金崢華

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認知負荷與天文之美——天文館科學教育淺見

金崢華

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任何一門科學在試圖被公眾理解更多時，都會遇到同一個問題——“認知負荷”，天文亦是如此。天文館在向觀眾傳達天文之美時，該如何化解“認知負荷”？國外研究者的經(jīng)驗可以歸結為四個方面：首先，避免一些看似有趣但實則是會干擾學習信息的提取和整合。其次，對于涉及基礎知識極為廣泛的內(nèi)容，可以做模塊化的處理，對內(nèi)容進行分割、預處理、載體變化形態(tài)。第三，為了便于新的信息與已有的認知進行整合，需要為學習者提供便于他們理解和記憶的工具。對于學習設計者而言需要理解“專家”和“新手”的思維方式。第四，年齡是影響學習的一個重要因素，尤其是空間思維能力。最后各種天象廳的案例研究表明，天象廳是天文館最具有魅力的體驗，各種“地球視角”與“太空視角”的轉化可以更好地幫助觀眾理解天體的關系和他們的運行方式，讓觀眾主導的學習過程會使他們獲得更好的參與感，而“真實”永遠有它的魅力，一個淵博的學者在“星空”下做的分享是極具有吸引力的。

認知負荷 天文學習 學習設計

任何一門科學在試圖被公眾理解更多時，都會遇到同一個問題——“認知負荷”，天文亦是如此。從美學和情感的角度，我們毫不懷疑星空的魅力，但是她的數(shù)理與邏輯之美要為觀眾所認識和欣賞并非易事。不同于許多從實驗室里獲取的數(shù)據(jù)和理論的學科，天文的結論來自觀測和演算，她的研究對象那么“遙不可觸”，她的觀點又與物理、哲學領域的理論相互滲透。天文館在向觀眾傳達天文之美時，該如何化解“認知負荷”？由于國內(nèi)對于天文科學傳播的文獻總結極為有限，筆者因而希望從國外同行的經(jīng)驗與思考中獲取些許啟示，對2010年3月至2015年3月國際天文館協(xié)會期（季）刊《Planetarian》（天文館人）和其他一些國際科學教育期刊中涉及天文館教育的文章進行一次梳理。

1 如何幫助觀眾減少認知負荷

“認知負荷”的觀點來源于認知心理學和信息加工理論，學習的過程可以被分為四個部分：首先選取相關的學習材料，隨后把材料組織編排成可以理解的模式，然后把材料與以往的認知整合或是重構，最后認知的運用。同時學習過程也是一個認知資源分配的過程，在這個過程中人們處理信息的能力是有極限的。那么天文館里的科學學習會有哪些“認知負荷”呢？設計者又該如何減輕認知負荷？

1.1 避免那些看似有趣，但會干擾學習的細節(jié)

學習內(nèi)容應該有一定的完整性和清晰的內(nèi)在邏輯，有些形式或細節(jié)雖然很誘人，但實則可能是干擾學習的。學習過程中的信息量越大，那么學習的負荷也越大，可以減少額外和不必要的學習內(nèi)容，降低學習的負荷，盡量避免在提取、組織、整合等各個環(huán)節(jié)中出現(xiàn)無助于認知的信息。Sean Gillette(2014) 等人有一項關于干擾性學習細節(jié)的研究，研究者在數(shù)字天象廳內(nèi)向小學5年級的孩子講述有關天文學的知識，為其中一半的孩子在學習過程中提供了大量有吸引力但與學習內(nèi)容無關的細節(jié)，比如為學生設計3分鐘左右的肢體參與活動，孩子在學習的過程還接觸到了53個人物形象，另一半孩子則沒有接觸到這些細節(jié)，研究結果顯示，具有誘惑力的細節(jié)可能激發(fā)興趣和關注，但是這樣的關注和興趣未能提升學習的效果，反而會干擾學習者對核心信息的獲取。

1.2 需要模塊化處理的學習內(nèi)容

知識總是相互牽連的，有時要解釋某個名詞或現(xiàn)象時，牽涉的基礎知識極為廣泛深入，即使做最簡單的介紹也會演變成長篇大論，但顯然這些必要的解釋是會造成認知負荷的過量。這時設計者必須采用一定的策略，將紛繁復雜的學習內(nèi)容進行分割、預處理和改變信息形態(tài)。

比如在學習月相前，先讓學習者體驗從不同視角看到光源對物體造成的不同光影的結果，然后再提供一個通過日、地、月三者的模型演示三者的相互關系和運行方式，最后再開始解釋月相周期的具體成因。研究結果顯示，經(jīng)過模塊化設計的學習內(nèi)容能使學習者更扎實地了解相關知識，為發(fā)展新的認知提供基礎。

1.3 提供便于理解和記憶的工具

學習者的思維模式不同于這個領域專家的思維模式，學習者不一定能按設計者的預想順利地開展學習。如果學習的設計者對某個專業(yè)知識領域相當熟悉，則需要意識到，面對同樣的信息，普通公眾的理解方式、思維方式可能與自己截然不同。Lisa F. Smith(2010)等人對天文專業(yè)人士和非專業(yè)人士面對相同信息的不同理解展開研究，專業(yè)人士更趨向從更科學和更數(shù)據(jù)化的眼光看待圖像，而非專業(yè)人士更偏向從藝術或是情感的角度理解看到的影像。這是由于專家和新手對于同一事物的辨識和思考模式是不一樣的，專家擁有的知識儲備在他們需要調用時不需要大量的意識控制，比如一個國際象棋的高手可以輕易分辨出棋盤上的某種進攻或防守的形態(tài)，知道下一步有哪些選擇，以及怎樣做最有可能成果。與之相反的是，新手則必須對無數(shù)種可能捉摸良久，仔細研讀各個棋子的位置，十分困難地判斷最佳舉措在何處。對于同一種情況，專家相較于新手所獲得信息總是更為深入的。所以面對大多數(shù)非“專業(yè)”背景的公眾時，需要為他們提供便于與已有認知整合、重構的工具。比如，一個常用的“比喻”手法是將銀河系畫在一個氣球的表面，往氣球里吹起，氣球的表面會膨脹，那么畫在氣球表面的銀河系也會隨著膨脹，以此來幫助公眾理解宇宙膨脹的概念，氣球里的空氣就像是時間，空間隨著時間膨脹（Jeanne E. Bishop，2014）。

在Lisa F. Smith (2010) 的研究中，人們在看過一組天文影像后，被要求回答一系列有關空間尺度的是非題，對于非專業(yè)背景的觀眾，有尺度參照的圖像，得到的回答正確率遠遠高出沒有尺度參照的，比如以太陽的直徑為參照對比其他宇宙空間的尺度或距離。而對于專業(yè)人士而言，有沒有這樣的參照答題的正確率并沒有顯著的差異。而對于普通公眾，這些簡單的參照比例為他們提供了理解和記憶的重要工具，通過學習材料與已有認知的整合能夠發(fā)展出新的認知。

Jean Creighton（2012）等人有一項研究，即：如何通過一場50分鐘的天象節(jié)目讓觀眾辨識3個以上的星座。他們對兩個類似的星座天象節(jié)目做了比較研究，都是從天極附近的星座開始介紹，然后是介紹各個季節(jié)的星座，但是在過程中使用的技巧略有不同。兩個節(jié)目后得到的觀眾能辨識3個以上星座的比例差異是17%，研究者認為一個非?？赡艿脑蚴瞧渲幸粋€節(jié)目更清晰地勾勒了星座的形態(tài)，并用影像填補了觀眾的想象，并與觀眾分享了更多星座背后的故事。研究也同時提到了年齡可能是一個非常重要的因素，制約了觀眾的星座辨識能力，成年人能辨識三個星座的分別為48%和32%，而12歲以下的孩子為33%和21%，孩子并不如成年人那樣擅長辨識星座。

1.4 不要求超越年齡的學習能力

根據(jù)著名認知心理學家皮亞杰的觀點，隨著孩子年齡的增長，他們的思維方式是會發(fā)生改變的。許多幼年的兒童不能將原因和結果做出正確的關聯(lián)，他們往往會把兩個不相干的事務聯(lián)系在一起。孩子們稍大一點時會喜歡探索，但仍然不喜歡邏輯思維。成熟的推理能力多數(shù)是在15歲左右形成的。月相、四季這些現(xiàn)象的變化規(guī)律和成因被廣泛作為兒童學習天文的主題，但需要特別專注的是孩子們相應的空間思維能力是否已經(jīng)建立(Jeanne E. Bishop,2014),發(fā)現(xiàn)在天象廳里給非常年幼的孩子講解星座時，他們可以指到哪兒看到哪兒，但是他們并不具備空間思維能力，比如憑借想象去豐富星座的細節(jié)。她認為這是由年齡導致的學習能力的不同。她曾做過實驗，7歲的學生很難完整理解四季和月相發(fā)生的原因。13～14歲的學生隨著大腦發(fā)育的完善，已經(jīng)可以開始理解抽象的天文概念了。她認為只有當學生能在腦海中自如切換“地球視角”和“太空視角”，他們才真正理解了四季和月相，這種能力被皮亞杰稱之為”Project ability”(投影式思考的能力)，即可以從兩個不同的視角辨識處同一事物的形態(tài)。

筆者查閱了美國物理教師協(xié)會發(fā)布的《K-12 astronomy benchmarks from Project 2061》，即2061計劃幼兒園至高中階段（12個年級）的天文教育標準：小學階段的孩子只能剛剛建立一些關于星星和宇宙的模糊認識，數(shù)年之后他們才能對宇宙的大尺度空間有所了解。而在這個階段，行星、恒星、星座名稱是不需要記憶的，他們只需要對部分天體（比如太陽、月亮）在天空中的位置和運動有簡單的了解。標準強調，在這個階段不設具體的記憶目標，盡管有些學生會很樂意去記憶。然而對于距離和光亮的變化在這個階段可以有所涉及。標準強烈建議，3D模型比2D圖像更適合向兒童解釋空間關系。

2 有關天象廳的學習案例

天象廳往往是整個天文館中最具有魅力的部分，而在這片穹頂之下的體驗往往也是觀眾在天文館里最重要的學習體驗。筆者選取了一些案例，解釋他們是如何減輕認知負荷，分享天文之美的。

2.1 從“地球視角”到“太空視角”

隨著數(shù)字天象廳的引入，太空視角的影像能更好幫助學生糾正一些錯誤的理解和認識。木星看著比金星離太陽更近，這看著不太合理，因為學生們知道金星距離地球是更近的。用3D 模型的視角轉換能解釋這是地球視角造成的問題。

Kim J. Small (2014)等人的研究發(fā)現(xiàn)，課堂和天象廳結合的方式更有可能使學生理解月相發(fā)生的原因。首先讓學生在課堂上描述他們所觀察的月亮在一個月內(nèi)的月相變化，隨后在天象廳播放月相在一個月內(nèi)的變化，并請學生根據(jù)自己的理解解釋這一現(xiàn)象的成因，這時學生有許多錯誤的觀點會暴露出來。隨后研究者帶領學生離開地球并以不同的視角在“太空中”觀察月亮，學生會發(fā)現(xiàn)月亮其實是個球體，繞地球一周的時間差不多是一個月，因為離月亮的“距離”更近了，學生會發(fā)現(xiàn)月亮發(fā)出的光亮其實是將太陽投向它的光線反射向了地球，月亮的一面總是亮的，而另一面總是暗的。月相變化是從地球視角可以看到的反光區(qū)域的變化，在學習了月相之后，再在月亮表面視角觀察地球，學生們驚奇地發(fā)現(xiàn)地球也會有這種周期性變化的現(xiàn)象。然后再次帶領學生觀察金星和水星，從地球視角他們是否也有同樣的周期性，最后我們回到地球，對月相產(chǎn)生的原因再做一個總結和回顧。

2.2 由觀眾主導的學習

從科技館到天文館，我們一直在尋找激勵學習者的方式，互動是我們通常能想到的方式，互動意義是能夠讓觀眾成為主動探究的學習者。要有一些東西使學習者覺得他們是整個活動中關鍵的一部分(Jeanne E. Bishop,2014)。比如，談論星空神話時，不妨讓觀眾從不同的文化中挑選出他們感興趣的神話，而不是直接引入希臘神話作為開頭。當欣賞不同緯度的星空時，也可以由他們選擇首先去哪，是南極、北極，還是赤道。或者在開始觀測月相的時候他們是先想從新月開始呢，還是從滿月開始。

2.3 “真實”是一種魅力

天象廳不僅是一個學習天象知識的地方，也是一個啟發(fā)學生深層思考的地方，獲得一個全新的或是更好的關于世界究竟為何、以及如何運轉的認知，這也是科學和人類學習的意義所在。今天人們已經(jīng)有了計算機模擬的星空游戲和適用于智能手機的應用程序以獲得豐富的天文知識，但是這些都無法取代一個淵博的學者在“星空”下做的分享。

Mike Shanahan(2010)一項關于天象廳觀眾的調研涉及了觀眾最喜歡和最不喜歡的天象廳體驗，與星座、星空、流星、夜空有關的夜空主題是觀眾最喜歡的部分，而緊隨其后的就是“歷史”和“真人講演”。“歷史”包括了宇宙的歷史、人類探索的歷史和某一特定人物（伽利略）的歷史；“真人講演”的方面包括了現(xiàn)場感、講演者的邏輯、音色、激情、博學、幽默等等。而那些觀眾最不喜歡的部分，往往是破壞現(xiàn)場感和沉浸感的部分，比如視野不完整、現(xiàn)場有孩子吵鬧、脖子不舒服、座椅傾斜不夠、座椅有異味等。

3 結果與討論

國外研究者在如何消減公眾“認知負荷”經(jīng)驗上可以歸結為四個方面：首先，避免一些看似有趣但實則會干擾學習的信息的提取和整合，學習的內(nèi)容應該有一定的完整性和清晰的內(nèi)在邏輯，和學習無關的內(nèi)容會分散學習者的注意力，進而干擾學習過程中信息的提取和組織。其次，對于牽涉基礎知識極為廣泛的內(nèi)容，可以做模塊化的處理，對內(nèi)容進行分割、預處理、載體變化形態(tài)，比如在學習月相前，利用各種媒體的結合，先讓學習者體驗不同視角看到的不同光影的結果，通過日、地、月模型演示三者的運行方式，進而再解釋月食的成因。第三，為了便于新的信息與已有的認知進行整合，需要為學習者提供便于他們理解和記憶的工具。對于學習設計者而言需要理解“專家”和“新手”的思維方式是不同，有些對于專業(yè)人士是顯而易見的信息，對于公眾則需要為他們提供獲取信息的工具，以簡化他們對信息編排和整合的過程。第四，年齡是一個影響學習的重要因素，尤其是空間思維能力。天象廳是天文館最具有魅力的體驗，各種“地球視角”與“太空視角”的轉化即可以帶領觀眾享受前所未見的景觀也可以更好地幫助觀眾理解天體的關系和他們的運行方式。而最重要的是，無論科技如何發(fā)達，“真實”永遠有他的魅力，一個淵博的學者在“星空”下做的分享是極具有吸引力的。

這些國外研究的結果極富借鑒和參考價值，但是也有不少問題仍待深入研究和實踐總結，筆者認為，唯有通過受眾調研，在從設計到實施的過程中開展形成性評估，才能不斷調整完善，有效減少“認知負荷”，分享天文之美。面對具體的學習內(nèi)容和學習目標，如何界定哪些是“富有誘惑力但干擾學習的細節(jié)”；對于學習內(nèi)容的模塊化處理，如何取舍和處理從而保留核心的和真正重要的學習內(nèi)容；需要為學習者提供哪些工具，這樣他們獲得的信息才能更接近專家獲得的信息；這些問題既在相當程度上有賴于設計的經(jīng)驗，也取決于具體深入的受眾分析。尤其是“富有誘惑力但干擾學習的細節(jié)”，比如，也有研究者支持在天象廳的學習過程中加入一些肢體活動，以免坐得太久而產(chǎn)生疲勞。關于年齡對于天文學習的影響，國內(nèi)并有細致按年齡或年級劃定的目標，學校和學生的個體差異也很大，具體的內(nèi)容適合怎樣的年齡層次學習，需要天文領域的科學傳播者和教育工作者共同探討。天象廳的只是天文學習的一個途徑，天文館的設計可以從天象廳的案例中獲得相當?shù)慕梃b和啟示，也仍有更多更廣闊的形式和載體值得探索和實踐。

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