顧燕萍 周麗萍

摘 ? 要：以資源有限理論和圖式理論為基礎(chǔ)的認(rèn)知負(fù)荷理論主張?jiān)诮虒W(xué)中通過(guò)合理分配資源提高學(xué)習(xí)效率，結(jié)合物理教學(xué)，以“牛頓第二定律”為例，提出基于認(rèn)知負(fù)荷理論的物理教學(xué)策略。

關(guān)鍵詞：認(rèn)知負(fù)荷;物理教學(xué)策略;牛頓第二定律

物理作為中學(xué)階段的重要學(xué)科之一，部分學(xué)生在物理的學(xué)習(xí)上存在困難，一方面由于物理學(xué)科具有較強(qiáng)的專業(yè)性和實(shí)踐性，內(nèi)容自身有一定難度，另一方面教學(xué)過(guò)程中若出現(xiàn)學(xué)習(xí)活動(dòng)過(guò)于復(fù)雜、信息傳遞不通暢等現(xiàn)象也會(huì)造成學(xué)生的學(xué)習(xí)困難。比如在“牛頓第二定律”的學(xué)習(xí)中，學(xué)生不僅要完成探究實(shí)驗(yàn)，還要分析物理量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，牛頓第二定律的應(yīng)用也是學(xué)習(xí)難點(diǎn)。利用認(rèn)知負(fù)荷理論分析學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程中的負(fù)荷類型，針對(duì)學(xué)生認(rèn)知過(guò)程中的困難提出相應(yīng)的教學(xué)策略，可促進(jìn)學(xué)生的圖式建構(gòu)和圖式自動(dòng)化。本文以“牛頓第二定律”的教學(xué)為例，從認(rèn)知負(fù)荷的角度分析物理教學(xué)并提出降低認(rèn)知負(fù)荷的相關(guān)策略。

1 ?物理教學(xué)的認(rèn)知負(fù)荷分析

認(rèn)知負(fù)荷理論主要從引導(dǎo)資源合理分配的角度為教學(xué)提供心理學(xué)的理論依據(jù)[ 1 ]。為了提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率，教師在教學(xué)過(guò)程中要針對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行負(fù)荷分析，根據(jù)Sweller等人對(duì)認(rèn)知負(fù)荷類型的劃分，可以從內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷、外在認(rèn)知負(fù)荷和相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷三方面分析物理學(xué)習(xí)中的認(rèn)知負(fù)荷，如表1所示。

表1 ?物理教學(xué)中的認(rèn)知負(fù)荷分析

根據(jù)認(rèn)知負(fù)荷理論在教學(xué)設(shè)計(jì)中應(yīng)用的基本原則：降低內(nèi)在、外在認(rèn)知負(fù)荷，提高相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷，結(jié)合物理課程特點(diǎn)，從教師角度提出如表2所示的教學(xué)策略優(yōu)化模式。

表2 ?基于認(rèn)知負(fù)荷理論的教學(xué)策略

2 ?基于認(rèn)知負(fù)荷理論的教學(xué)策略

2.1 ?課前分析內(nèi)容 明確內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷

內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷由學(xué)習(xí)內(nèi)容本身決定。教師課前準(zhǔn)備的主要任務(wù)是分析學(xué)習(xí)任務(wù)對(duì)學(xué)習(xí)者認(rèn)知過(guò)程中的負(fù)荷影響及學(xué)習(xí)者的先前經(jīng)驗(yàn)。由認(rèn)知負(fù)荷種類的劃分可知影響學(xué)習(xí)者認(rèn)知過(guò)程的主要因素包括學(xué)習(xí)內(nèi)容、學(xué)習(xí)內(nèi)容的呈現(xiàn)方式及個(gè)體的先前經(jīng)驗(yàn)。以“牛頓第二定律”的教學(xué)為例，人教版教材中是基于探究加速度與力、質(zhì)量關(guān)系的實(shí)驗(yàn)，建立直角坐標(biāo)系分析數(shù)據(jù)得到F=kma，再由單位決定k值，得到牛頓第二定律，其學(xué)習(xí)過(guò)程包含的認(rèn)知負(fù)荷如圖1所示。

牛頓第二定律的學(xué)習(xí)任務(wù)主要包括：完成探究a與F、m關(guān)系的實(shí)驗(yàn)，明確三者之間的定量關(guān)系，理解牛頓第二定律及其應(yīng)用。學(xué)生在此之前已完成探究小車(chē)速度隨時(shí)間變化的規(guī)律實(shí)驗(yàn)，了解實(shí)驗(yàn)的基本過(guò)程及相關(guān)實(shí)驗(yàn)器材的使用，熟知牛頓第一、第三定律，了解力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因。

認(rèn)知負(fù)荷分析：教師通過(guò)具體分析學(xué)習(xí)任務(wù)明確教學(xué)目標(biāo)，可提前將復(fù)雜任務(wù)根據(jù)學(xué)習(xí)者特征劃分成若干簡(jiǎn)單任務(wù)，讓學(xué)習(xí)任務(wù)與學(xué)習(xí)者有效關(guān)聯(lián)，降低其認(rèn)知過(guò)程中的內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷，提高相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷。

2.2 ?創(chuàng)設(shè)關(guān)聯(lián)情境 提高相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷

相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷是指由圖式建構(gòu)與圖式自動(dòng)化引發(fā)的認(rèn)知投入度，即學(xué)習(xí)者意欲分配給新信息的認(rèn)知資源數(shù)量[ 2 ]，一方面，相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷能幫助學(xué)習(xí)者將新信息組合成有序體系進(jìn)行處理，另一方面，相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷的增加還有利于提高長(zhǎng)時(shí)記憶中圖式的規(guī)模和質(zhì)量。在物理教學(xué)中創(chuàng)設(shè)與學(xué)習(xí)者長(zhǎng)時(shí)記憶相關(guān)聯(lián)的情境，學(xué)習(xí)者會(huì)減少對(duì)學(xué)習(xí)活動(dòng)的監(jiān)控和對(duì)學(xué)習(xí)策略的關(guān)注，投入更多的資源到更深層的圖式建構(gòu)和存儲(chǔ)中去，從而促進(jìn)信息加工[ 3 ]。

比如在“牛頓第二定律”的教學(xué)中，教師可播放精彩的賽車(chē)比賽，賽車(chē)雖然質(zhì)量小，卻能獲得較大的加速度，由此引發(fā)學(xué)生討論加速度與哪些因素有關(guān)。學(xué)生聯(lián)系前面的學(xué)習(xí)內(nèi)容可知力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因，質(zhì)量大的物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不易改變，加速度與質(zhì)量和力之間一定存在某種關(guān)系。

認(rèn)知負(fù)荷分析：物理現(xiàn)象遍布學(xué)生的日常生活，相關(guān)情境的創(chuàng)設(shè)可幫助學(xué)習(xí)者突破新任務(wù)的入門(mén)壁壘，減少內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷，學(xué)習(xí)者利用自身長(zhǎng)時(shí)記憶中的圖式對(duì)新任務(wù)進(jìn)行梳理排列，可提高相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷。

2.3 ?引導(dǎo)實(shí)驗(yàn)探究 降低內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷

物理學(xué)習(xí)是不斷發(fā)現(xiàn)問(wèn)題解決問(wèn)題的過(guò)程，實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程發(fā)現(xiàn)問(wèn)題時(shí)內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷較高，可鼓勵(lì)他們通過(guò)科學(xué)探究解決問(wèn)題。

探究加速度與力和質(zhì)量關(guān)系的實(shí)驗(yàn)包含兩個(gè)探究任務(wù)：探究a與F的關(guān)系、探究a與m的關(guān)系，在此之前學(xué)生沒(méi)有在某一實(shí)驗(yàn)中同時(shí)探究?jī)蓚€(gè)任務(wù)，教師可引導(dǎo)學(xué)生將其劃分為兩個(gè)獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)，利用控制變量法進(jìn)行探究。在探究牛頓第二定律的實(shí)驗(yàn)中，可將其分為（1）對(duì)同一輛小車(chē)，通過(guò)改變砝碼的個(gè)數(shù)來(lái)改變小車(chē)所受拉力，測(cè)量不同拉力下小車(chē)的加速度并記錄數(shù)據(jù);（2）保持小車(chē)所受拉力不變，測(cè)量不同質(zhì)量小車(chē)的加速度并記錄數(shù)據(jù)，這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)。

一般教學(xué)中教師在實(shí)驗(yàn)時(shí)會(huì)描述“控制小車(chē)質(zhì)量不變或改變小車(chē)質(zhì)量”，這與學(xué)生的已有的認(rèn)知：“物體質(zhì)量是物體的固有屬性，不是變量”相沖突[ 4 ]，內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷增加，因此教師在描述實(shí)驗(yàn)時(shí)可強(qiáng)調(diào)第一個(gè)實(shí)驗(yàn)是針對(duì)“同一物體”，第二個(gè)實(shí)驗(yàn)是針對(duì)“不同物體”，明確研究對(duì)象;進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前可將整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程以表格形式完整展示出來(lái)，幫助學(xué)生了解實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮筒襟E，降低外在認(rèn)知負(fù)荷。

學(xué)生需要花費(fèi)較多時(shí)間分析處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在此過(guò)程中學(xué)生傾向關(guān)注數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)處理而非實(shí)驗(yàn)的研究目的，外在認(rèn)知負(fù)荷較高，因此可以利用計(jì)算機(jī)準(zhǔn)確高效地處理數(shù)據(jù)，降低外在認(rèn)知負(fù)荷。

如圖2所示，利用EXCEL可快速分析a與F、m的關(guān)系。a-m圖像成一條曲線，考慮到實(shí)驗(yàn)存在誤差，可將圖像轉(zhuǎn)化為過(guò)原點(diǎn)的一條直線。由a-擬合直線可知，當(dāng)小車(chē)所受合外力不變時(shí)，a與m成反比。

a-F的擬合直線始終通過(guò)一、三象限，對(duì)同一小車(chē)而言（質(zhì)量一定），a-F擬合直線表明了a與F之間的對(duì)應(yīng)性和同向性[ 5 ]，即F消失時(shí)，a也消失;F為負(fù)值時(shí)，a也為負(fù)值，F(xiàn)與a均為矢量，這里的正負(fù)是指方向。

圖2 ?用計(jì)算機(jī)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過(guò)數(shù)據(jù)分析得到a與F和m的關(guān)系：F=kma，一般得到該結(jié)論后教師會(huì)直接告知學(xué)生k=1，學(xué)生內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷較高，教師可以向?qū)W生解釋：在國(guó)際單位制下，質(zhì)量為1 kg的物體產(chǎn)生1 m/s2的加速度時(shí)，所受的合外力為1 N，于是k==1。

認(rèn)知負(fù)荷分析：面對(duì)較為復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)時(shí)，教師可適當(dāng)?shù)奶峁澳_手架”，幫助學(xué)習(xí)者細(xì)化復(fù)雜任務(wù)，降低探究難度，減少內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷，對(duì)于與教學(xué)目標(biāo)無(wú)關(guān)的認(rèn)知活動(dòng)，可借助其他資源降低外在認(rèn)知負(fù)荷，引導(dǎo)學(xué)習(xí)者進(jìn)行自主探究可促進(jìn)圖式建構(gòu)，提高相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷。

2.4 ?突顯有效信息 降低外在認(rèn)知負(fù)荷

外在認(rèn)知負(fù)荷受學(xué)習(xí)材料的組織和呈現(xiàn)方式的影響較大。信息技術(shù)的飛速發(fā)展為物理教學(xué)帶來(lái)更多生動(dòng)直觀的內(nèi)容展示方式，不少課件過(guò)于追求視覺(jué)效果，在教學(xué)過(guò)程中呈現(xiàn)不必要的冗余信息，比如背景音樂(lè)、裝飾圖片等，無(wú)用信息會(huì)占用學(xué)習(xí)者的工作記憶空間，外在認(rèn)知負(fù)荷增加，因此在課件制作上應(yīng)盡量簡(jiǎn)潔，條理化展示授課內(nèi)容，突出關(guān)鍵信息[ 6 ]。

比如在實(shí)驗(yàn)部分，可用表格完整展示實(shí)驗(yàn)方案，介紹實(shí)驗(yàn)儀器時(shí)，在同一張課件中同時(shí)展示文本和圖片，并將實(shí)驗(yàn)器材與名稱一一對(duì)應(yīng)。尤其是在課堂教學(xué)結(jié)束后進(jìn)行教學(xué)總結(jié)時(shí)，利用如圖3所示的思維導(dǎo)圖形式歸納知識(shí)點(diǎn)，可使整個(gè)牛頓運(yùn)動(dòng)定律的內(nèi)容一目了然，幫助學(xué)生構(gòu)建知識(shí)框架。

認(rèn)知負(fù)荷分析：適當(dāng)簡(jiǎn)化課件，突出重點(diǎn)內(nèi)容，條理化展示授課內(nèi)容，一方面能引導(dǎo)學(xué)生將資源更集中地分配到學(xué)習(xí)任務(wù)上，有效降低外在認(rèn)知負(fù)荷，另一方面可以引導(dǎo)學(xué)生形成知識(shí)框架，提高相關(guān)認(rèn)識(shí)負(fù)荷。

2.5 ?展示圖式樣例 促進(jìn)知識(shí)遷移

有解樣例效應(yīng)[ 1 ]認(rèn)為考察有解樣例能達(dá)到更好的學(xué)習(xí)效果，在進(jìn)行樣例教學(xué)過(guò)程中可逐漸減少支架支持，自后向前逐步消除解題步驟[ 7 ]，即先呈現(xiàn)一個(gè)完整的解題步驟，在第二個(gè)問(wèn)題中省去最后一步，在第三個(gè)樣例中消除最后兩步，以此類推，直至最后只呈現(xiàn)一個(gè)目標(biāo)問(wèn)題。如表3所示，在高中階段，牛頓第二定律的計(jì)算大致有以下幾類。

認(rèn)知負(fù)荷分析：認(rèn)知負(fù)荷理論認(rèn)為學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)樣例時(shí)，教師要幫助學(xué)習(xí)者盡量減少錯(cuò)誤解題，引導(dǎo)學(xué)習(xí)者關(guān)注樣例解題的圖式。通過(guò)學(xué)習(xí)一定數(shù)量和類型的有效樣例，可減輕學(xué)習(xí)者的認(rèn)知負(fù)荷，促進(jìn)知識(shí)的遷移，實(shí)現(xiàn)認(rèn)知自動(dòng)化，將新信息納入長(zhǎng)時(shí)記憶的圖式中。

3 ?小結(jié)

有效教學(xué)應(yīng)在學(xué)習(xí)者的已有經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，通過(guò)指向明確的認(rèn)知活動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)習(xí)者將工作記憶轉(zhuǎn)化為長(zhǎng)時(shí)記憶。根據(jù)認(rèn)知負(fù)荷的劃分，在物理教學(xué)過(guò)程中，適當(dāng)細(xì)化復(fù)雜任務(wù)，鼓勵(lì)學(xué)習(xí)者進(jìn)行科學(xué)探究，可有效降低認(rèn)知過(guò)程中的內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷，整合教學(xué)資源，充分利用信息技術(shù)，減少冗余效應(yīng)，可以降低外在認(rèn)知負(fù)荷，提高相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷，有效合理的樣例學(xué)習(xí)是學(xué)習(xí)者將工作記憶轉(zhuǎn)變?yōu)殚L(zhǎng)時(shí)記憶最好的方式。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張慧，張凡.認(rèn)知負(fù)荷理論綜述[J].教育研究與實(shí)驗(yàn)，1999（4）：45-47.

[2] 吳沛豪，雷慶，羅琬華.基于認(rèn)知負(fù)荷理論的物理概念圖教學(xué)策略[J].安慶師范學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008，14（1）：91-93.

[3] 董斌.認(rèn)知負(fù)荷理論對(duì)物理教學(xué)設(shè)計(jì)的啟示[J].物理教學(xué)探討：中學(xué)教學(xué)教研專輯，2011（9）：70-72.

[4] 高嵩，田宇，邵夢(mèng)媛.基于推理的"牛頓第二定律"教學(xué)思考[J].物理教學(xué)探討，2021，39（3）：75-80.

[5] 馮利，于海波.牛頓第二定律教學(xué)應(yīng)該注意的幾個(gè)問(wèn)題[J].中學(xué)物理（高中版），2011，29（7）：32-33.

[6] 鄭蘭花，黃樹(shù)清.認(rèn)知負(fù)荷理論在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的運(yùn)用[J].物理通報(bào)，2020（12）：113-115.

[7] 郭海昌.基于“學(xué)習(xí)進(jìn)階理論”指導(dǎo)下的教學(xué)設(shè)計(jì)——以“應(yīng)用牛頓第二定律求解加速度”為例[J].理科考試研究，2021，28（3）：45-48.