恰當進行教學(xué)設(shè)計減輕學(xué)生認知負荷

劉丹+王光明?オ?

【摘要】近年來認知負荷理論逐漸在教學(xué)領(lǐng)域，尤其是在教學(xué)設(shè)計方面，產(chǎn)生越來越重要的影響.教學(xué)設(shè)計不能對內(nèi)在認知負荷產(chǎn)生直接的影響，既即使是恰當?shù)慕虒W(xué)設(shè)計也不會對其產(chǎn)生影響.但是教學(xué)設(shè)計可以改變外在認知負荷和相關(guān)認知負荷，這兩種認知負荷的產(chǎn)生，與教學(xué)設(shè)計的恰當與否有直接關(guān)系.本文在教學(xué)設(shè)計方面所指的認知負荷皆指外在認知負荷量和相關(guān)認知負荷量的總和，以《弧、弦、圓心角》為例，分析當前不恰當?shù)慕虒W(xué)設(shè)計在增加學(xué)生認知負荷方面的問題，據(jù)此提出如何進行恰當?shù)慕虒W(xué)設(shè)計，進而減輕學(xué)生的認知負荷，即運用切割分行或符號標志技術(shù)等呈現(xiàn)定理新形式、對多種形式進行整合、重視小結(jié)環(huán)節(jié).本文提出的教學(xué)設(shè)計方式對數(shù)學(xué)其他方面的教學(xué)設(shè)計具有一定的啟發(fā)作用.

關(guān)鍵詞外在認知負荷；相關(guān)認知負荷；教學(xué)設(shè)計；定理新形式；課堂小結(jié)1認知負荷理論及其對教學(xué)設(shè)計影響

認知負荷理論（Cognitive Load Theory）[1]是由澳大利亞心理學(xué)家約翰·斯威勒（John Sweller）于1988年首次提出并加以發(fā)展的一種理論.認知負荷是指同時被要求施加在工作記憶上的智力活動的全部數(shù)量，即工作記憶必須加以注意和進行處理的所有內(nèi)容.在分析信息結(jié)構(gòu)與認知結(jié)構(gòu)關(guān)系的基礎(chǔ)上，認知負荷理論提出信息加工過程中施加在工作記憶上的三種認知負荷類型：內(nèi)在認知負荷、外在認知負荷和相關(guān)認知負荷[2].近年來認知負荷理論逐漸在教學(xué)領(lǐng)域產(chǎn)生越來越重要的影響.

已有研究表明[3-6]，內(nèi)在認知負荷的高低與材料本身的復(fù)雜程度和學(xué)生的知識水平有關(guān)，教學(xué)很難控制和改變它.外在認知負荷主要由材料中信息的組織和呈現(xiàn)方式?jīng)Q定，這種信息的組織和呈現(xiàn)方式與教學(xué)設(shè)計有關(guān)，教學(xué)設(shè)計不當會增加外在認知負荷.相關(guān)認知負荷是指工作記憶對學(xué)習(xí)任務(wù)進行實質(zhì)性認知而承受的負荷，實質(zhì)性認知是指與形成圖式建構(gòu)與圖式自動化密切相關(guān)的活動[7].認知負荷理論認為，學(xué)習(xí)即是圖式的獲得或圖式加工達到自動化的過程，因此提高相關(guān)認知負荷促進學(xué)習(xí)的發(fā)生，對于教學(xué)來說也尤為重要[8].由此看來，教學(xué)不能對內(nèi)在認知負荷產(chǎn)生直接的影響.但是教學(xué)可以改變外在認知負荷和相關(guān)認知負荷，這兩種認知負荷的產(chǎn)生，與教學(xué)設(shè)計的恰當與否有直接關(guān)系.

在教學(xué)設(shè)計中，沒有相應(yīng)的實踐技術(shù)將外在認知負荷和相關(guān)認知負荷區(qū)別開來，我們只能決定認知負荷總量[9].認知負荷理論致力于探索教學(xué)設(shè)計如何減少外在認知負荷這一問題.近年來，一些研究又發(fā)現(xiàn)，當教學(xué)設(shè)計進行教學(xué)圖式建構(gòu)時，相關(guān)認知負荷便會增加.這類研究的基本主張是：教學(xué)程序的科學(xué)性決定相關(guān)認知負荷的高低，教學(xué)設(shè)計應(yīng)當通過鼓勵學(xué)生參與同圖式建構(gòu)直接關(guān)聯(lián)的有意識的認知加工活動來進一步改善認知負荷總量.另外，越來越多的研究以認知負荷理論為基礎(chǔ)，探究如何在教學(xué)設(shè)計過程中降低學(xué)生的認知負荷總量[10，11].基于很多研究認知負荷量作為外在認知負荷和相關(guān)認知負荷的二者之和.因此，本文所述認知負荷也指外在認知負荷量和相關(guān)認知負荷量的總和.

一些研究發(fā)現(xiàn)目前的教學(xué)設(shè)計存在良莠.有助于減輕學(xué)生認知負荷的教學(xué)設(shè)計是良好的教學(xué)設(shè)計，反之是不佳的教學(xué)設(shè)計[10，11].也即不恰當?shù)慕虒W(xué)設(shè)計會增加學(xué)生的認知負荷[12]，恰當?shù)慕虒W(xué)設(shè)計會減少學(xué)生的外在認知負荷、增加相關(guān)認知負荷，即降低認知負荷總量，使學(xué)生合理地利用有限的認知資源，達到最好的學(xué)習(xí)效果[8].本文擬基于認知負荷理論的視角，以《弧、弦、圓心角》為例，分析當前不恰當?shù)慕虒W(xué)設(shè)計在增加學(xué)生認知負荷方面的問題，然后據(jù)此提出如何進行恰當?shù)慕虒W(xué)設(shè)計進而減輕學(xué)生的認知負荷.

2不恰當?shù)慕虒W(xué)設(shè)計會增加學(xué)生認知負荷

目前，一些學(xué)校對教師教案的例行檢查流于形式，實效性較差，使得教師不重視教學(xué)的設(shè)計，這在一定程度上影響教學(xué)效果的提升[13].另外，許多研究過分關(guān)注教師應(yīng)該如何教才能有效[14].在教育教學(xué)過程中也出現(xiàn)同樣的問題，從一些教學(xué)設(shè)計中分析出，很多教師是從自身的角度出發(fā)，考慮如何對這一節(jié)課進行教學(xué)才能有效率并且有效果，這樣的教學(xué)設(shè)計注重教師的教而忽視學(xué)生的學(xué)[15-17].然而，學(xué)生是有意識的，是學(xué)習(xí)和認識的主體，教師并未考慮到學(xué)生的認知能力，很多環(huán)節(jié)的設(shè)置增加了學(xué)生的認知負荷，給學(xué)生造成了不必要的學(xué)習(xí)負擔.《弧、弦、圓心角》是新人教版九年級數(shù)學(xué)第二十四章圓的一節(jié)重要課程，下面以這一節(jié)課中的關(guān)系定理為例，分析當前數(shù)學(xué)教學(xué)設(shè)計在增加學(xué)生認知負荷方面的問題.

2.1案例——“弧、弦、圓心角關(guān)系定理”的教學(xué)設(shè)計

《弧、弦、圓心角》這節(jié)課中，其中圓心角、弧、弦關(guān)系定理是本節(jié)課教學(xué)的重點內(nèi)容，對定理中的“在同圓或等圓”條件的理解是教學(xué)的一個難點.在已有的教學(xué)設(shè)計過程中，教師利用圓的旋轉(zhuǎn)不變形突破教學(xué)重點，通過舉反例來解決教學(xué)難點，具體教學(xué)過程包括以下幾個方面：

（1）通過實驗，利用圓的旋轉(zhuǎn)不變性，引導(dǎo)學(xué)生得到弧、弦、圓心角關(guān)系定理，讓學(xué)生在定理的空白處填空或者教師直接板書：在同圓或等圓中，如果兩個圓心角相等，那么它們所對的弧相等，它們所對的弦也相等.（2）在該關(guān)系定理中，教師強調(diào)“在同圓或等圓”條件的重要性，并通過舉出反例加深學(xué)生對定理的理解：“如果不加‘同圓或等圓這一條件，定理中的結(jié)論是否成立？”（3）教師引導(dǎo)學(xué)生得到弧、弦、圓心角關(guān)系定理的推論并板書，或是直接給出該定理的推論：在同圓或等圓中，如果兩條弧相等，那么它們所對的圓心角相等，所對的弦相等；在同圓或等圓中，如果兩條弦相等，那么它們所對的圓心角相等，所對的弧相等.在“同圓或等圓中”這個前提下，將題設(shè)和結(jié)論中任何一項交換都是正確的.（4）再通過例題鞏固學(xué)生對弧、弦、圓心角關(guān)系定理及其推論內(nèi)容的學(xué)習(xí).（5）最后是對本節(jié)課的小結(jié)，總結(jié)本節(jié)課所學(xué)的定理的內(nèi)容及所用到的思想方法.

2.2教學(xué)設(shè)計存在的問題分析

上述教學(xué)設(shè)計中，幾處環(huán)節(jié)設(shè)置并不符合認知負荷理論的觀點，例如：一連串的定理呈現(xiàn)方式、定理及其推論呈現(xiàn)形式單一、小結(jié)環(huán)節(jié)設(shè)置不當?shù)?，這些設(shè)計都不利于降低學(xué)生的認知負荷.

2.21定理的呈現(xiàn)方式

在《弧、弦、圓心角》這節(jié)課中，教師將關(guān)系定理以如下的方式呈現(xiàn)給學(xué)生：

在同圓或等圓中，如果兩個圓心角相等，那么它們所對的弧相等，它們所對的弦也相等.

這種一連串的定理呈現(xiàn)方式傳送大量的信息到學(xué)生眼前，但是從認知負荷角度來看，有效學(xué)習(xí)不一定能夠發(fā)生，即學(xué)生不一定能夠獲得學(xué)習(xí)圖式或圖式的加工不一定能夠達到自動化的過程.認知負荷理論提出的“冗余效應(yīng)（Redundancy Effect）”[18]要求呈現(xiàn)給學(xué)生的必須是剔除了冗余信息的核心教學(xué)內(nèi)容.這里有很多信息與該定理中的核心內(nèi)容無關(guān)，屬冗余信息，這種教學(xué)設(shè)計就導(dǎo)致了認知負荷的增加，給學(xué)生帶來了學(xué)習(xí)該關(guān)系定理的負擔.

2.22復(fù)雜的內(nèi)容呈現(xiàn)形式單一

知識是復(fù)雜的，教學(xué)過程具有交互性.對于復(fù)雜的知識，單純的文本呈現(xiàn)方式已經(jīng)不能很好地降低認知負荷.然而在不同的外部呈現(xiàn)方式之間尋找關(guān)聯(lián)性，同時搜索并注意大量的信息，會產(chǎn)生“注意力分散效應(yīng)（Split—Attention Effect）”，影響圖式的獲得，增加學(xué)生的認知負荷[19，20].這就需要在教學(xué)過程中整合多種呈現(xiàn)方式，通過增加相關(guān)認知負荷以減少認知負荷總量，這對提高教學(xué)的有效性是非常重要的.弧、弦、圓心角關(guān)系定理及其推論的內(nèi)容比較復(fù)雜，但是教師只是以單一的文字形式將這些內(nèi)容呈現(xiàn)給學(xué)生，并未將文本、圖表或是表格多種呈現(xiàn)方式相互補充、相互整合地呈現(xiàn)給學(xué)生，這不利于降低學(xué)生的認知負荷.

2.23忽視小結(jié)環(huán)節(jié)

有研究表明[21，22]，課堂小結(jié)幾乎是每節(jié)課必不可少的環(huán)節(jié).小結(jié)是課堂教學(xué)的升華，是課堂有效性教學(xué)的點睛之筆.然而由于教學(xué)內(nèi)容復(fù)雜，教學(xué)時間緊迫等原因，課堂小結(jié)往往被忽視.在小結(jié)環(huán)節(jié)如果運用圖表、口訣等形式，條理清晰，能夠便于學(xué)生記憶.有的教師會認為圖表、口訣會給學(xué)生造成不必要的負擔，其實不然，這些形式可以通過合理地構(gòu)建認知圖式降低學(xué)生的認知負荷.一些教學(xué)設(shè)計從小結(jié)的內(nèi)容和方式來看顯得流于形式，缺乏實際內(nèi)容因而沒有多少意義和價值[23].上述教學(xué)設(shè)計中，教師對小結(jié)環(huán)節(jié)也只是一筆帶過，并未重視該環(huán)節(jié).3恰當?shù)慕虒W(xué)設(shè)計會減輕學(xué)生的認知負荷

既然一些教學(xué)設(shè)計環(huán)節(jié)增加了學(xué)生的認知負荷，那么本文提出的恰當?shù)慕虒W(xué)設(shè)計就應(yīng)該始于“學(xué)生的認知”，終于“降低學(xué)生的認知負荷”.通過以下教學(xué)設(shè)計，使減輕學(xué)生的認知負荷成為可能.

3.1呈現(xiàn)定理新形式

在表達方式方面，將定理及其推論的表述方式進行分行、切割，并將定理及其推論中的關(guān)鍵詞涂上顏色，以區(qū)別于冗余信息；在配圖方面，將圓形中的無關(guān)要素虛化.這在一定程度上剔除了弧、弦與圓心角關(guān)系定理的冗余信息.

3.11切割、分行

以往的教學(xué)設(shè)計過程中，教師將定理以一連串的形式呈現(xiàn)給學(xué)生，學(xué)生要花更多時間來閱讀，這會降低對關(guān)鍵內(nèi)容的學(xué)習(xí).恰當?shù)慕虒W(xué)設(shè)計考慮對定理進行總結(jié)概括，總結(jié)概括的方式包括：切割、分行，以突出其中的重要內(nèi)容，而不是把它以呆板的一連串文字的形式呈現(xiàn)出來.

3.12運用符號標志技術(shù)

符號標志技術(shù)是指突出文本的內(nèi)容或結(jié)構(gòu)而沒有增加文本內(nèi)容的寫作技術(shù)[24]，例如印刷格式中出現(xiàn)的有色字體、下劃線、黑體等.符號標志雖不增加具體的內(nèi)容，但可以使材料的結(jié)構(gòu)更為清晰明了，這十分有利于讀者形成對教材內(nèi)容連貫的表征.B.J.F.Meyar、R.E.Mayer、N.L.Loman等人都做過一組對比試驗，兩組學(xué)生分別閱讀有符號標志和沒有符號標志的文章，結(jié)果發(fā)現(xiàn)閱讀有符號標志文章的學(xué)生對于文章中的邏輯關(guān)系掌握的更好[25].符號標志技術(shù)促進學(xué)生掌握教材中的邏輯關(guān)系.恰當?shù)慕虒W(xué)設(shè)計過程中不能黑壓壓地呈現(xiàn)出一段定理及其推論，可以運用這種符號標志技術(shù)，綜合運用有色字體、變化的字體手段厘清所要呈現(xiàn)出的內(nèi)容的內(nèi)在聯(lián)系.在弧、弦、圓心角關(guān)系定理中，對于關(guān)鍵的信息就可以利用不同的顏色，以區(qū)別于其他信息.

3.13虛化無關(guān)要素

F.M.Dwyer曾做了一個實驗，讓四組大學(xué)生學(xué)習(xí)人的心臟解剖結(jié)構(gòu).結(jié)果發(fā)現(xiàn)，第二組學(xué)生觀察的心臟各部位具有輪廓圖，學(xué)習(xí)效果最佳；而其他組學(xué)生學(xué)習(xí)的材料中并沒有突出心臟各部位的輪廓圖.輪廓圖突出了心臟的關(guān)鍵特征，消除了無關(guān)特征，產(chǎn)生最佳的學(xué)習(xí)效果[26].通過縮短圖形元素的搜索時間可以降低外在認知負荷[27].可將這兩個研究的結(jié)論運用在弧、弦、圓心角關(guān)系定理教學(xué)中，運用幾何圖形對文本進行說明時，要虛化無關(guān)要素以消除無關(guān)特征、突出圖形中要傳遞信息的關(guān)鍵特征、縮短對關(guān)鍵特征的搜索時間，這樣可以降低外在認知負荷，使學(xué)生產(chǎn)生最佳的學(xué)習(xí)效果.

綜合以上三點設(shè)想，設(shè)計出弧、弦、圓心角關(guān)系定理新的結(jié)構(gòu)，如下：

3.2整合多種形式

3.21圖表

對于難度較大的復(fù)雜教學(xué)內(nèi)容，圖表在減輕認知負荷方面也可以起到有效的作用.因為圖表可以激活和利用學(xué)生大腦中的認知圖式，從而增加相關(guān)認知負荷以減少認知負荷總量，學(xué)生只要在工作記憶中操作少數(shù)信息元素就可以進行有效的學(xué)習(xí).特別是在新手學(xué)習(xí)的起始階段，大腦中還沒有形成學(xué)習(xí)新知識的基本圖式，這就需要圖表來幫助他們形成一定的認知支架.J.Sweller等人的研究還發(fā)現(xiàn)幾何教科書如果能將圖表和相應(yīng)的文字材料整合在一起，讓學(xué)生能同時注意到，則可以降低認知負荷，從而促進學(xué)習(xí)效率的提高[28].從這項研究中也能看出圖表對教學(xué)設(shè)計的重要性.

弧、弦與圓心角關(guān)系定理可采用分行切割的形式呈現(xiàn)，但是該定理與其推論的內(nèi)容放在一起對初學(xué)者來說屬于復(fù)雜的內(nèi)容，這樣就可以用圖1來呈現(xiàn).圖1