衡 鑫，謝曉雨

1.西寧市第四高級中學(xué)，西寧 810003

2.北京師范大學(xué)物理學(xué)系，北京 100875

高考試題作為發(fā)揮考查功能的載體，承載著高中學(xué)段對物理學(xué)科教學(xué)內(nèi)容的考查。要實現(xiàn)教－學(xué)－評一體化，發(fā)揮高考引導(dǎo)教學(xué)的核心功能，試題分析是不可缺少的環(huán)節(jié)。認(rèn)知負(fù)荷理論是澳大利亞心理學(xué)家斯威勒基于認(rèn)知學(xué)習(xí)研究成果所提出的理論，旨在幫助人類在從事復(fù)雜認(rèn)知任務(wù)時進(jìn)行高效的認(rèn)知加工，盡可能減少加工負(fù)擔(dān)，釋放工作記憶容量，提升任務(wù)完成水平［1］。學(xué)生完成高考試題的過程也可以看作是在有限時間內(nèi)從外界獲取信息，結(jié)合已有知識進(jìn)行信息加工和結(jié)果輸出的過程，需要進(jìn)行多重認(rèn)知操作。

本研究基于認(rèn)知負(fù)荷理論分析2023年全國乙卷物理試題（以下簡稱“試題”），以研究“考試如何考”，反思“教師如何教”，從而促進(jìn)“學(xué)生如何學(xué)”，是高考試題分析思路和認(rèn)知負(fù)荷理論應(yīng)用的雙重創(chuàng)新，希望能為促進(jìn)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展提供思路。

1 認(rèn)知負(fù)荷理論簡介

認(rèn)知心理學(xué)發(fā)現(xiàn)，人類的記憶主要是由容量有限的工作記憶和容量無限的長時記憶組成。長時記憶以圖示為單位對多個知識元素進(jìn)行模塊式存儲，在使用時可隨時調(diào)用至工作記憶。而人類的認(rèn)知加工包括序列性的流程加工和自動化的并行加工。序列性的加工主要發(fā)生在工作記憶中，其速度較慢，需要占用注意資源；自動化的并行加工主要是指長時記憶的調(diào)用，由于長時記憶中的圖示具有概括性，能減少信息加工單元的數(shù)量，故該加工方式不需要有意識的控制和資源消耗［2］。由此可見，要提高認(rèn)知加工的效率，一方面需要提高長時記憶中的圖示數(shù)目和自動化水平，另一方面也要盡量減少工作記憶在信息加工和保持過程中所承受的負(fù)荷總量，即認(rèn)知負(fù)荷水平。

認(rèn)知負(fù)荷按照其來源主要分為內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷、外在認(rèn)知負(fù)荷、關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷三類。三者之和為工作記憶承受的總負(fù)荷［3］。

2 基于認(rèn)知負(fù)荷的試題分析框架

三種認(rèn)知負(fù)荷的來源各不相同，要了解試題中各個認(rèn)知負(fù)荷的水平，可以從不同的維度建構(gòu)基于認(rèn)知負(fù)荷的試題分析框架。

內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷是由相對于學(xué)習(xí)者經(jīng)驗水平的學(xué)習(xí)材料復(fù)雜性所帶來的負(fù)荷，既與材料本身有關(guān)，也與學(xué)習(xí)者現(xiàn)有認(rèn)知水平有關(guān)。這樣的內(nèi)涵決定了需要從試題內(nèi)容本身進(jìn)行內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷的分析。高考評價體系中的“四翼”就對考查內(nèi)容做出了具體的要求，即物理科考試要增強試題的基礎(chǔ)性、綜合性、應(yīng)用性、創(chuàng)新性，結(jié)合學(xué)科特點，將考查要求具體化［4］。這四個維度能在一定程度上反映試題相對于學(xué)生的難度，可作為分析內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷的維度。

外在認(rèn)知負(fù)荷是由材料的呈現(xiàn)方式或教學(xué)活動帶來的非必要負(fù)荷。情境是實現(xiàn)考查內(nèi)容、落實考查要求的載體，也是題目呈現(xiàn)的主要方式?？梢砸罁?jù)情境的種類、情境與內(nèi)容的關(guān)聯(lián)程度來綜合分析試題的外在認(rèn)知負(fù)荷。

關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷是促進(jìn)認(rèn)知建構(gòu)的負(fù)荷，聚焦于學(xué)習(xí)者已有經(jīng)驗的調(diào)用，外在表現(xiàn)為促進(jìn)學(xué)生關(guān)聯(lián)已有圖示解決問題。關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷將任務(wù)與已有的圖示進(jìn)行類比和遷移，不僅能降低工作記憶的負(fù)擔(dān)，更能提高長時記憶中圖示的概括性和自動化水平，進(jìn)一步提高認(rèn)知效率。

本研究以物理圖像作為分析維度，分析其對學(xué)生解題和關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷的作用。從圖像的種類、數(shù)目、學(xué)生作答時發(fā)揮的作用等幾個方面分析試題的關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷。

對于考生而言，高考的理想狀態(tài)是試題內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷和外在認(rèn)知負(fù)荷都較低，而關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷較高。這樣有利于學(xué)生進(jìn)行高效的認(rèn)知加工。但由于實際的試題具備服務(wù)選才的功能，其認(rèn)知負(fù)荷水平并不是理想情況，需要建立框架進(jìn)行分析。

綜上所述，本文構(gòu)建的試題分析框架如圖1所示，依此框架對試題加以分析。試題共計16道，以每一題作為分析的最小單元。首先依據(jù)不同指標(biāo)對題目進(jìn)行統(tǒng)計，再對同一認(rèn)知負(fù)荷維度下不同指標(biāo)的數(shù)據(jù)進(jìn)行交叉分析，進(jìn)一步得到相應(yīng)認(rèn)知負(fù)荷的特點。

圖1 基于認(rèn)知負(fù)荷的試題分析框架

3 基于認(rèn)知負(fù)荷的試題分析結(jié)果

3.1 試題“四翼”難度梯度明顯，試題內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷合理

依據(jù)基礎(chǔ)性、綜合性、應(yīng)用性和創(chuàng)新性對試題逐一統(tǒng)計?；A(chǔ)性和綜合性是結(jié)合考查內(nèi)容相對而言的，每道題目能且只能取其一。應(yīng)用性題目要能引導(dǎo)學(xué)生從“解題”向“解決問題”轉(zhuǎn)變，創(chuàng)新性則是創(chuàng)新試題呈現(xiàn)方式和設(shè)問方式的類型。當(dāng)題目后兩個特點均具備時，選擇其更加突出的性質(zhì)進(jìn)行歸類。若上述特點均不具備，則按照僅具備基礎(chǔ)性或綜合性統(tǒng)計。

詳細(xì)分析結(jié)果如表1所示，試卷中有7 道基礎(chǔ)性題目、9 道綜合性題目、5 道應(yīng)用性題目、7道創(chuàng)新性題目。但試題的內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷在所有基礎(chǔ)性題目中或所有綜合性題目中是否一樣，可以在基礎(chǔ)性和綜合性的分類前提下進(jìn)一步以應(yīng)用性和創(chuàng)新性進(jìn)行交叉分析，結(jié)果如圖2所示。

表1 從考查要求分析試題的內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷

圖2 試題的考查要求統(tǒng)計圖

基于表1 的數(shù)據(jù)，圖2 統(tǒng)計了基礎(chǔ)性和綜合性題目中兼具另外兩個特性的題目數(shù)量。通過對比可知，雖然基礎(chǔ)性題目和綜合性題目在整體數(shù)目上相差不多，但有4 道僅具有基礎(chǔ)性的題目。相較于其他基礎(chǔ)性題目，這4 道題并不涉及應(yīng)用或創(chuàng)新，整體的難度低，內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷水平也低。綜合性試題伴隨著知識與能力的綜合，更易兼具應(yīng)用性和創(chuàng)新性，其中創(chuàng)新性又比應(yīng)用性的認(rèn)知負(fù)荷更高。可見，高考在“四翼”角度上細(xì)分了不同難度的題目，通過豐富題目的內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷層次，提高試題的區(qū)分度?？傮w而言，可以得出：試題“四翼”難度梯度明顯，試題的內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷分布合理，可以作為高考服務(wù)選才的保障。

3.2 情境與考查內(nèi)容聯(lián)系增強，試題外在認(rèn)知負(fù)荷較高

從情境維度分析外在認(rèn)知負(fù)荷需要對情境進(jìn)行更加細(xì)致的分類。根據(jù)情境內(nèi)容可以分為生活實踐情境和學(xué)習(xí)探索情境。根據(jù)情境與考查內(nèi)容關(guān)聯(lián)性的強弱，可以進(jìn)一步將其劃分為“組合式、結(jié)合式、融合式”3 個依次遞減的等級［5］。如表2所示，可直觀地描述情境與考查內(nèi)容的關(guān)系?？刹僮鞯慕缍椋骸皢栴}解決不依靠情境”為組合式試題，“問題解決依靠情境，情境的部分描述中隱含解題條件”為結(jié)合式試題，“問題解決依靠情境，情境的描述即為探究過程或物理過程、物理模型的描述”為融合式試題。

表2 情境與考查內(nèi)容的關(guān)聯(lián)等級

以情境的類型、情境與內(nèi)容的關(guān)聯(lián)程度作為具體的分析指標(biāo)可得到表3 的統(tǒng)計結(jié)果。

表3 從情境類型分析試題的外在認(rèn)知負(fù)荷

由表3 可知，從關(guān)聯(lián)程度上看，組合式的題目僅有1 道，結(jié)合式和融合式成為主流，其中又以融合式最多。題目情境呈現(xiàn)與考查內(nèi)容聯(lián)系越發(fā)緊密，學(xué)生越難以用傳統(tǒng)的題海戰(zhàn)術(shù)應(yīng)對。試題能夠真正考查學(xué)生面對情境時的表現(xiàn)，體現(xiàn)學(xué)生核心素養(yǎng)的高低。從情境內(nèi)容上，有13 道學(xué)習(xí)探索情境的題目，3 道生活實踐情境的題目?？梢?，題目情境還是以學(xué)習(xí)探索為主，但也創(chuàng)新加入了國家科技發(fā)展和體育運動的生活實踐。情境來源和種類的豐富在一定程度上也會帶來文字描述、圖像表達(dá)、設(shè)問角度的多樣性，為學(xué)生抓住物理問題本質(zhì)設(shè)立障礙，增加學(xué)生的外在認(rèn)知負(fù)荷。但這些情境對于堅持立德樹人，引導(dǎo)學(xué)生全面發(fā)展有重要的作用。

基于表3 的數(shù)據(jù)，圖3 從情境與考查內(nèi)容的關(guān)聯(lián)性出發(fā)統(tǒng)計情境類型。綜合來看，學(xué)習(xí)探索題目中情境與考試內(nèi)容結(jié)合更緊密，而生活實踐情境依具體情境和內(nèi)容而定。無論是從情境內(nèi)容還是情境與考查內(nèi)容的聯(lián)系看，高考試題都呈現(xiàn)出“用更加靈活的情境進(jìn)行更有深度的考查”的趨勢。這樣的題目會增加外在認(rèn)知負(fù)荷，對學(xué)生的理解能力、模型建構(gòu)能力提出了更高的要求。但正因如此，題目才能篩選出不同認(rèn)知水平的學(xué)生，落實立德樹人的根本任務(wù)。

圖3 試題的情境類型統(tǒng)計圖

3.3 物理圖像在題目和解答中呈現(xiàn)都能夠提高試題關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷

雖然與問題深度關(guān)聯(lián)的新穎情境會給學(xué)生作答增加外在認(rèn)知負(fù)荷，但物理圖像卻常常能幫助學(xué)生進(jìn)行科學(xué)推理，建構(gòu)物理模型。這實則是在增加試題的關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷，從而促進(jìn)學(xué)生進(jìn)行信息加工。

從每道題目中的圖像個數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果如表4所示?？梢?，大部分的題目還是以一個圖像為主，少部分完全沒有圖像的題目，是因為其本身難度并不大，像22 題、14 題就是學(xué)生非常熟悉的實驗和落體運動，16 題、33（2）題僅需公式即可解答。由此可見，沒有圖像的題目整體難度還是較低的。這些題目中出現(xiàn)圖片反倒冗余。其中，出現(xiàn)了一道題目中有4 個圖像的，是由于其將圖像作為選項，創(chuàng)新了設(shè)問角度，并沒有從圖像角度增加難度。而其他題目中的圖像對學(xué)生作答起到了哪些作用可以結(jié)合題目中圖像的種類進(jìn)一步分析。

表4 從物理圖像分析試題的關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷

圖4 是在表4 的基礎(chǔ)上又將物理圖像分成了物理情境圖和物理量關(guān)系圖，由于是對物理圖像進(jìn)行的分類，就略去了沒有圖像的題目統(tǒng)計。

圖4 題目中物理圖像數(shù)目和種類統(tǒng)計圖

圖4 是在表4 的基礎(chǔ)上又將物理圖像分成了物理情境圖和物理量關(guān)系圖進(jìn)行的統(tǒng)計。由于是對物理圖像進(jìn)行的分類，就略去了沒有圖像的題目統(tǒng)計?？傮w而言，試題中的物理圖像還是以物理情境圖為主。作答中情境圖的作用不僅是解釋文字內(nèi)容，標(biāo)注物理量，更表現(xiàn)為：在情境圖中補充運動過程并尋找?guī)缀侮P(guān)系；在所給圖像中補充已有的物理圖示實現(xiàn)輔助分析、快速作答；甚至有些情境圖可以啟發(fā)物理量關(guān)系圖的繪制，避免復(fù)雜的計算過程，從而直觀、快速地得到結(jié)論。

試題中的物理圖像能夠提高學(xué)生的關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷，促進(jìn)其了解情境，并將其與已有的物理知識關(guān)聯(lián)起來。在作答中情境圖多用于分析過程和尋找?guī)缀侮P(guān)系，對于學(xué)生科學(xué)推理能力要求較高。如果學(xué)生能有較為多樣的問題表征方式，情境圖也能激發(fā)其自主繪制物理量關(guān)系圖，尤其是利用圖像分析相對運動中的問題，能大幅提高信息處理效率。

4 基于認(rèn)知負(fù)荷的教學(xué)策略

基于上述分析結(jié)果，本研究得到以下教學(xué)策略。

4.1 開展單元教學(xué)，以物理概念的整合降低內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷

試題分析發(fā)現(xiàn)，基礎(chǔ)題的內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷較低，而綜合性試題更趨向于兼具創(chuàng)新性和應(yīng)用性，體現(xiàn)了較高的內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷，整體“四翼”難度梯度明顯，但更考驗學(xué)生對物理觀念的完整理解。

單元教學(xué)注重不同知識間的聯(lián)系，在相同的背景下展開單元所有內(nèi)容的教學(xué)，能夠幫助學(xué)生將相關(guān)聯(lián)的內(nèi)容進(jìn)行整合，形成完善的物理觀念。類似于長時記憶中的圖式，能對多個知識元素開展模塊式存儲，具有減少認(rèn)知資源消耗、提高信息處理效率的優(yōu)點，可有效降低內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷。

4.2 創(chuàng)設(shè)真實情境，以模型建構(gòu)克服外在認(rèn)知負(fù)荷

高考試題中情境與考查內(nèi)容的聯(lián)系更加緊密，多以結(jié)合式、融合式出現(xiàn)，給學(xué)生作答帶來了更高的外在認(rèn)知負(fù)荷。為突破這一難點，日常教學(xué)中可以多創(chuàng)設(shè)真實情境。平時的積累有助于提高學(xué)生思維的靈活性和深刻性，從而在高考中克服外在認(rèn)知負(fù)荷的影響。

4.3 重視圖像表征，以科學(xué)推理提高關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷

高考試題中物理圖像在題目呈現(xiàn)和解答中都能提高關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷，促進(jìn)已有經(jīng)驗的調(diào)用，提高信息加工效率。在教學(xué)中要指導(dǎo)學(xué)生建立豐富的圖像表征，尤其要加強圖像的分析和應(yīng)用，以達(dá)到深入認(rèn)識運動過程、指導(dǎo)推理論證的作用。培養(yǎng)學(xué)生在物理表征與圖像表征的雙向推理能力，在反復(fù)的科學(xué)推理中增強解決問題的靈活性，從而提高關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷，加速問題解決。