基于认知负荷理论的初中地理有效问题设计策略——以“影响气候的主要因素”为例

陈志斌

（厦门外国语学校, 福建 厦门 361012）

杜威提倡在解决问题的过程中获得知识，孔子主张“不愤不启，不悱不发”，可见提问在教学中的重要性。随着问题式教学广泛应用于各级各类的教学实践，[1]课堂由“满堂灌”变成了“满堂问”。看似充满“问题”的课堂，实则是师生间简单的对话，缺乏思维碰撞的火花，难以激发学生更深入地思考。问题式教学的有效性以适切的问题设计为前提，[2]而部分教师在问题设计时忽视了学生认知水平，对问题的难度和梯度把握不当，问题的呈现方式混乱无序，问题指向不明确，这些都给学生带来了较高的认知负荷。本文运用认知负荷理论，分析湘教版七年级上册“影响气候的主要因素”第一课时教学内容，找出本节课认知负荷产生的原因，探索如何优化设计初中地理课堂问题，以期降低学生的认知负荷，调动学生学习积极性，培养学生地理思维，进而提高教学的有效性。

一、认知负荷产生的原因

心理学家约翰·斯威勒（Jonh Sweller）于1988年提出认知负荷理论，他认为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，[3]外在认知负荷、内在认知负荷以及相关认知负荷组成了个体学习的主要认知负荷。

内在认知负荷是由于信息元素之间交互产生的负荷。学习者的认知水平越低，学习材料越复杂，则会产生大量信息交互，导致内在认知负荷较高。“影响气候的主要因素”（第一课时）对应的课程标准有“举例说明纬度位置、海陆位置、地形等因素对气候的影响”以及“用地理现象说明地球的自转和公转”（部分内容）。本节课按照布鲁姆的目标分类理论属于理解层次，内容较为复杂抽象，涉及到“地球形状与气候”“地球自转和公转及其对气候的影响”等较多知识点。教科书通过文字解说、实验活动以及直观图像帮助学生理解不同纬度太阳高度角的差异带来太阳辐射的差异，但是教科书对于“地球运动与气候”的描述则是简单几句话带过，呈现的图片也较少。学生仅通过阅读教科书，只能获取一些感性而片面的认识，缺乏整体的知识结构。学生对于“地球运动产生的现象及其对气候影响”的学习也只是浅尝辄止。综合上述分析，一方面，这部分学习内容较复杂抽象，另一方面，初一学生的认知水平以及空间想象力有待进一步发展。这些原因都引起了学生较高的内在认知负荷。

外在认知负荷是由学习材料的呈现与组织方式引起的认知负荷。教师在教学活动中不加选择地呈现无序且冗余的学习材料时，学生则会产生较高的认知负荷。“地球形状和地球运动”对应的影响因素是纬度因素，按照教科书提供的问题进行教学设计，可以帮助学生解决单个问题，但不利于学生图式建构。教师在教学设计时，忽视对问题的数量、难度、梯度以及呈现方式等方面的设计，学生就需要在课堂上花费更多时间与精力提取和加工信息，大大增加了外在认知负荷。

相关认知负荷为有效的认知负荷，是学习者形成认知图式及知识结构过程中想要投入的认知资源数量。[4]本节课是初一地理的重难点，若教师没有进行有效的问题设计，很难激发学生的学习兴趣，容易引起学生的畏难情绪和挫败感，相关认知负荷降低，从而降低教学成效。

学生学习时运用的心理活动总量有限，内在认知负荷受到学习者认知水平以及学习材料本身复杂程度的影响，故不可避免。因此，教师进行问题设计时，应注重降低外在认知负荷，以提高学生的学习效率。

二、有效问题设计策略

1.地理问题生活化，生活问题地理化

导入问题的设计，要注重激发学生的探究欲望。地理问题生活化和生活问题地理化有利于提高学生的相关认知负荷，使得学生在学习时愿意投入更多的认知努力。在“影响气候的主要因素”（第一课时）中，笔者设计了导入问题“为什么这个季节早晚比较凉，中午比较热”。学生将发现的“太阳高度与气温的关系”再次用于解释“不同纬度气温差异”时，可体会到学习成就感。从地理视角去解释生活，从生活中的现象学习地理，正体现了义务教育地理课程标准的理念之一：学习对生活有用的地理。

2.明确核心问题，设计问题链

教师在进行问题设计时，要突出核心问题，核心问题的解决有利于降低外在认知负荷，达到以简驭繁的成效。围绕核心问题，设计问题链，问题链以学生的认知规律和地理学科逻辑为出发点，由高低不同层次问题构成，同时要注意问题呈现的次序，由浅入深、循序渐进、环环相扣达到水落石出之效，最终发展学生思维。

“影响气候的主要因素”（第一课时）的核心问题在于地球形状和运动对太阳辐射的分布与变化的影响。为了解决这个核心问题，本节课设置了三个主要问题：同一地点一天中不同时段太阳辐射的差异；同一时间不同纬度太阳辐射的差异；随着直射点的移动不同纬度太阳辐射的差异。三个主要问题的解决又需要借由次要问题达成（见图1）。本节课以问题链为教学主线，重构教学逻辑，从“早晚与中午的温差”入手，探究太阳高度角与太阳辐射的关系，说明地球自转对天气的影响。学生将探究出的规律再次用于解释不同纬度太阳辐射的差异，引出地球形状对天气的影响。最后通过观察太阳直射点移动、昼夜长短与太阳高度角变化帮助学生理解地球公转及其相关现象。这三个主干问题将三个知识点串联在一起，建立了知识点之间的联系，体现了地理课堂的整体性和逻辑性。学生沿着清晰的学科逻辑线路展开学习，投入更多的努力用以图式建构，降低了外在认知负荷，增加了相关认知负荷。

图1 “影响气候的主要因素”问题链

3.适当追问，拓宽思维深度和广度

有时为了贯穿问题链，达成教学目标，教师可以通过适当的追问，从一个问题过渡到另一个问题，拓展学生思维的深度与广度。追问的问题设计要注重问题之间的关联性，使得问题之间承转更为自然，符合学生思维逻辑。追问可以是顺向思维也可以是逆向思维。在本节课中，通过追问“同一时间不同纬度的太阳高度角是否相同”以及“太阳直射点是否会发生移动”进行问题之间的过渡。在探究完公转对气候影响之后，对学生进行逆向追问“假如地球不倾斜，直射点是否会发生移动”。学生在不断地追问中发现问题，逐渐完善知识体系。

4.借助教学演示，巧设问题

切分元素独立呈现和提供辅助信息均有助于控制内在认知负荷。本节课借助实物演示和多媒体动画演示化解重难点，以生动具象的方式呈现抽象的内容，有助于吸引学生注意力，控制内在认知负荷。教学演示不仅在于“演”，更在于“思”。在教学演示时，巧设问题，通过问题的引导帮助学生排除干扰信息，有的放矢地进行观察和思考，降低外在认知负荷。本节课采取了实物演示和多媒体动画演示：在实物演示时，让学生观察手电筒的光斑明亮及大小，并说出产生差异的原因。带着这个演示结果去思考，学生不难归纳出太阳高度角与太阳辐射的关系。在多媒体动画演示地球公转时，设计了以下三个小问题引导学生观察：太阳直射点一年中在哪两条纬线之间有规律地移动；春分、夏至、秋分、冬至太阳直射点分别在哪个位置；随着太阳直射点的移动，昼夜的长短是如何变化的。通过教师精心设计的问题，学生从感性的认识上升到理性的认识，从地球公转运动中归纳出直射点和昼夜长短的变化规律。

三、教学建议

除了上述的问题设计策略，还应该考虑到问题解决方式。教师基于认知负荷产生的原因，预设问题解决方式：哪些问题学生可以通过独立思考解决，哪些问题需要借助小组进行探究，哪些问题需要教师搭建“脚手架”进行引导。同时，一堂课的问题可以支持多种解决方式，让不同层次的学生都参与进来，积极投入到学习活动中。学生学习时的认知心理活动总量是有限的，随着多个问题不断解决推进时，要适时适当梳理核心问题、主要问题和次要问题之间的关系，帮助学生建构知识，形成解决问题的图式建构（见图2）。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。[5]本节课中当学生建构了太阳辐射与太阳高度角的关系图式，便能运用该图式去解决核心问题，减少内在认知负荷。此外，在问题设计时还应注重问题的表述是否清晰明了，语言是否凝练准确，避免增加额外的外在认知负荷。

图2 “影响气候的主要因素”图式建构