基于认知负荷理论的物理课堂教学变革

任少铎

摘   要：认知负荷理论认为当学习活动要用到的认知资源总量超过了个体具有的认知资源总量时，就会造成认知超负荷，学习活动就会随之变得低效甚至无效，这对当前的课堂教学有着极其重要的启发作用。基于认知负荷理论，以“探究电流与电压、电阻的关系”实验教学为例，通过研读教材，结合学生的知识图式，对现行的教学路径进行深度变革，如此可降低学生的内外认知负荷，提高学生学习的有效性，进而可切实提升学生的物理学科核心素养。

关键词：中学物理;认知负荷;教学变革;滑动变阻器

中图分类号：G633.7    文献标识码：A    文章编号：1009-010X（2021）17-0031-05

认知负荷理论认为个体的认知资源是有限的，学习活动中任何信息的加工和处理都要消耗认知资源，都会产生认知负荷，随着要加工和处理的信息数量的增加，认知负荷也会随之增加，一旦认知超负荷，学习将会变得低效甚至无效，这对当前的课堂教学有着极其重要的启发作用。即教学不能只关注教学设计的逻辑是否严密、活动是否丰富，还要关注学生加工信息所需要的认知资源是否会超过学生具有的认知资源总量。因此，在教学过程中应当基于学生的知识图式合理设置任务、打磨教学路径，以降低阻碍学生学习的认知负荷、增大促进学习的认知负荷，如此可提升学生学习的有效性，进而可提升学生的物理学科核心素养。

一、认知负荷理论

（一）认知负荷理论的概念及理论基础

认知负荷理论最早由澳大利亚认知心理学家J·Sweller于1988年提出。经过二十多年的发展，该理论已成为继建构主义后又一个对课堂教学有重要指导意义的心理学理论。认知负荷指的是个体在信息加工和处理的过程中需要投入的认知资源总量。资源有限理论、图式理论是其基础理论。认知负荷理论认为：长时记忆和工作记忆共同组成了个体的认知架构，其中长时记忆容量无限，工作记忆容量有限（7±2个组块）。在任何学习活动中，所有的新信息加工和处理都需要占用工作记忆。根据资源有限理论，任何学习活动都要消耗认知资源（主要体现为工作记忆），一旦认知超荷，学习将会变得低效甚至无效。根据图式理论，知识以图式的形式存储于个体的长时记忆中，在学习新知识时，可将新知识归类于个体已有的知识图式，归类过程是自动化的，不会消耗认知资源，所以可以降低个体的认知负荷。

（二）认知负荷的分类

认知负荷理论将学习过程中的认知负荷分为内部认知负荷、外部认知负荷和相关认知负荷。

1.内部认知负荷。内部认知负荷是由元素间的交互作用形成的负荷，与个体已有的知识图式和任务的复杂程度有关。个体在学习过程中，需要将各种信息在工作记忆中进行加工、整合。如果任务较复杂，或者超过了个体原有的知识水平，那么就需要耗费大量的工作记忆去加工和处理这些信息，这就增大了个体的内部认知负荷。

2.外部认知负荷。外部认知负荷是额外负荷，是阻碍学生学习的认知负荷。外部认知负荷主要是由不合理的教学设计引起的，教学活动中不合理的教学设计、不畅通的信息传递渠道都会导致个体在主动认知活动中需要额外处理的信息增多，由此会增大学生的外部认知负荷。

3.相关认知负荷。相关认知负荷是指与图式构建及自动化过程相关的负荷。在学习活动中，个体的内部认知负荷和外部认知负荷没有用完所有的认知资源时，可将剩余的认知资源分配于自主认知和建构活动中，这个过程会消耗认知资源并产生认知负荷，我们将其称之为相关认知负荷，它对学习有促进作用。相关认知负荷是有效认知负荷，并不是所有的剩余认知资源都会被用于自主认知活动，学习者的学习动机越强，剩余认知资源的利用率越高，有效认知负荷的水平也就越高。因此为了使学习者的有效认知负荷达到最高，教学活动一定要设计成可以有效激发学习者学习动机的形式。

4.三種负荷间的关系。认知负荷总量等于内部认知负荷、外部认知负荷及相关认知负荷三者之和。在教学活动中，教师应当结合学生的知识图式设计难度合理的任务，以降低学生的内部认知负荷;精心设计教学路径，以降低学生的外部认知负荷，进而使学生有更多的认知资源可用于有意识的认知加工活动中（相关认知负荷）;并创设有利于激发学生学习动机的教学活动，以提高学生剩余认知资源的利用率，提高有效认知负荷。

二、基于认知负荷理论的物理课堂教学策略

（一）研读课标和教材，分析知识的特征

《义务教育物理课程标准（2011年版）》（以下简称《课标》）对本实验的要求是：通过实验，探究电流与电压、电阻的关系。本实验是《课标》中20个学生必做实验之一，《课标》对其的要求是理解层次。本实验是探究欧姆定律的基础，而欧姆定律是整个电学的基石。学生对实验过程及数据处理的理解程度，直接决定了本节的学习效果。在操作过程中，本实验又可具体分为“探究电流与电压的关系”和“探究电流与电阻的关系”两个实验。

（二）分析学情，明确学生的知识图式

在此之前，学生已经掌握了控制变量法，且能够熟练运用;了解了电源、电阻等元件的特性，掌握了串并联电路的电流、电压关系，并能熟练迁移和运用;了解了滑动变阻器及其用法，知道滑动变阻器可以改变定值电阻的电压，但因为缺乏理解（因为还没学欧姆定律，学生并不知道滑动变阻器改变定值电阻电压的具体原理），学生没有形成知识图式，所以不能对其进行熟练的运用和迁移。

（三）分析现行教学路径下学生的认知负荷

对于实验设计，各版本教科书在两个实验（“探究电流与电压的关系”和“探究电流与电阻的关系”）中均用到了滑动变阻器，用滑动变阻器改变定值电阻两端的电压或控制定值电阻两端的电压不变，并先后完成了三次实验，最后根据实验数据得出了普遍结论。这种实验设计的方式需要消耗较大的认知资源，因此会形成较大的认知负荷。

1.“探究电流与电压的关系”实验的认知负荷分析。尽管学生已经掌握了控制变量法，但由于电学概念的抽象性，此过程（根据实验目的得出需要控制电阻不变，改变其电压，观察其电流的变化）仍然需要消耗一定的认知资源，因此会形成一定的内部认知负荷。

教科书（以人教版为例）采用滑动变阻器改变定值电阻两端的电压，但由于学生不具备相应的知识图式，因此需要耗费大量的认知资源去应对“滑动变阻器改变定值电阻电压”这一步骤，这无疑会增加学生的内部认知负荷。

教科书通过移动滑动变阻器进行多次实验得到多组数据，但由于实验不是同时进行的，而是先后进行的。因此学生需要消耗一定的工作记忆去记住本次实验与前后实验的关联和区别，此种先后进行实验的教学设计增加了学生的外部认知负荷。

三次实验后，根据实验数据得出结论时，由于内部认知负荷和外部认知负荷偏高，学生可用于认知活动的认知资源已经明显偏少，这会导致学生的学习效率降低，少数认知负荷最大量不高的学生，已经认知超荷了，甚至会导致学习无效。

2.“探究电流与电阻的关系”实验的认知负荷分析。在实验中，控制变量法的使用消耗了学生一定的认知资源。教科书用不同的定值电阻分别进行实验，所以每次实验都需要断开开关，并重新连接电路，尽管学生能熟练连接电路，但此过程仍然会消耗一定的认知资源。

由于几次实验是先后进行的，所以每次更换完定值电阻后，都需要消耗一定的工作记忆去记住本次实验与前后实验的关联和区别，这会消耗一定的工作记忆，也增加了外部认知负荷。

在更换完定值电阻后，需要控制定值电阻两端的电压不变，此时不少学生的工作记忆已经超载（已经遗忘要控制电压不变这一前提了），没有超载的学生也接近满负荷了，然而接下来教科书采用移动滑动变阻器控制定值电阻两端电压不变的设计，又进一步增加了学生的内部认知负荷，因此到更换成第三个定值电阻进行实验时，大部分学生已出现了认知超荷。

最后用实验所得的数据进行分析得到结论（此过程也会形成认知负荷）时，大部分学生的学习已经处于无效学习状态了。不少学生直到毕业，仍未能很好地理解该实验（每年各地中考此实验得分率均不高），归根到底，还是认知超荷导致了学习无效。

三、变革教学设计，降低内外认知负荷，提高学习效果

《课标》只要求通过实验，探究电流与电压、电阻的关系，并没有指定具体的实验方案。这意味着只要能帮助学生得出电流与电压、电阻的关系，用其他实验代替也可以，并不一定要用教科书上的实验。因此，有必要对教科书中的实验进行深度变革，改进其实验设计，以降低学生的内外认知负荷，由此可切实提高学生的学习效果。

（一）改进“探究电流与电压的关系”实验，降低认知负荷

实验电路图如图1所示，分别用一节干电池、两节干电池串联、三节干电池串联三种方式同时进行三组实验，通过三次实验的实时对比，学生可以直接观察并得出：电阻一定时，电流与电压成正比。如果担心电流超过电流表的量程，可以先选用电流表的大量程0～3A进行试触，若电流没有超过0.6A，则改用电流表的0～0.6A量程，如果电流超过3A，则更换更大阻值的定值电阻。

在分组实验时，每个小组的定值电阻阻值可以不相同，以获取更多的数据，提高实验结论的可靠性。尽管不能连续改变定值电阻两端的电压，但有三次实验亦可得出普遍结论，因为即使可以连续改变电压，学生一般也只进行三次实验，况且教科书设计的“探究电流与电阻的关系”实验，也无法连续改变电阻的大小，也只是进行三次实验，所以此种改进方案切实可行。

改进后的实验避开了“用滑动变阻器改变定值电阻两端电压”这一操作，改用增加电池个数去改变定值电阻两端的电压，这一设计充分利用了学生已有的知识图式，避开了学生不懂的知识，因此学生的内部认知负荷大大降低。采用三组实验同时进行、同时对比，也降低了学生由于先后实验带来的工作记忆消耗，进而降低了学生的外部认知负荷。改进后的实验，学生还有足够的剩余认知资源可用于自主认知和建构，如此可大大提高学生的学习效率。

（二）改进“探究电流与电阻的关系”实验，降低认知负荷

实验电路图如图2所示，为了增加现象的对比度，可以再接一个电压表（如图3所示），改进后的实验操作简单快捷，原理简单明了，现象直观明显，学生可以通过直观对比得出结论：当电压一定时，电流与电阻成反比。在分组实验时，每个小组的三个定值电阻的阻值可以不一样，电源电压也可以不一样，以获取更多的数据，进而提高实验结论的可靠性。

改进后的实验避开了“用滑动变阻器控制定值电阻两端电压不变”这一操作，改用并联电路控制三个定值电阻的电压不变，这一设计充分利用了学生已有的知识图式，避开了学生不懂的知识，如此可使学生的内部认知负荷大大降低。在一个电路中将三组电流同时对比，避免了每次实验都要更换定值电阻并调节滑动变阻器控制电压不变等一系列复杂的操作，如此可降低学生工作记忆的消耗，进而有效降低学生的外部认知负荷。改进后的实验，几乎所有学生的认知都没有超荷，如此可使学生学习的有效性大大提高。

（三）对教科书中实验的思考及合理利用

教科书的实验方案，有站在终点看起点之嫌。在欧姆定律的内容之前就采用滑动变阻器改变定值电阻两端的电压，这大大加重了学生的内部认知负荷，严重影响了学生的学习效果。在电学入门之时，就用如此超前的实验设计，并不利于学生对欧姆定律这一电学基石的掌握，不利于学生建立良好的电学知识体系，也不利于培养学生良好的科学思维、科学探究等物理学科核心素养。

笔者认为教科书的实验，也有其不可替代的优点。因此在复习电学时，可将教科书中的实验交给学生独立思考、操作，由此可帮助学生串联各个电学知识点，培养学生的综合分析能力。但若新授课就采用教材实验，反而会导致本应帮助学生理解相关知识的实验，成为学生必须记住的累赘。

四、教学启示

（一）课前要深度研读课标、教材和学情

教学的实施必须用《课标》来指导，《课标》是教学的基本依据，教师只有深度研读《课标》，才能明确教学目的，把握教学方向，优化教学方案的设计。同时还要吃透教材，领会教材的内涵，理解教材的编写意图，只有对教材有深入的理解，才能创造性地使用教材。为了更好地促进學生的“学”，教师在备课时应深入研读学生，思考如何将新知识与学生已有的知识结构深（下转第39页）（上接第34页）度融合，以让学生有更多、更充足的时间去思考与交流，进而促进其主动发展。

（二）要有意识地分析学生的认知负荷并优化教学路径

如果教学内容使得学生的认知超荷了，那么再好的教学设计都只是徒劳。教师的“教”是站在终点看起点，一切都是自然而然、顺理成章的，但学生的学习是站在起点看终点，一切都是新的，都需要消耗认知资源。因此教师在教学过程中不仅要思考教学路径的逻辑是否严密，还应该关注知识是否会使得学生的认知超荷。因此在备课时，教师必须深入分析现行的教学设计对学生认知负荷的影响，并合理优化教学路径，尽量降低学生的认知负荷，由此可提高学生课堂学习的有效性。

（三）教师不应把教材当成束缚自己的枷锁

教科书只是教师教学的参考，而不应成为束缚教师和学生思维的枷锁。教师也不应把教科书的教学路径当成上课的标准模式，更不应每节课都按部就班地“复述”课本和教学参考书的内容，复述式的教学很容易导致学生认知超荷。对于加大学生内外认知负荷的设计，应当结合学生的知识图式，大胆创新教学路径，以有效降低学生的认知负荷。如此才能促进学生进入有效学习，学生的物理学科核心素养才会得到真正的提升。