认知负荷理论下初中物理翻转课堂教学探析

薛洪杰

摘 要 在解析认知负荷理论的基础上，深入剖析认知负荷三种类型（内在认知负荷、外在认知负荷、关联认知负荷）对翻转课堂的指导作用，并以此为导向，提出相应的教学措施，以提高初中物理翻转课堂教学的实效性。

关键词 认知负荷理论；翻转课堂；初中物理；自主学习；微课

中图分类号：G633.7 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2018）15-0075-03

1 前言

翻转课堂既优化了学习资料的组织形式、知识呈现方式，而且增强了教学内容图示效果。即课前学生通过自学强化对相关知识的理解和探索，增加原有认知经验，促使内在认知负荷达到一种最佳状态；课中教师通过提问环节为信息图示化奠定基础，有助于学生习得新知。从心理学的视角看，翻转课堂教学模式在本质上降低了学生的认知负荷，学生可根据自己的认知负荷状况调整知识呈现时间和学习进度，使认知资源得到合理分配，达到最佳的学习效果。本文从认知负荷理论的视角审视初中物理翻转课堂教学实践，以期为初中物理翻转课堂应用研究提供认知负荷内在机制参考。

2 认知负荷理论

认知负荷是指个体在获得知识过程中进行信息加工时，其认知资源被占用的比例。认知资源是指个体已经存在的知识和经验，依据有限理论可知，个体在学习内容识别时需要占用认知资源，且学习内容越复杂，占用的认知资源就越多。然而个体的认知资源是有限的，当认知资源全部被占用时，就会导致其他学习内容被忽视而不能对其进行加工，即认知负荷超载。

资源有限理论和图式理论是认知负荷理论的基础，该理论探讨信息加工过程中对工作记忆、复杂学习和问题解决的影响，成为多媒体设计的理论基础并为其提供理论框架。

3 从认知负荷视角看翻转课堂

影响工作记忆的认知负荷可分为内在认知负荷、外在认知负荷、关联认知负荷等三类，其与学生在翻转课堂中的信息传递密切相关。

内在认知负荷由知识本身的复杂程度决定，主要表现为学习材料的难度和学生已有的知识经验，通常在学生还没有掌握合适的图式时产生内在认知负荷。因此，在翻转课堂教学中，教师可通过提升学生学习能力、降低学习材料难度等措施，达到降低认知负荷、促进学生信息加工的效果。

外在认知负荷是在学习过程中对学习没有任何贡献的心理活动引起的，通常是由于教师不当的教学活动或者组织，导致学生接受不恰当的学习材料，从事一些与图式获得没有直接关联的学习活动时，就会给工作记忆带来额外的负担，即产生外在认知负荷。基于此，外在认知负荷与信息呈现方式、教学活动的组织有关。据此，教师在利用视频组织学生进行课前自主学习时，尽量降低课件的外在认知负荷，避免过于花哨的无关视频占用学生工作记忆容量，增加学生外在认知负荷。

关联认知负荷是指能够帮助学生构建图式或者图式自动化的负荷，即学生的认知资源用于与学习有直接关联的信息加工活动中，使得学生从事更高级的认知加工，如抽象、比较和理解等，从而支持图式的形成与意义构建。因此，关联认知负荷是促进学生有效学习的认知负荷，需要教师在翻转课堂中通过情境创设，增强关联认知负荷，提升教学成效。

综上所述，认知负荷理论的三种类型相互交织叠加，为了达到最佳的学习效果，应降低内在认知负荷、减少外在认知负荷、增加关联认知负荷，且使总的认知负荷不能超出学生个体能够承载的认知负荷的限度。因此，在翻转课堂教学中，教师应遵循认知负荷理论，优化网络视频资源，使得学生认知资源得到合理分配，以获得最佳的学习效果。

4 认知负荷理论下初中物理翻转课堂教学实践

分离关联元素，降低内在认知负荷 内在认知负荷是由学习材料的难度和学生已有的认知经验决定的，即：学习材料难度越大，则学生需要占用的认知资源就会越多；学生原有的认知经验与所学习的知识关联度越高，则需要工作记忆处理的负荷就会越少。因此，教师在课前安排学生利用相关的视频资源进行自主学习时，需要为学生选择短小精悍、每个视频只有一个知识点的课件进行自主学习，从而将高难度的学习材料分离成多个主题的视频资源，以减轻学生每次信息记忆与处理的负担，减轻学习负担，从而缓解学生长时工作信息记忆的压力。

以“弹力”教学为例，学生在上一次课已经学习了有关“力”的知识，对力的作用效果有了基本了解，这在一定程度上利于学生对弹力概念的理解。而本节学习的重点和难点在于理解弹簧测力计的制作原理以及测量的方法。为了提高学生课前自主学习效率，教师为学生挑选“弹力是什么”“弹簧测力计制作”“如何测弹力”等主题的课件视频，有效地将高难度的学习材料分解成多个主题的视频资源，要求学生结合教材内容自主进行学习。

在“什么是弹力”主题中，视频以案例的方式展示了撑竿跳高、跳高跳水等的场景，让学生理解什么是弹力，并思考生活中还有哪些能够产生弹力的现象？在“弹簧测力计制作”主题中，则是给了学一个亲自动手操作的机会，让学生体验在弹簧、气球、橡皮筋等物体上用力，从中探究弹力产生的原理，即物体的形变与外力大小之间的关系，并依据对应关系尝试制作彈簧测力计。而“如何测弹力”则是教授学生如何使用测力计进行弹力的测量，以及在测量中需要注意的条件等。学生在分别对这些分离的信息内化后再进行整合加工，发现学习也可以如此简单。

在课前自主学习中，教师将难度高的学习材料分离成多个主题视频的方法，减少了学生工作记忆的容量，帮助学生节省了认知资源空间，降低了学生内在认知负荷，提高了学生的自主学习效率。

优化视频呈现，降低外在认知负荷 外在认知负荷通常是由教师不当的教学方式引起的，主要与信息呈现方式和教学活动组织相关。因此，教师可通过优化视频呈现来降低外在认知负荷，即教学视频的质量直接影响着学生认知的深度与广度。教师在制作或者筛选视频资源时，要从视频时间的长短、主题内容的凸显、是否切合学生接受能力、操作便捷等方面，综合考虑是否增加了学生额外的认知负荷，以减轻学生工作记忆的压力，诱发学生学习兴趣，实现新旧知识的有机融合。

如在教学“升华和凝华”时，为了让学生更好地理解升华吸热、凝华放热的原理，在课前，教师为学生精心筛选有关升华与凝华的各种生活现象的视频，視频内容短小精悍，其目的是让学生对升华与凝华的概念有初步了解，从而为课堂听课奠定基础。

在课上，教师利用多媒体视频演示碘升华凝华的实验，引导学生自主探究并仔细观察实验现象，同时将观察到的结果详细记录在导学案上。如当视频演示到“固态的碘变成碘蒸汽充满烧瓶后，仔细观察烧瓶底部是否有液态碘？你观察到了什么现象”时，稍作停顿，留给学生思考的时间，并将自己观察的现象记录下来。接着视频播放到“将烧瓶放入冷水中冷却，拔出塞子，请仔细观察烧瓶内部和塞子底部，你看到了什么现象”时，视频再次停顿，组织学生思考，并记录观察的现象。

其后，教师以PPT呈现问题：“描述碘在加热前、加热过程中的状态变化，这个过程是吸热还是放热？你判断的依据是什么？”让学生以小组的方式进行讨论，从中得出升华吸热、凝华放热的结论。最后通过总结物态变化种类（前面所学的熔化、凝固、汽化和液化四种物态），实现新旧知识的有机整合。

在翻转课堂教学模式中，无论是课前翻转还是课中翻转，教师都从减少外在认知负荷的视角，通过筛选适合视频资源、利用多媒体演示实验、借助PPT呈现问题等方式，优化教学内容的呈现方式，并通过边演示边组织学生思考、小组讨论等教学活动，增强师生互动的有效性，提高教学成效。

创设探究情境，增加关联认知负荷 关联认知负荷的增加能够促使学生在图式构建过程中主动增加认知资源的投入量，投入量越大，则越有利于把大量复杂无序的信息整合成简单有序的知识体系，以优化认知结构，有效降低认知负荷。关联认知负荷增加的关键就是激发学生主动学习的动机，诱发学生持续探究的兴趣，从而帮助学生从多元化的角度理解和解决问题，完成对知识意义的构建。因此，教师可利用微视频创设探究情境，促进学生学习的正迁移，以推动图式构建与自动化。

如在“光的折射”教学中，折射定律的学习历来都是教学的难点与重点。为此，教师在课前利用微课向学生展示海市蜃楼的美景，从中诱发学生对光线的折射产生好奇、探究的欲望。为了能够解释海市蜃楼的现象，学生以探究问题的答案为驱动力，顺其自然地过渡到课堂学习中。

为了让学生更加深入地理解光的折射定律以及折射角与入射角的关系，教师利用多媒体演示实验的方式，引导学生观察探究。当视频演示到“将筷子插入水杯中，仔细观察水中的筷子发生了什么变化”时，教师组织学生思考并回答问题，即光从空气射入水中时，传播方向发生改变，且光线向法线靠拢，由此引出折射、法线、入射角、折射角等的概念，且折射角总是小于入射角。

那么光射入其他介质中是否也会发生类似的偏折呢？教师接着演示另一个实验：“一束光线从空气中射入玻璃砖一端后，仔细观察光线是如何偏折的？当光线从玻璃砖块另一端射出后，光线又是如何偏折的？尝试画出光路图。”学生继续讨论，从中总结出折射定律。如此，学生对折射定律有了深入理解，并自主探究当光线从空气中垂直射入水中或者其他介质中产生的现象，独自完成对海市蜃楼现象的解释，从而提高自主探究意识，构建新的知识体系。

在教学中，教师利用微课创设探究情境的方式，诱发学生对折射产生主动探究的动机，并在课中借助多媒体视频演示实验的方式，保持学生持续探究的热情，从而增加关联认知负荷，使得学生将纷繁复杂的折射现象整合成简单有序的折射规律，高效完成学习目标。

5 结语

总之，认知负荷理论为翻转课堂教学模式的运用与实施提供了依据和指导。本文从认知负荷类型的视角，分别探究其在初中物理翻转课堂中的价值体现，目的是节省学生的认知资源，使其资源得到合理的分配，实现学习效果的最优化。因此，教师采用分离关联元素、降低材料学习难度、优化视频呈现、创设探究情境等策略，达到控制内在认知负荷、降低外在认知负荷、增强关联认知负荷的目的，提高了翻转课堂教学质量。

参考文献

[1]叶雯.认知负荷理论指导下初中英语翻转课堂效果研究[D].重庆：四川外国语大学，2017.

[2]丁琳.从认知负荷视角探究初中物理翻转课堂[J].中学物理教学参考，2015，44（23）：15-17.