基于认知负荷理论的初中物理线上课堂教学

周盼盼 袁海泉

[摘 要]学习是学生自己建构认知结构的过程，认知负荷理论旨在减少教学过程中认知资源不必要的浪费，采用合适、有效的教学手段管理学习者的内在认知负荷，减少外在认知负荷，增加学习者的相关认知负荷，从而提高学习者的学习效率。当前，互联网技术飞速发展，线上教学已经变得非常普及和必需，为了提高初中物理线上教学质量，笔者选取苏科版八年级上册“运动的相对性”一节，基于认知负荷理论进行线上教学。从策略上来讲，线上教学也需要“创设问题情境”“巧设渐进问题”“组织互动体验活动”等。文章对初中物理线上教学进行分析探讨。

[关键词]认知负荷理论;初中物理;线上教学

[中图分类号]    G633.7        [文献标识码]    A        [文章编号]    1674-6058（2021）32-0045-03

初中物理线上教学就是通过互联网在线的方式对初中物理进行教学，这种教学模式给教师和学生提供了很大的便利，作为未来教育中非常重要的一种辅助教学方式，自然也受到了各界的关注与重视。但是由于其应用还不是非常成熟，所以在实践过程中，学生会出现不必要的认知负荷，降低了线上教学的有效性。认知负荷理论在初中物理线上教学中的应用，不仅能够使教师对学生的学习情况有进一步的了解，还可以对线上教学设计提供强有力的指导。笔者基于认知负荷理论对线上教学“运动的相对性”一节进行设计，旨在使学生能够利用有限的认知资源，合理控制学习的认知负荷。

一、认知负荷理论概述

认知负荷理论是由澳大利亚认知心理学家约翰·斯威勒于1988年首先提出来的。它主要研究的是在复杂的教学过程中，通过控制记忆负荷，最大限度地降低阻碍学习的认知负荷。人的认知资源是有限的，人脑的认知资源如果被非常多的任务同时占用，就会出现人脑占用的资源大于人的认知资源整体数量的现象，最终会影响人的记忆效果。因此，线上物理教学，需要教师充分了解学生的认知水平，合理设计教学方案，从而降低学生的学习障碍，激发学生的学习兴趣。认知负荷主要分为三类：内部认知负荷、外部认知负荷和关联认知负荷。内在认知负荷是由学习材料的复杂程度产生的负荷，取决于学习材料的难易程度和学习者的经验水平，教师一般对其影响较小。外在认知负荷也称之为无关性的认知负荷，其主要是由学习材料的组织和呈现方式决定，外在认知负荷往往会干扰学习。还有相关认知负荷，其主要是促进学习者图式建构与图式自动化，相关认知负荷越多，越有助于学习者理解学习材料。

根据认知负荷理论，线上教学之所以存在较大的学习困难，是因为线上教学时教师对学生的监管力度被大大削弱，还有线上教学毕竟是在虚拟空间中展开的，教师对学生活动和实验演示环节的调控作用都会受到限制，从而引发外在认知负荷过重，增加学生负担。

因此，在线上教学中，教师需要尽量降低外在认知负荷，增加相关认知负荷。通过互联网技术将声音、文字、视频、动画等进行完美结合，直观形象地展示教学内容，降低外在认知负荷的影响。还可以在教学中加入更高级的认知活动，激发学生思维，使学生在原有认知层面上有更进一步的提升。例如理科学习中的一些推理、研究、分析、判断等问题都可以增加学生的相关认知负荷。

二、基于认知负荷理论的“运动的相对性”线上教学策略

根据认知负荷理论的基本原理，笔者对线上课堂教学进行重新设计。遵循化繁为简、循序渐进的原则，将零碎的物理知识图表结构化，巧妙创设问题情境，使知识可视、可听，组织线上互动体验活动，形成基于认知负荷理论的线上物理教学。下面以苏科版八年级上册“运动的相对性”为例具体谈一谈教学策略。

1.巧妙创设问题情境

外在认知负荷主要是教学材料的呈现方式，可以通过多媒体资源（动画、视频、仿真实验等）生动形象地向学生展现物理课堂的巨大魅力，充分发挥“双重感官效应”，并且教师的课件要图文并茂、情境生动，通过视听结合双重感官来实现教学目标，从而大大降低学生的外在认知负荷。为了提高学生线上学习的积极性与热情，线上物理教学设计中的引入环节至关重要。笔者在“运动的相对性”线上教学中首先播放世界万物运动的视频，震撼的画面与音乐，让学生脱口而出：世界是运动的。在学习“运动还是静止”的时候，笔者通过视频播放“嫦娥五号”发射情景、“运动员滑雪”情景、“爬樹的雪乌龟”等，总结归纳出“研究对象、参照物等概念以及判断静止和运动的方法”。在学习“运动的相对性”时，笔者播放“两个直梯向上运动”视频，并提出问题：梯子运动了吗？相对于什么而言？还展示了诗词“坐地日行八万里，巡天遥看一千河”并配上应景图片，提出“日行八万里”是相对什么而言的，等等，进一步让学生理解“运动的相对性”。在讲运动相对性的应用时，笔者展示了“加油机给受油机加油”“同步卫星绕地球飞行”“风洞实验”等的视频。通过视听结合，让学生感受物理知识在生活中的运用。这样，不仅增强了物理教学的趣味性与可读性，还提高了学生的学习兴趣。在本节课结尾，笔者播放西游记中“孙悟空腾云驾雾”的视频，并提问学生：如果你是导演，这个片段该如何拍摄？学生纷纷说出自己的想法。通过这个思考题来增加学生的相关认知负荷，帮助学生进一步理解本节课内容，达到学以致用的目的。

2.密搭台阶，巧设渐进问题

内在认知负荷不仅与学习材料有关，还与学习者在某一领域的认识水平有关。知识不是机械地灌输给学生的，必须要靠学生根据已有的知识经验去建构，而建构的过程就是解决问题的过程。因此在线上教学中，教师提出的问题需要依据学生已有的知识经验，由易到难，层层递进，逐步引导学生实现知识的主动建构。在讲授“运动的相对性”时，首先通过视频画面播放“小小竹排江中游，巍巍青山两岸走”，然后再“密搭台阶”，提出渐进问题，帮助学生解决困惑，具体如下：

师：思考“竹排游”是以什么为参照物的？

生：青山。

师：那“青山走”又是以什么为参照物的？

生：竹排、人。

师：可以说竹排是静止的吗？

生：可以。

师：如何分析？

生：相对人而言，竹排是静止的。

通过这种渐进式提问，不仅可以帮助学生巩固所学的参照物概念，还可以帮助学生建构新知，从而有效提升学生的认知水平。

3.开展互动体验式教学

传统的物理课堂教学中，学生活动是必不可少的，引导学生参与、动手操作、自主实验、互动交流，不仅可以调动学生的学习积极性，集中学生的注意力，还能达到探究实验的目的。而线上教学，学生和教师各处于网络的两端，导致教师对课堂教学的把控以及与学生的互动存在问题。笔者所在学校开展线上教学时采用的是腾讯课堂App，教师在讨论区发送问题，学生在讨论区里呈现不同的观点。在讨论中教师再设置其他问题，还可以开通App中的举手功能，指定学生语音形式与教师对答、讨论。在讲解“运动的相对性”这一概念前，笔者为了让学生有真实体验和探究，设计了学生体验活动：把物理课本放在桌子上，课本上放铅笔盒，推动课本使它缓慢移动。分析铅笔盒、课本、桌子相对于彼此是静止的，还是运动的。然后由教师进行启发，学生总结得出结论：对于同一个物体，可以认为它是运动的，也可以认为它是静止的，因为选择的参照物不同，运动的这种性质就叫运动的相对性。教学中笔者运用腾讯课堂中的屏幕共享功能，展示了三位学生的活动体验过程，并选其中一位为代表，给学生分析。这种线上教学模式学生非常感兴趣，在观察其他同学实验活动时，学生非常专注，并且在讨论群里讨论得很激烈。实质上，学生只有在深入体验后，才能更加立体地建立概念。这种教学方式遵循了先情境后语义、化抽象为具体的原则，极大地降低了外在认知负荷对学生学习的影响。

4.物理知识图表化

Pollcck等人的研究表明，当学生的学习材料比较复杂时，教学可以通过将知识板块化、结构化，然后分段呈现学习材料，同时要注重构建材料之间的联系，做到承上启下，由此才能达到降低初学者认知负荷的效果。就物理学科而言，由于其学科特点，自身具备完备的知识体系，所以在线上教学中，物理教师可以将本节课内容以图式的形式进行总结。这样不仅能够降低学生学习记忆中的“冗长”信息，还有利于学生理解物理知识之间的内在联系。比如在总结如何判断物体是运动还是静止的方法时，总结研究对象、参照物等概念时，笔者以结构图形式，结合语言表述，给学生整理出清晰完备的知识体系，降低学生的内在认知负荷。

基于认知负荷理论的线上物理教学符合物理课程目标与教学改革对人才培养的要求，这一理论不仅为线上教学提供了一个新的方向，也为线上教学理论与实践提供了有益的参考和操作指导。它是从学习者的认知结构和认知规律出发，通过研究线上物理教学的各种策略，培养学生的问题意识，促进学生形成完整的图式结构，提高学生的学习积极性与兴趣，从而降低教学中学生的内、外认知负荷，提高相关认知负荷，使学生完成学习任务。

[   参   考   文   献   ]

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（责任编辑 易志毅）