基于认知负荷理论的问题式教学探究

李迎 范文翔 张一春

摘 要：问题式教学有利于增强学生的问题意识、培养学生解决问题的能力，被广泛应用于教学实践中。认知负荷理论为问题式教学的有效实施提供了新的理论指导。在分析认知负荷理论的核心观点与问题式教学特点的基础上，构建了基于认知负荷理论的问题式教学模式。该模式运用了一定的教学策略控制内部认知负荷，减少外部认知负荷，提高相关认知负荷，将问题式教学过程中可能产生的认知负荷总量控制在学习者的认知负荷范围内，保证了问题式教学的高效实施。将该教学模式应用于教学实践中，发现认知负荷理论对问题式教学的实施确实有积极的促进作用。基于实践反思，文章总结了基于认知负荷理论的问题式教学的优势及建议，以期为开展问题式教学提供一些有益的参考。

关键词：认知负荷理论;问题式教学;模式设计

中图分类号：G434 文献标志码：A 文章编号：2096-0069（2019）04-0017-07

波普尔曾说：科学和知识的提升始于问题，终于问题。[1]爱因斯坦进一步指出：发现问题比解决问题更为重要。[2]因为学生的思维发展、知识增长，往往是从提出问题开始的，能够提出问题对于学生而言是一项终生需要的能力。基于此背景，问题式教学应运而生。问题式教学围绕“问题”开展，致力于培养学生的问题意识。自1980年《关于行动的议程》文件中提出应将“问题解决”作为学校的一种教学模式以来，问题式教学就被广泛应用于各级各类教育的教学实践中。[3]既往的大量研究虽然证实了问题式教学确实有利于培养学生的问题意识，提升教学成效，但其有效性是以“问题”是适切的为前提。不少教师在创设问题情境与组织教学活动过程中忽略了学习者认知负荷的情况，“问题”的难度超出了学生的认知水平，致使学生在学习的过程中出现认知超负荷，从而严重影响教学成效。鉴于此，本文拟在认知负荷理论的指导下，构建基于认知负荷理论的问题式教学模式，将任务产生的认知负荷尽量控制在学习者的认知负荷范围内，以期更好地促进问题式教学的有效开展。

一、概念框架

（一）认知负荷理论

美国心理学家米勒（Miller）从1956年开始进行脑力负荷和心理负荷方面的研究，并从信息加工角度提出了工作记忆容量的有限性。[4]之后，随着布鲁纳对人类思维的研究、皮亚杰图式理论的兴起以及奈瑟《认知心理学》的出版等，认知心理学得到了极大的关注。[5]澳大利亚心理学家约翰.斯威勒（John Sweller）以信息加工理论为背景，以资源有限论和图式理为基础较为系统地阐述了认知负荷理论（Cognitive Load Theory，CLT）。认知负荷理论自提出后便得到了广泛研究，主要包括学习者的认知结构、教学效应以及认知负荷测量等内容。[6]诸多研究证明，认知负荷理论为教学设计提供了新的理论框架，为教学实践提供了积极有效的指导。由此，认知负荷理论逐步成为指导教学的一种重要的心理学理论。

认知负荷是指外部信息进入个体工作记忆中所需的心理活动总量[7]。学习者进行认知加工活动要消耗心理活动总量和相应的认知资源，当任务需要消耗的心理活动总量超出学习者自身的心理活动总量时，就会导致认知超负荷。超出部分的任务将不会被学习者有效加工。为避免出现认知超负荷，应设法促使学习者头脑中图式的构建及自动化的形成。学习者一旦形成了图式结构，经过训练后便可实现自动化，从而省去任务的加工过程，突破工作记忆有效性的限制，实现降低认知负荷的效果[8]。

Sweller将认知负荷分为三类：内在认知负荷、外部认知负荷和相关认知负荷[9]，认知负荷的分类及其主要影响因素如表1所示：

通过对认知负荷分类中内在认知负荷、外部认知负荷以及相关认知负荷的内涵及影响因素的梳理，可以得出运用认知负荷理论指导教学设计和教学实践的核心思想是：通过控制认知负荷的各影响因素，进而控制内部认知负荷，降低外部认知负荷，提高相关认知负荷，最终使任务产生的认知负荷总量在学习者的承受范围内，促使学生实现高效学习。

（二）问题式教学

问题式教学起源于20世纪50年代，可追溯至苏格拉底的“产婆术”。“产婆术”指出通过引导学生自主探索达到学习的目的，是问题式教学思想的初步体现[12];杜威的“五步教学法”是问题式教学的进一步发展，包含发现问题、明确问题、提出假设、验证假设、得出结论的完整的问题解决过程[13]。随着教学模式和教学实践研究的不断深入，美国学者唐娜.奥格尔（Donna Ogle）于1986年提出K-W-L模式。K-W-L模式的流程是：首先明確学生头脑中已有的知识结构（what I know），然后通过小组协作探究确定解决问题所需的其他信息（what I want to know），最后学生对整个学习过程进行总结和反思（what I learnt）[14]。解决问题的过程都由表格记录，因此可以观察到学生的整个学习过程。

问题式教学又可称为基于问题的教学。现普遍认为，问题式教学是主张学生在创设的问题情境中，通过小组协作式学习方式解决问题，掌握既定知识与技能的教学模式[15]。问题式教学模式有三个要素，分别是问题情境、学生和教师[16]。问题情境是开启教学活动的钥匙，也是实施教学活动的基础。问题情境是否恰当有趣、能否激发学生的学习兴趣，将直接影响教学的成效;学生是学习活动的主体，学生通过教学活动获取知识，同样问题式教学需要学生的参与才能发挥作用，学生的积极性和主动性是教学活动能否成功开展的关键;教师是教学活动的组织者和引导者，教师负责问题情境的设计与统筹，学生解决问题的启发、引导及评价等活动中至关重要，教师的专业素质将会对问题式教学的效果产生直接影响。

二、基于认知负荷理论的问题式教学模式设计

（一）经典问题式教学模式分析

具有代表性的问题式教学模式有“陈严模式”。首先教师设置问题，学生进行自主探索，然后在找到解决问题的其他信息之后进行组内讨论，发现新问题继续进行探究。另一个具有代表性的问题式教学模式是由杜雪艳提出的，具体流程为：发现问题—整理和归纳问题—板书和梳理问题—分析问题进而解决问题—复习和巩固问题[17]。

上述问题式教学模式相对比较典型，也被广泛应用于教学实践中，并取得了很好的教学效果。“陈严模式”不仅包含问题式教学的整个问题解决过程，还注意引导学生不断发现新问题，不将学生局限于教师设计的问题情境，不阻碍学生的积极探索，学生在学习过程中更自由和自主;杜雪艳提出的教学模式相对“陈严模式”更加完整和系统，包括了整个问题解决的流程，使问题式教学模式更加完整。但它们具有以下共同特点：教学活动都是以问题开始，以问题解决结束;都以问题为主线，包含提出问题、发现问题并解决问题的完整流程;都注重引导学生在解决问题的过程中发现问题，并逐步形成问题意识;都致力于使学生经过问题解决在头脑中形成完整的图式结构。

（二）基于认知负荷理论的问题式教学模式设计

根据上述经典问题式教学模式的共同特点以及认知负荷理论的理念，问题式教学模式不仅应包含创设问题情境、解决问题、总结复习在内的完整问题解决流程，还应将学习者的认知结构及认知规律考虑在内。因此，本研究以认知负荷理论为指导，构建基于认知负荷理论的问题式教学模式如图1所示。此模式包含四个环节：创设问题情境、解决问题、展示成果和总结汇报、反思评价。基于认知负荷理论的问题式教学模式增加了反思评价环节，反思评价是问题式教学模式设计中不可或缺的一部分，对教师调整问题情境、教学活动设计以及学生进行自我反思等都有积极的指导作用。

1.创设问题情境

问题情境是指在一定的情境中为实现某一目标所面临的状态。问题情境是设计和实施问题式教学的第一步，也是问题式教学是否成功开展的关键因素之一。问题情境的创设需要完成问题的选择、描述及难度设置。从认知负荷的角度分析，问题的描述如果带有很多无关信息，学习者就需要耗费有限的工作记忆容量去加工这些无关信息，这无疑增加了学习者的外部认知负荷。因此，应设法将问题描述清晰，尽可能降低学习者的外部认知负荷;由于内部认知负荷和问题的难易程度有关，问题越复杂，需要占用的认知资源就越多，内在认知负荷就会越大，但是如果学习者已有的图式结构与新信息的交互性越强，工作记忆加工新信息的速度及准确度就会越高，解决问题的效率也会随之提高，内部认知负荷相应地就会减少。所以，可从降低问题的复杂程度和完善学习者的认知结构两个方面来降低内部认知负荷。

2.解决问题

解決问题是问题式教学实施的主要环节。此环节学生历经分析问题、解决问题、发现新问题的循环探究过程。此环节可能产生由学习资源或问题任务引起的外部认知负荷。问题及资源的呈现方式、呈现形式、呈现顺序等都有可能产生外部认知负荷。因学生寻求问题答案需要经历对比、验证等一系列的认知活动，这些过程都会占用学习者的认知资源，当认知资源被完全占用时，就无法进行有效的认知活动。因此，如果呈现问题形式混乱、资源呈现分散，整合分散资源和分析问题结构就需要占用一定的认知资源，工作记忆总量不变导致加工有用信息的容量就会减少，从而产生更多的无意义学习。因此，此环节要尽可能地降低学习任务带来的外部认知负荷，可从优化问题呈现方式、呈现形式、呈现顺序等方面尽可能降低外部认知负荷;教师还可以在学生解决问题的过程中进行积极有效的引导、合理运用强化策略来提高学习者的相关认知负荷。

3.展示成果和总结汇报

展示成果和总结汇报是问题式教学的重要部分，也是学生形成图式结构的主要环节。在认知负荷理论的指导下，问题式教学模式的汇报总结环节的重点是有效控制内部认知负荷。学习者如果具备与学习任务相关联的图式结构，内在认知负荷就会相应减少[18]。图式结构由概念图式（描述问题）和问题图式（描述解法）组成，掌握一类问题的解答就相当于掌握了这类问题的解决图式[19]。而专家和新手的区别就在于专家掌握了解决一类问题的图式，当问题包含较多的已知条件或已知条件之间关系复杂时，新手和专家在问题解决的过程及效率方面就会产生明显差异，新手需要历经由问题目标寻找已知条件、整合已有信息的逆向过程，而专家已经具备相应的图式结构，可以直接由已知条件顺序解决问题。很显然，与专家解决问题相比，新手需要消耗更多的认知资源。因此，本环节要尽量完善学生的图式结构，从而降低内部认知负荷。

4.反思评价

反思评价不仅可以指导优化教学活动的设计及实践，还可促进学习者进行反思，对问题式教学中的每一个环节都有一定的指导作用。从认知负荷理论出发，此环节可从提高相关认知负荷和降低外部认知负荷的角度控制认知负荷总量。从学生的角度分析，反馈的结果可以让学生查漏补缺，激发学生的学习动机，使学生产生内在的学习需求，从而提高其相关认知负荷，对下一次的学习活动有很好的奠基和指导作用;从教师的角度分析，评价贯穿于问题式教学的整个过程，教师可以根据学生课堂协作探究的情况优化调整学生分组结构，还可根据学生解决问题的情况对问题情境进一步优化等，从而有效降低学习者的外部认知负荷。

三、基于认知负荷理论的问题式教学案例

通过对基于认知负荷理论的问题式教学模式每一个环节认知负荷情况的分析，以及怎样使问题任务的认知负荷总量在学习者的认知负荷范围内的进一步论述，本研究从理论上阐明了在认知负荷理论的指导下，怎样达到优化问题式教学、实现学生高效学习的目的。但还需结合具体的教学内容进行实践论证，因此，本研究将基于认知负荷理论的问题式教学模式应用于教学实践并进行效果分析。

（一）实践流程

本研究将基于认知负荷理论的问题式教学模式应用于四年级数学的教学实践中，以下将以四年级数学上册的课程“神奇的莫比乌斯带”为例，具体阐述实践的过程。教学实践按上述的创设问题、解决问题、展示成果和汇报总结、反思评价四个阶段展开，在每一阶段中都会运用一定的教学策略调控每一个阶段可能产生的认知负荷。

1.创设问题情境阶段

教师首先进行学习者分析，了解学生头脑中已有的知识结构，并对全班同学进行分组;进一步分析教学内容，并结合认知负荷理论，确定本节课的教学目标为在学习者认知负荷范围内，通过动手实践，了解“莫比乌斯带”及其特征，激发学生学习数学的热情;然后分析学生已有的图式结构与问题任务间的关联程度，在确保完成教学目标的前提下，设置和学习者已有的认知结构关联度最高的问题任务;最后依据各类认知负荷的影响因素，用最简洁明了的语言描述任务题目，创设符合学生认知规律的问题情境。

2.解决问题阶段

首先将问题设置为由易到难的序列，上一个问题的答案可以辅助解决下一个问题，并且借助多媒体或是其他工具合理设置多种问题呈现方式，利用视频或动画等形式引入问题从而有效降低外部认知负荷。例如针对怎样将长方形纸条对折，实现只有一个面的问题，教师可安排学生观看过山车的动画或视频，引导学生观察过山车运行的轨迹，尝试对问题提出假设;然后小组通过实践验证假设，进而找到解决问题的方法。通过实践将错误方法排除，通过讨论交流整合信息，可降低学习者的外部认知负荷;教师采取恰当适时的强化措施，合理安排合作和竞争，尽可能帮助学生通过解决问题增强自信心，提高学习兴趣，从而提高相关认知负荷。

3.展示成果和总结汇报阶段

问题解决之后，学生代表进行总结汇报，汇报展示的小组重新梳理问题解决的过程，通过复习和巩固问题完善解决问题的图式结构，并通过听取其他小组的汇报，进行组间交流，学习解决问题的新思路、新方法，进一步整合知识图式，有效控制内部认知负荷，为下一次的学习活动打下良好的基础;教师在汇报阶段注意总结学生汇报过程中的问题并及时解决、强化重点，帮助学生梳理知识结构，完成图式的构建及自动化，有效控制内部认知负荷，以使下一次的问题解决更加高效。

4.反思评价阶段

综合多方面对整个学习活动进行多元评价，包括学生制作莫比乌斯带的情况、在小组探究活动中的表现以及汇报的情况等。教师根据小组表现适当调整分组结构，以最大化发挥小组协作学习的优势;根据学生在问题解决过程中的认知负荷情况，调整优化问题情境，包括问题任务的复杂程度、呈现方式等多个方面;根据学生在问题解决的具体情况优化教学设计，控制问题任务产生的认知负荷在学习者的认知负荷总量范围内，让问题式教学在认知负荷理论的指导下更高效地实施。

（二）效果分析

经过实践探索，基于认知负荷理论的问题式教学取得了良好的实践效果。具体体现在以下几个方面：首先，学生的学习效率得到了有效提高，学生在进行符合认知规律的探究活动时，自身的积极投入以及教师及时有效的指导使学习效率得到了有效提高;其次，学生通过积极参与实践活动，其學习质量也得到了提高，观察学生在问题解决过程中的表现，发现大多数学生已经形成了完整的知识图式结构，这就意味着当再次遇到同类问题时，学生可以快速调取头脑中已有的图式结构解决问题;最后，学生的学习兴趣也得到提升，学生通过积极参与问题解决探究活动，在完成与自身认知和能力相匹配的学习任务后，自身成就感也得到加强，大多数学生对数学保持了较高的学习热情。因此，我们认为认知负荷理论对问题式教学的实施有积极意义。

四、优势及建议

（一）优势分析

通过上述对基于认知负荷理论的问题式教学理论及实践的论述，发现认知负荷理论为问题式教学的发展带来了新的思路，基于认知负荷理论的问题式教学相比传统意义的问题式教学存在一定的优势。

1.以认知负荷理论作为指导，为问题式教学发展提供新视角

问题式教学模式的构建和实施都已相对成熟，现有问题式教学模式都是以建构主义为指导，倡导以学生为学习活动的中心，通过解决问题来完成知识的建构。而认知负荷理论的理念是通过控制认知负荷总量，尽可能使学生实现自适应学习，不产生额外的学习负担。由此，认知负荷理论从一个新的视角为问题式教学的发展提供了指导。

2.学生通过解决问题掌握知识图式，实现高效学习

问题式教学本身就是围绕问题开展教学活动的一种教学模式，问题设置是问题式教学非常重要的部分。运用认知负荷理论指导问题情境设计，不仅可以使学习者获取知识技能，还可以使学习者掌握一系列问题的解决方法，即掌握一类问题的解决图式。学习者再次遇到同类问题时，不需要耗费认知资源来加工问题信息间的关系，可以直接调取问题解决图式解决问题，从而实现高效学习。

3.课堂活动以问题为主线，注重培养学生的问题意识

问题式教学以问题序列为主线开展课堂活动，其目的不仅要培养学生解决问题的技能，还要学生在不断解决问题的过程中发现问题，逐步培养问题意识，这才是问题式教学的重要意义。在认知负荷理论指导下，在教学过程中教师会通过不断引导、合理安排奖惩以及学生之间的合作竞争关系，使学习者在认知负荷范围内完成一系列学习任务，获得较良好的学习体验。因此，以认知负荷理论为基础构建的学习活动，不仅能够实现培养学生问题意识的目的，还能在一定程度上提高学生的学习兴趣。

（二）建议

为使基于认知负荷理论的问题式教学更加完善和成熟，此处从问题式教学的三要素教师、学生、问题情境出发，对基于认知负荷理论的问题式教学的实施提出以下建议：

1.问题情境设计要有“方”

问题情境创设的好坏会直接影响问题式教学的质量。因此，设计问题情境要注意一定的方式方法。比如，问题选取要和教学内容密切相关，问题阐述要清晰明了，问题设置难度要适宜，问题序列要由简单到复杂循序渐进等。以认知负荷理论为指导，探讨优化问题情境的方法和实施路径，方能使基于认知负荷理论的问题式教学进一步发展。

2.强化教师的指导

教师在问题式教学中的作用是不容忽视的，不论是前期问题情境的设计，还是教学活动的组织安排、贯穿始终的教学评价都强调教师的引导作用，尤其是教学活动的组织安排。小组探究过程中教师适时引导、恰当提示问题解决的方向等，可以降低学习者的认知负荷，从而提高学习效率。

3.提高学生的参与意识

问题式教学相对传统教学模式而言，对学生的自主性有更高的要求。学生也是整个学习活动的中心，提高学生的参与意识对问题式教学的成功实施是非常关键的，学生的高度参与会直接提升其解决问题的效率和质量，也会间接提高学生的学习兴趣。如果学生能够积极认真参与学习活动，就可以很快掌握知识结构，从而提高自信心。

五、结语

基于认知负荷理论的问题式教学模式立足于学生本身的认知过程，在培养学生形成问题意识、促进学生形成完整图式结构的同时，还能提高学生的学习效率和学习兴趣。基于认知负荷理论的问题式教学符合教育改革及素质教育对人才培养的要求，不仅为问题式教学的变革提供了一个新的方向，也为教育教学理论和实践的发展提供了有益的参考和借鉴。在理论方面，基于认知负荷理论的问题式教学模式从学习者的认知结构和认知规律出发，从信息加工的角度分析学生的认知加工过程，通过调控各类认知负荷的影响因素，进而控制任务产生的认知负荷总量在学习者的认知负荷范围内。在实践方面，基于认知负荷理论的问题式教学模式为教学实践提供了更具操作性的指导，运用一定的教学策略降低问题式教学实施的每个阶段中可能出现的内、外认知负荷，并提高相关认知负荷，使学生实现了认知负荷范围内的高效学习。

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（责任编辑 乔磊）