基于认知负荷理论的物理教学策略

顾燕萍 周丽萍

摘   要：以资源有限理论和图式理论为基础的认知负荷理论主张在教学中通过合理分配资源提高学习效率，结合物理教学，以“牛顿第二定律”为例，提出基于认知负荷理论的物理教学策略。

关键词：认知负荷;物理教学策略;牛顿第二定律

物理作為中学阶段的重要学科之一，部分学生在物理的学习上存在困难，一方面由于物理学科具有较强的专业性和实践性，内容自身有一定难度，另一方面教学过程中若出现学习活动过于复杂、信息传递不通畅等现象也会造成学生的学习困难。比如在“牛顿第二定律”的学习中，学生不仅要完成探究实验，还要分析物理量之间的数学关系，牛顿第二定律的应用也是学习难点。利用认知负荷理论分析学生学习过程中的负荷类型，针对学生认知过程中的困难提出相应的教学策略，可促进学生的图式建构和图式自动化。本文以“牛顿第二定律”的教学为例，从认知负荷的角度分析物理教学并提出降低认知负荷的相关策略。

1  物理教学的认知负荷分析

认知负荷理论主要从引导资源合理分配的角度为教学提供心理学的理论依据[ 1 ]。为了提高学生学习效率，教师在教学过程中要针对教学内容进行负荷分析，根据Sweller等人对认知负荷类型的划分，可以从内在认知负荷、外在认知负荷和相关认知负荷三方面分析物理学习中的认知负荷，如表1所示。

表1  物理教学中的认知负荷分析

根据认知负荷理论在教学设计中应用的基本原则：降低内在、外在认知负荷，提高相关认知负荷，结合物理课程特点，从教师角度提出如表2所示的教学策略优化模式。

表2  基于认知负荷理论的教学策略

2  基于认知负荷理论的教学策略

2.1  课前分析内容 明确内在认知负荷

内在认知负荷由学习内容本身决定。教师课前准备的主要任务是分析学习任务对学习者认知过程中的负荷影响及学习者的先前经验。由认知负荷种类的划分可知影响学习者认知过程的主要因素包括学习内容、学习内容的呈现方式及个体的先前经验。以“牛顿第二定律”的教学为例，人教版教材中是基于探究加速度与力、质量关系的实验，建立直角坐标系分析数据得到F=kma，再由单位决定k值，得到牛顿第二定律，其学习过程包含的认知负荷如图1所示。

牛顿第二定律的学习任务主要包括：完成探究a与F、m关系的实验，明确三者之间的定量关系，理解牛顿第二定律及其应用。学生在此之前已完成探究小车速度随时间变化的规律实验，了解实验的基本过程及相关实验器材的使用，熟知牛顿第一、第三定律，了解力是改变物体运动状态的原因。

认知负荷分析：教师通过具体分析学习任务明确教学目标，可提前将复杂任务根据学习者特征划分成若干简单任务，让学习任务与学习者有效关联，降低其认知过程中的内在认知负荷，提高相关认知负荷。

2.2  创设关联情境 提高相关认知负荷

相关认知负荷是指由图式建构与图式自动化引发的认知投入度，即学习者意欲分配给新信息的认知资源数量[ 2 ]，一方面，相关认知负荷能帮助学习者将新信息组合成有序体系进行处理，另一方面，相关认知负荷的增加还有利于提高长时记忆中图式的规模和质量。在物理教学中创设与学习者长时记忆相关联的情境，学习者会减少对学习活动的监控和对学习策略的关注，投入更多的资源到更深层的图式建构和存储中去，从而促进信息加工[ 3 ]。

比如在“牛顿第二定律”的教学中，教师可播放精彩的赛车比赛，赛车虽然质量小，却能获得较大的加速度，由此引发学生讨论加速度与哪些因素有关。学生联系前面的学习内容可知力是改变物体运动状态的原因，质量大的物体运动状态不易改变，加速度与质量和力之间一定存在某种关系。

认知负荷分析：物理现象遍布学生的日常生活，相关情境的创设可帮助学习者突破新任务的入门壁垒，减少内在认知负荷，学习者利用自身长时记忆中的图式对新任务进行梳理排列，可提高相关认知负荷。

2.3  引导实验探究 降低内在认知负荷

物理学习是不断发现问题解决问题的过程，实验是物理学习的基础，学生在学习过程发现问题时内在认知负荷较高，可鼓励他们通过科学探究解决问题。

探究加速度与力和质量关系的实验包含两个探究任务：探究a与F的关系、探究a与m的关系，在此之前学生没有在某一实验中同时探究两个任务，教师可引导学生将其划分为两个独立的实验，利用控制变量法进行探究。在探究牛顿第二定律的实验中，可将其分为（1）对同一辆小车，通过改变砝码的个数来改变小车所受拉力，测量不同拉力下小车的加速度并记录数据;（2）保持小车所受拉力不变，测量不同质量小车的加速度并记录数据，这两个实验。

一般教学中教师在实验时会描述“控制小车质量不变或改变小车质量”，这与学生的已有的认知：“物体质量是物体的固有属性，不是变量”相冲突[ 4 ]，内在认知负荷增加，因此教师在描述实验时可强调第一个实验是针对“同一物体”，第二个实验是针对“不同物体”，明确研究对象;进行实验前可将整个实验过程以表格形式完整展示出来，帮助学生了解实验目的和步骤，降低外在认知负荷。

学生需要花费较多时间分析处理实验数据，在此过程中学生倾向关注数据的数学处理而非实验的研究目的，外在认知负荷较高，因此可以利用计算机准确高效地处理数据，降低外在认知负荷。

如图2所示，利用EXCEL可快速分析a与F、m的关系。a-m图像成一条曲线，考虑到实验存在误差，可将图像转化为过原点的一条直线。由a-拟合直线可知，当小车所受合外力不变时，a与m成反比。

a-F的拟合直线始终通过一、三象限，对同一小车而言（质量一定），a-F拟合直线表明了a与F之间的对应性和同向性[ 5 ]，即F消失时，a也消失;F为负值时，a也为负值，F与a均为矢量，这里的正负是指方向。

图2  用计算机分析实验数据

通过数据分析得到a与F和m的关系：F=kma，一般得到该结论后教师会直接告知学生k=1，学生内在认知负荷较高，教师可以向学生解释：在国际单位制下，质量为1 kg的物体产生1 m/s2的加速度时，所受的合外力为1 N，于是k==1。

认知负荷分析：面对较为复杂的实验时，教师可适当的提供“脚手架”，帮助学习者细化复杂任务，降低探究难度，减少内在认知负荷，对于与教学目标无关的认知活动，可借助其他资源降低外在认知负荷，引导学习者进行自主探究可促进图式建构，提高相关认知负荷。

2.4  突显有效信息 降低外在认知负荷

外在认知负荷受学习材料的组织和呈现方式的影响较大。信息技术的飞速发展为物理教学带来更多生动直观的内容展示方式，不少课件过于追求视觉效果，在教学过程中呈现不必要的冗余信息，比如背景音乐、装饰图片等，无用信息会占用学习者的工作记忆空间，外在认知负荷增加，因此在课件制作上应尽量简洁，条理化展示授课内容，突出关键信息[ 6 ]。

比如在实验部分，可用表格完整展示实验方案，介绍实验仪器时，在同一张课件中同时展示文本和图片，并将实验器材与名称一一对应。尤其是在课堂教学结束后进行教学总结时，利用如图3所示的思维导图形式归纳知识点，可使整个牛顿运动定律的内容一目了然，帮助学生构建知识框架。

认知负荷分析：适当简化课件，突出重点内容，条理化展示授课内容，一方面能引导学生将资源更集中地分配到学习任务上，有效降低外在认知负荷，另一方面可以引导学生形成知识框架，提高相关认识负荷。

2.5  展示圖式样例 促进知识迁移

有解样例效应[ 1 ]认为考察有解样例能达到更好的学习效果，在进行样例教学过程中可逐渐减少支架支持，自后向前逐步消除解题步骤[ 7 ]，即先呈现一个完整的解题步骤，在第二个问题中省去最后一步，在第三个样例中消除最后两步，以此类推，直至最后只呈现一个目标问题。如表3所示，在高中阶段，牛顿第二定律的计算大致有以下几类。

认知负荷分析：认知负荷理论认为学习者在学习样例时，教师要帮助学习者尽量减少错误解题，引导学习者关注样例解题的图式。通过学习一定数量和类型的有效样例，可减轻学习者的认知负荷，促进知识的迁移，实现认知自动化，将新信息纳入长时记忆的图式中。

3  小结

有效教学应在学习者的已有经验基础上，通过指向明确的认知活动，引导学习者将工作记忆转化为长时记忆。根据认知负荷的划分，在物理教学过程中，适当细化复杂任务，鼓励学习者进行科学探究，可有效降低认知过程中的内在认知负荷，整合教学资源，充分利用信息技术，减少冗余效应，可以降低外在认知负荷，提高相关认知负荷，有效合理的样例学习是学习者将工作记忆转变为长时记忆最好的方式。

参考文献：

[1] 张慧，张凡.认知负荷理论综述[J].教育研究与实验，1999（4）：45-47.

[2] 吴沛豪，雷庆，罗琬华.基于认知负荷理论的物理概念图教学策略[J].安庆师范学院学报（自然科学版），2008，14（1）：91-93.

[3] 董斌.认知负荷理论对物理教学设计的启示[J].物理教学探讨：中学教学教研专辑，2011（9）：70-72.

[4] 高嵩，田宇，邵梦媛.基于推理的"牛顿第二定律"教学思考[J].物理教学探讨，2021，39（3）：75-80.

[5] 冯利，于海波.牛顿第二定律教学应该注意的几个问题[J].中学物理（高中版），2011，29（7）：32-33.

[6] 郑兰花，黄树清.认知负荷理论在物理实验教学中的运用[J].物理通报，2020（12）：113-115.

[7] 郭海昌.基于“学习进阶理论”指导下的教学设计——以“应用牛顿第二定律求解加速度”为例[J].理科考试研究，2021，28（3）：45-48.