绕大概念设计相应的驱动性问题。一般而言，教师设计了基于某一类问题图式的驱动性问题，就大致规定了学习者后续的问题解决学习路径，也就为教师设计学习活动序列提供了方向指导。

第二，教师需要根据驱动性问题的类型，按照某一特定问题图式中的认知过程特点，为学习者设计并组织合适的学习活动序列，从而使学习者有序地以协作的方式解决问题，如表2 所示。在某一问题图式对应的特定问题解决的学习活动环节中，教师需要站在学生的角度设计明确的学习任务和学习步骤，用来助力学习者的认知发展。

表2 基于问题图式的问题解决学习活动序列的设计思路

（三）协作问题解决学习模式中学习支架的设计

为了提升相关认知负荷，在设计协作问题解决学习时，教师需要以“学习支架”作为干预手段，激活有效的团体认知，促进学习者投入有效的协作问题解决的学习过程中，从而促进学习者高阶认知的发展。

1.设计学习支架的必要性

学习科学中大量研究表明，当把学习者放置在精心设计的基于协作问题解决的学习活动序列中时，学习者并不能自发地主动完成学习活动，从而取得预期的学习效果。因此，为了促使学习者在复杂学习环境中取得高效的学习效果，学习科学研究者倡导教师在教学过程中整合学习支架这一有效的教学干预手段。“支架”概念最早出现在建筑领域，是指为了保证施工项目顺利进行而搭设的工作平台。当项目完成后，施工人员便会撤掉这一支持性的工作平台。后来，伍德（Wood）等人将“支架”概念引入教育领域，特指在复杂学习活动中为学习者提供支持和帮助的一系列学习干预手段。

从干预对象角度看，学习支架可以分为两大类：一类是为学习者提供面向内容的学习支架，如样例、概念图等；另一类是为学习者提供面向过程的学习支架，如问题引导、协作脚本等［23］。从功能角度看，支架可以分为概念支架、策略支架、元认知支架和动机支架四种［24］。从作用的认知维度看，学习支架可以分为宏观学习支架和微观学习支架两种，如表3 所示。宏观层面的学习支架主要是对协作问题解决的学习流程给予引导和支持，可以帮助学习者深度参与到协作问题解决学习过程中，并在其中获取高阶的思维和能力。微观层面的学习支架主要是对协作问题解决的某一具体环节给予引导和支持，可以帮助学习者提高协作问题解决学习某一环节的学习效果，促进团体中个体之间进行有序和有效的协作与交流。

表3 不同类别学习支架的类别和含义

2.设计学习支架的基本思路

不同类别形式的学习支架在不同的学习环节会具有独特的教育价值。因此，在设计协作问题解决学习时，教师需要在熟悉不同类别的学习支架的功效和表现形式的基础上，选择恰当的学习支架并将其整合到学习活动的某一个环节中。

第一，教师需要为特定的学习活动挑选适宜的学习支架。在设计协作问题解决学习时，教师需要熟悉不同类别的学习支架及其教育功能，并了解在不同的学习活动中整合学习支架的操作性方法。随后，结合当前的教学情境和学习者状态，为学习者挑选适宜的学习支架，量身定制，将其整合到对应的学习活动中。

第二，教师需要根据学习者的学习状态及时调整学习支架。在实施协作问题解决学习时，教师需要根据学习过程的动态变化，及时调整或者逐渐撤销相应的学习支架，助力学习者个体认知的有效发展。若学习者已有的学习状态良好，不需要学习支架的帮助，教师可以将其撤销。

四、总结

为了帮助教师科学地开展指向学习者核心素养发展的教学实践，本文以认知负荷理论切入，从教学设计的层面提出了指导教师进行协作问题解决学习设计的行动框架，即通过设计“大概念”建构协作问题解决学习中学习者需要达成的优质知识结构，把学习者的固有认知负荷控制在合理范围内。随后，以“问题图式”为抓手设计学习活动序列，通过预设学习者基于问题解决的学习路径，用以降低额外认知负荷。最后，通过设计“学习支架”来辅助协作问题解决学习中的团体认知过程，激活群体认知，用以提升相关认知负荷，从而最大化地促进学习者核心素养的发展。在未来，为了引导教师更好地理解和应用这一行动框架，我们将与中小学教师协同，在课例设计、实施和研讨的过程中帮助教师培养指向核心素养发展的教学设计能力，并积累优质的课例资源，在助力教师教学设计能力发展上产生引领和示范效应。