認知負荷理論對技術(shù)“學(xué)困生”轉(zhuǎn)化的實踐研究.docVIP

認知負荷理論對技術(shù)“學(xué)困生”轉(zhuǎn)化的實踐研究 馬功平 （浙江省慈溪市楊賢江中學(xué)，315300） 摘要：認知負荷理論是一種現(xiàn)代教育心理學(xué)理論，關(guān)注的是學(xué)生如何分配其認知能力以達到最佳的學(xué)習(xí)效果，它為“學(xué)困生”的教學(xué)研究提供了新視角。依托認知負荷理論，探討在技術(shù)教學(xué)中如何減少學(xué)習(xí)任務(wù)中不必要的認知負荷，從而提高“學(xué)困生”的學(xué)習(xí)效率。 關(guān)鍵詞：認知負荷理論通用技術(shù)“學(xué)困生” 隨著新課程改革的不斷深入，“學(xué)困生”的學(xué)習(xí)愈加成為橫亙在現(xiàn)代教學(xué)中的難題。對于技術(shù)“學(xué)困生”來說，一則學(xué)習(xí)時間緊，學(xué)業(yè)壓力重；二則學(xué)科基礎(chǔ)知識薄弱，沒有形成健全的知識結(jié)構(gòu)或自動化的圖式。由此造成一個共同的顯著問題，就是難以將通用技術(shù)知識建立起內(nèi)在的聯(lián)系，在解決實際問題時對通用技術(shù)概念和原理缺乏遷移，以至總的認知負荷超出了其認知承載能力。認知負荷理論對于優(yōu)化通用技術(shù)教學(xué)有著重要的啟示，教師在教學(xué)中應(yīng)充分考慮認知負荷，最大限度地降低阻礙學(xué)習(xí)的外在認知負荷，優(yōu)化內(nèi)在認知負荷，增加相關(guān)認知負荷，使“學(xué)困生”合理地利用有限的認知資源，提高學(xué)習(xí)效率。 一、認知負荷理論及其對技術(shù)“學(xué)困生”轉(zhuǎn)化的啟示 （一）什么是認知負荷理論 認知負荷理論是由澳大利亞著名教育心理學(xué)家JohnSweller及同事于1988年首次提出的。人的記憶系統(tǒng)主要包括工作記憶與長時記憶，認知負荷意指針對某一特定的認知任務(wù)，工作記憶系統(tǒng)對其進行加工和保持信息過程中所承受的負荷總量。JohnSweller等的認知負荷理論的主要觀點是：(1)工作記憶容量是有限的，使人們很難同時加工多種的信息。(2)長時記憶本身沒有限制，知識以圖式的形式存儲于長時記憶中。(3)圖式自動化是圖式建構(gòu)的重要過程，圖式的構(gòu)建能降低工作記憶的負荷。(4)當某種知識（或圖式）含有多種相互作用的元素時，這些知識將加重認知負荷。 研究發(fā)現(xiàn)，認知任務(wù)所引發(fā)的認知負荷量主要取決于該認知任務(wù)的組織、呈現(xiàn)方式，內(nèi)在本質(zhì)特性以及認知者的專長水平這三個因素，緣此也就產(chǎn)生了外在認知負荷、內(nèi)在認知負荷以及相關(guān)認知負荷這三種類型的認知負荷。其中，外在認知負荷主要是由于認知任務(wù)的設(shè)計與呈現(xiàn)方式不科學(xué)所引起的，這些與實質(zhì)性認知加工過程無關(guān)的活動會額外引發(fā)工作記憶的認知操作，從而擠占一定的認知資源。因此，外在認知負荷也常常被稱為無效認知負荷。內(nèi)在認知負荷是工作記憶在加工處理認知任務(wù)本身所蘊含的信息內(nèi)容時所產(chǎn)生的負荷，高低主要取決于認知任務(wù)本身及認知者固有的相關(guān)知識經(jīng)驗背景。相關(guān)認知負荷是指在新的圖式建構(gòu)或圖式自動化過程中所占用的認知資源。 （二）認知負荷理論對技術(shù)“學(xué)困生”轉(zhuǎn)化的啟示 認知負荷理論認為，外在認知負荷、內(nèi)在認知負荷以及相關(guān)認知負荷這三種類型的認知負荷是相互疊加的。它們的總和如果超過了工作記憶的總體承載能力，就會使學(xué)習(xí)陷入困境。這從理論層面上回答了技術(shù)“學(xué)困生”為什么會產(chǎn)生學(xué)習(xí)困難：在該生一定的原有認知結(jié)構(gòu)下，要認知的技術(shù)信息總負荷超過了其工作記憶資源的總體承載能力。因此，有效的教學(xué)就是要充分考慮“學(xué)困生”有限的認知負荷，使“學(xué)困生”滿負荷而不是超負荷的心理資源獲取最多的知識。 外部認知負荷與相關(guān)認知負荷都受到教學(xué)設(shè)計的影響。但外部認知負荷對學(xué)習(xí)起干擾作用，而相關(guān)認知負荷能夠?qū)W(xué)習(xí)起促進作用。教學(xué)設(shè)計的本質(zhì)就是由外部認知負荷向相關(guān)認知負荷轉(zhuǎn)變，降低學(xué)生的外部認知負荷，增加學(xué)生的相關(guān)認知負荷，同時保證總的認知負荷在工作記憶承受負荷的“最近發(fā)展區(qū)”內(nèi)。為此，筆者提煉了三種認知負荷的影響因素以及在課堂教學(xué)涉及的教學(xué)要素（如圖1），希望能夠提升教學(xué)設(shè)計的創(chuàng)造性，幫助“學(xué)困生”用相關(guān)認知負荷代替外部認知負荷，減少額外的認知加工活動，提高“學(xué)困生”的學(xué)習(xí)效率和自我效能感。 二、用認知負荷理論轉(zhuǎn)化技術(shù)“學(xué)困生”的實踐 （一）分離關(guān)聯(lián)負荷，實行任務(wù)策略，降低內(nèi)在認知負荷 內(nèi)在認知負荷的高低主要取決于認知任務(wù)本身及認知者固有的相關(guān)知識經(jīng)驗背景，但對具體的認知主體來說，內(nèi)在認知負荷的高低主要取決于認知任務(wù)本身，即元素數(shù)量及各元素間的交互性。因此，在教學(xué)設(shè)計中要降低內(nèi)在認知負荷，必須設(shè)法降低認知任務(wù)本身的元素數(shù)量及各元素間的交互性。鑒于此，我們可以采用任務(wù)“先分后整”逐步呈現(xiàn)策略與任務(wù)“先簡后繁”二次呈現(xiàn)策略的方法來降低內(nèi)在認知負荷?！跋确趾笳敝鸩匠尸F(xiàn)策略是將復(fù)雜材料分為兩個階段呈現(xiàn)：第一階段，將復(fù)雜材料分解成若干個信息單元并依次呈現(xiàn)，每次只需加工一個單元；在完成每個獨立單元的學(xué)習(xí)之后進入第二階段，同時呈現(xiàn)全部信息，并關(guān)注信息單元之間的關(guān)聯(lián)。“先簡后繁”二次呈現(xiàn)策略是指首先從學(xué)生在真實情境中所能遇到的最簡單任務(wù)開始，逐漸增加任務(wù)難度，其本質(zhì)就是“整體任務(wù)”，它從一開始就關(guān)注任務(wù)各個成分之間的協(xié)調(diào)和整合，強調(diào)讓學(xué)生快速形成對任務(wù)的初步整體印象。 【案例1】控制系統(tǒng)方框圖的復(fù)習(xí)。 通過設(shè)計并制作一個水溫控制系統(tǒng)，了解閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成特點和工作過程。教師可以向?qū)W生提出以下問題：(1)說出該控制系統(tǒng)中的輸入量、輸出量、控制器、執(zhí)行器、被控對象分別是什么。(2)畫出控制系統(tǒng)的方框圖。(3)分析控制系統(tǒng)存在哪些干擾。(4)如果要提高控制系統(tǒng)的精確度應(yīng)該對哪些部分進行改進。 控制系統(tǒng)的應(yīng)用題就整體而言知識點比較零碎，各知識點的關(guān)聯(lián)度較低。當以畫出控制系統(tǒng)方框圖等形式從整體上考慮時，對于“學(xué)困生”來說信息負荷較大，解題時很容易因荷載大而無從下手，一般要采取一定的方式將其簡化。對于處于低水平的“學(xué)困生”來說，宜采取“先分后整”的方法，首先復(fù)習(xí)輸入量、輸出量和干擾因素等各個基本知識點并使其達到圖式自動化，然后再綜合起來復(fù)習(xí)該類型的題。而對于中等水平的學(xué)生而言，宜采取“先簡后繁”的方法，即從整體上把握，從相對簡單的開始然后逐步深入，讓其通過練習(xí)使這些建構(gòu)的圖式進入長時記憶并較快地達到圖式自動化，由此可以降低解答控制系統(tǒng)應(yīng)用題時的信息負荷，同時也為將來解題時提取相關(guān)知識提供線索。 （二）優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容的組織和呈現(xiàn)方式，降低外在認知負荷 由于外在認知負荷主要是由學(xué)習(xí)材料的組織和呈現(xiàn)方式引起的，所以應(yīng)重新組織信息和材料來降低外在認知負荷。下述方法和原則都能從不同角度降低學(xué)生的外在認知負荷：按鄰近原則呈現(xiàn)材料，避免注意力分散；清除多余信息，避免冗余效應(yīng)發(fā)生；通過雙通道效應(yīng)分離視聽信息，拓展工作記憶容量；信息呈現(xiàn)條理化，減少學(xué)生認知搜索；抽象信息形象化，降低學(xué)生認知難度；復(fù)雜信息簡單化（如使用圖表），簡化學(xué)生認知加工；分化復(fù)雜任務(wù)，防止學(xué)生認知負荷超載。 1利用多媒體提升教學(xué)效果。 在技術(shù)教學(xué)中，教師要為學(xué)生搭建問題解決的腳手架，實行“小步走”的原則，把大問題逐層分解成多個對解決大問題起決定性作用的小問題，從而減輕外在認知負荷，讓學(xué)生把認知資源更多地用在本質(zhì)知識的學(xué)習(xí)過程中。利用多媒體教學(xué)時，呈現(xiàn)的信息量大，但認知負荷也相應(yīng)較大，若能依據(jù)技術(shù)學(xué)科的特點優(yōu)化設(shè)計，借助多媒體技術(shù)合理呈現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容便能更高效地傳遞信息，達到預(yù)期的效果。 【案例2】“橋梁結(jié)構(gòu)承重測試”教學(xué)片段。 (1)給每一個小組提供一座教學(xué)用橋梁結(jié)構(gòu)，要求小組合作，設(shè)計制作桁架橋。提出問題：明確桁架橋采用什么材料？桁架橋的結(jié)構(gòu)如何？桁架橋采用何種連接方式？此階段主要是通過問題明確設(shè)計要求。根據(jù)鄰近原則和雙通道效應(yīng)，把3個問題依次呈現(xiàn)在同一個屏幕上，并逐一用語言文字說明。 (2)根據(jù)提供的材料和工具，請各組完成桁架橋的設(shè)計方案和制作。 展示：請個別小組解說方案，展示構(gòu)思草圖或示意圖及優(yōu)秀的設(shè)計方案（如圖3）。 (3)桁架橋的測試、評估及優(yōu)化。 把試驗過程分解成若干個子問題，通過導(dǎo)學(xué)案引導(dǎo)學(xué)生合作驗證。把問題分解后，可以使不同的元素分離呈現(xiàn)，從而減少單位時間內(nèi)需要付出的認知。 JohnSweller指出，利用多媒體教學(xué)時，要注意將文字、聲音和圖像整合起來。教師要積極使用現(xiàn)代教育技術(shù)手段來降低外在認知負荷，從而增大課堂容量，提高教學(xué)效率。 2利用樣例效應(yīng)幫助學(xué)生有效遷移。 在教學(xué)技術(shù)試驗時，可以采用解答樣例的辦法來降低認知負荷，構(gòu)建解題圖式并形成解題技巧。 在處理復(fù)雜認知任務(wù)時，如果向“學(xué)困生”提供已經(jīng)解答的問題樣例，則能有效地提升其問題解決水平，解答樣例能明確呈現(xiàn)解決問題所需的程序，凸顯出關(guān)于圖式特征的清晰信息讓“學(xué)困生”只須注意與圖式獲得有關(guān)的信息，減少嘗試錯誤，從而降低其工作記憶負荷，促進圖式的獲得和規(guī)則自動化。 【案例3】技術(shù)試驗題解題樣例。 浙江省xx年9月通用技術(shù)高考試卷中的一道題：國家標準規(guī)定中學(xué)生使用的跨欄架支撐腳長度約700mm，當跨欄架高度調(diào)到最低(1060mm)，在欄板中央受到1620N的水平方向的力時應(yīng)翻倒。如圖4所示是某學(xué)校制作的跨欄架，請設(shè)計簡易試驗方案，檢驗該跨欄架是否符合要求，并回答問題（現(xiàn)提供跨欄架一個，滑輪、鉤碼若干，其余輔助材料自定）。 (1)選擇合適的試驗場地_（從草坪；操場跑道；大理石地面；玻璃臺面中選擇一項，將序號填在“_”處）。 (2)在給定的示意圖上表示試驗方法，并用文字說明主要步驟。 在教學(xué)這種類型的題時，可以借助解題樣例建立這類題的解題模型并找出相應(yīng)替換對象進行解答 試驗名稱：研究對象的穩(wěn)定性和強度的測試。 試驗?zāi)康模簻y試研究對象的穩(wěn)定性和強度。 試驗準備：待測研究對象、不同重量的負載物及若干其他物理量。 試驗過程及記錄：(1)穩(wěn)定性。將研究對象在平地上站立放穩(wěn)，在研究對象的一側(cè)逐一懸掛不同質(zhì)量的負載（或前后左右搖晃研究對象），觀察并記錄研究對象是否翻倒。(2)強度。將研究對象在平地上站立放穩(wěn)，在研究對象的兩側(cè)逐一懸掛不同質(zhì)量的負載，觀察并記錄研究對象結(jié)構(gòu)是否遭到破壞，記錄破壞前的負載質(zhì)量。 這種方法與常規(guī)教學(xué)方式相比，有效減輕了“學(xué)困生”的認知負荷，易化了認知技能的獲得，提高了解題效率，利于“學(xué)困生”對原理和規(guī)則進行正確歸納和分類，極大地調(diào)動了學(xué)生的積極性。 （三）深化變式教學(xué)，喚醒認知投入，增加相關(guān)認知負荷 相關(guān)認知負荷可以促使認知主體把剩余的認知資源投入實質(zhì)性認知加工活動中。學(xué)習(xí)的本質(zhì)就是施加精確水平的認知，促使無關(guān)認知負荷向有效認知負荷轉(zhuǎn)化。在技術(shù)教學(xué)中用到的增加有效認知負荷的策略有任務(wù)變異設(shè)計和喚醒認知投入等策略。任務(wù)變異設(shè)計即在學(xué)習(xí)任務(wù)時，變換任務(wù)本身和呈現(xiàn)方式，通過改變設(shè)問角度和層次或改變題設(shè)的情境進行變式教學(xué)。喚醒認知投入指的是教學(xué)中對于一些復(fù)雜任務(wù)，外在認知負荷降低可以短暫提高“學(xué)困生”學(xué)習(xí)的效率，但有些情況下即便外在認知負荷降低到了很低水平，但短期內(nèi)成績和問題解決并沒有得到明顯改善，這時就需要激發(fā)喚醒“學(xué)困生”投入認知和有效投入認知，增加相關(guān)認知負荷。 【案例4】設(shè)計應(yīng)用題的教學(xué)。 在浙江省高考試卷中常采用設(shè)計應(yīng)用題的形式考查學(xué)生的技術(shù)設(shè)計能力、創(chuàng)新能力和分析問題、解決問題的能力。由于“學(xué)困生”的知識儲備相對匱乏，生活經(jīng)驗少，對結(jié)構(gòu)設(shè)計所需的材料、連接方式、制作工藝等知之甚少，設(shè)計能力較弱，即使對題型進行了梯度設(shè)計，降低了外在認知負荷，“學(xué)困生”還是不愿或不能將多余的認知資源投入設(shè)計題的學(xué)習(xí)中。 認知心理學(xué)認為，如果相鄰任務(wù)的解決依賴相同的技能，則干擾程度較低。所以，有效地增加相關(guān)認知負荷，必須引導(dǎo)“學(xué)困生”科學(xué)地建構(gòu)知識網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，學(xué)會對典型例題進行變式運用，做到舉一反三，熟能生巧。例如，根據(jù)草圖設(shè)計的基本組成圖形，歸納出一般的設(shè)計草圖有三種零部件（箱子、輪子、架子）和三種“連接方式”（套接、合頁、螺絲螺栓）（如圖5）。讓“學(xué)困生”采用模塊化的“打包”方式去理解記憶基本圖式，可以促進或增強圖式