數學課件設計中降低認知負荷的有效策略

摘 要: 課件作為對師生的學與教產生重大影響的重要載體，不適當的設計將不同程度地導致學生認知負荷的增加，從課件設計視角研究降低認知負荷問題是一個具有現實意義的重要課題。本文作者結合實際設計與教學經驗，提出初中數學課件設計應從通過數學樣例技術、導航歸類技術、簡單合理的組織方式、學習者設計技術四個方面來降低認知負荷。

關鍵詞: 數學課件 認知負荷 有效策略

《數學新課程標準》指出:“現代信息技術的發展對數學教育的價值、目標、內容以及學與教的方式產生了重大影響。”課件作為現代信息技術對課堂教學產生重大影響的重要載體，其設計理念、方式、方法均會不同程度對學生學習產生影響。由于圖像和文本信息同時，容易導致認知負荷的超載狀態，因而不適當的課件設計將會對學生的認知學習產生不必要的負面影響，即這種影響最突出的表現之一是增加學生的認知負荷，降低學生學習效能。因此，從課件設計這一視角去研究降低認知負荷問題，從源頭上解決課件對學習者的負面影響，這是一個非常具有現實意義的重要課題。下面我結合相關理論與多年數學課件設計和教學經驗，對這一課題提出解決之道。

一、認知負荷理論概述

認知負荷理論(cognitive load)理論起源于自歐美的人體工學或人機工效學領域，從心理、生理與認知層面，探討工作與任務對執行者的影響與適合性，在早期被稱作“心智工作負荷”，用于軍事與企業生產，直到澳大利亞心理學家斯威勒(Sweller)1988年將此觀念引入學習效果研究，才開始聚焦于從認知層面探討學生學習的影響，并命名為“認知負荷”。認知負荷的概念是建立在以下理論假設之上的:①人類的工作記憶容量是很有限的，若需一次處理多個信息，且待處理的信息本身的內部要素互動性很高，必須相互參照才能了解，會更耗費短期記憶容量，因此產生更大的認知負荷，造成學習困難。②人類對于長期記憶并沒有直接的意識，且長期記憶沒有容量的限制，它所儲存的知識內容，是區別專家和生手的主要來源。③根據基模理論，知識是以基模的形式儲存在長期記憶中。基模在長期記憶中可以發揮組織與儲存知識的功能，并減低工作記憶的負荷。④人類所有的信息都是透過控制式或自動式的處理。控制式的處理發生在意識層面，占用許多工作記憶空間，而自動式的處理較少為意識所監控，使用極少的工作記憶容量。

認知負荷是指在執行某種作業的過程中，因作業特性所需的認知能量或認知資源所造成認知系統(特別是工作記憶)的負載狀態。威斯勒將認知負荷區分成:內部認知負荷、外部認知負荷和相關認知負荷，并將其對學習影響的效應分為注意分散效應、冗余效應、圖表效應、形式效應、簡化搜索效應等。

二、認知負荷理論對數學課件設計的意義

初中數學老師普遍對課件設計的教育學心理學的認識不是很到位，這樣就容易引發不適當地設計和運用多媒體的手段，造成信息過載現象。了解認知負荷理論對教師設計數學課件有積極的指導意義和實踐價值。

(一)有利于樹立正確的課件設計觀。

邁爾(Mayer)曾經指出，任何多媒體信息都不是平等有效的，因此我們的目標是怎樣設計多媒體信息來促進有意義的學習。這告訴我們，任何多媒體信息，只有在恰當的時候用在恰當的對象，這些多媒體信息才能成為有價值的、有效的信息，忽視這一點，就會犯課件設計“技術至上”的錯誤，過于強調課件本身，本末倒置，將多媒體信課件的輔助性、科學性、數學性拋棄，忽視學學習者特征，為課件而課件，降低教學的有效性。認知負荷理論時刻提醒教師在數學課件設計時，必須樹立正確的課件設計觀，一切為了學習，一切為了學生，適當設計多媒體信息，充分發揮課件輔助作用，促進教師的教和學生的學。同時，課件設計作為教學系統設計的重要環節，其設計理念和方法會不同程度影響整個教學設計。樹立正確的課件設計觀，有利于教師改變教學觀念，以學生為主體，重視和充分學生的學習、社會經驗，設計高效的學習環境，提高課堂教學的針對性和有效性。

(二)有利于實現教學過程的最優化。

教學過程最優化是前蘇聯著名的教育家巴班斯基教育思想的核心。他指出:“教學過程最優化是在全面考慮教學規律、原則、現代教學的形式和方法、該教學系統的特征以及內外部條件的基礎上，為了使過程從既定標準看來發揮最有效的(即最優的)作用而組織的控制。”在現代課堂教學中，教學媒體設計是準備課堂教學的非常重要的任何之一。教學媒體絕大多數要貫穿整個數學教學過程中，因而其設計與整個教學過程的最優化息息相關。認知負荷理論能指導老師充分利用數學課件輔助教師進行課堂教學，實現課堂教學效益的最大化，提高教和學的有效性。

(三)有利于多媒體課件素材的選取及組合。

許多數學老師將教材搬上課件，不作適當加工，課堂信息量過大，課堂教學中認知超載現象嚴重，或者多媒體素材組織方式不當，造成學習干擾。了解和掌握認知負荷理論有助于教師在數學課件設計中，適當選取多媒體課件素材，并加以合理組合，規避因課件不當帶來的教學風險。因此，教師在設計數學課件時，應盡量考慮選取單一而緊密的表達方式，選取有利于學習的素材，并進行合理剪輯，不要出現過多需要學習、思考的信息，并移動簡單重復的內容，降低認知負荷的可能性。

三、有效降低認知負荷的課件設計策略

臺灣學者黃柏勛綜合眾多學者的觀點，將認知負荷的來源歸納出三個方面:①工作任務:包括新型態任務與否、時間壓力、獎賞類型、激勵程度、期望、噪音與溫度等因素;②學習材料:主要包含學習材料的結構復雜程度，成分間關聯程度的高低，以及信息材料呈現的方式等因素;③個體本身:涵蓋個體的先備知識或經驗、心智運作自動化程度、組織信息的方式、認知能力、認知風格、動機等因素。當然，與課件設計相關最大的是學習材料和個體本身，本文也主要從這兩方面考查其對課件設計的影響及期對策。有效降低認知負荷的課件設計策略也應該由此衍生。結合數學教學經驗，我認為有效降低認知負荷的課件設計策略至少應該包括如下幾方面。

(一)通過數學樣例技術降低認知負荷。

斯威勒曾通過一系列實驗證明了樣例技術對促進以數學為基礎的內容的廣泛領域內的學習非常有效。初中數學的學習主要通過數學樣例來呈現解決不同問題類型所需的程序，包括等同于圖式和自動化的清晰信息。學生在學習這些樣例過程中，獲得知識和技能。當然，選取的數學樣例必須有明確的解決方案，便于學生了解相關學習情景，從解決程序中學會相關知識，掌握相關技能。

在設計課件時，教師要盡量選取有多種解決方案的樣例，并分解解決問題的程序。以八年級上冊《軸對稱》的內容為例，我選取了下面的樣例。

如圖1，已知:△ABC中，∠C=2∠B，AH⊥BC于H，D是AC中點，DE//AB，求證EH=AC/2。

這道幾何證明題至少有四種的解法，主要包括幾何和代數兩大類，每類有兩種方法。這個數學樣例能調動學生利用此題用全部初中知識來解決數學問題，多角度分析問題。為了讓學生了解這個樣例的思維過程，課件設計時通過構建“相關知識鏈接”、“題目解析”、“解決過程”、“相關問題”四個模塊來引導學生解決問題的程序和方法，并以樣例A，問題A，樣例B，問題B……的形式呈現樣例，告訴學生成對材料的特征，并要求認真學習每個樣例。

(二)通過導航歸類技術降低認知負荷。

為了提高學習的有效性，針對復雜學習任務，教師要將其分解成小的知識模塊，并結合學生已經解決的數學樣例。為此，課件設計要注意其易操作性，簡化課件操作程序，保持軟件操作的一致性。在課件設計實踐中，盡量將數學知識與概念分成小模塊呈現出現，并將其歸好類，設計好易操作的導航鏈接，避免“迷航”現象，從而提高課件輔助教學的效率。

以初中數學《實數》時為例，在設計PPT課件時，我將實數分為有理數和無理數，有理數又分為正、負有理數，無理數也分為正、負無理數。為了讓學生對“實數”有個很好的整體概念，我特意用概念圖軟件制作了“實數”概念圖，并做好了超級鏈接，將它們分別鏈接至相關概念呈現頁面。同時，我將課件設置了導航界面，以“實數”概念圖為綱，將課件設置為五個模塊:“概念學習”、“樣例區分”、“課堂訓練”、“課圖2后作業”、“探究活動”，每個模塊下又細分成小模塊，而且每個模塊都有上面五個大模塊的導航鏈接，方便隨時選取某個模塊講解，既避免了“迷航”現象，又增加教學的靈活動性和易操作性。

(三)通過簡單合理的組織方式降低認知負荷。

在初中數學課件設計中，有些教師喜歡將有趣而與教學關聯不大的動畫或聲音放在課件中，或者將教材內容堆放在PPT課件中，或者為了課件美觀喜歡將聲音、圖片、文字放在一起，課件組合的方式非常不合理，增加了學習者的認知負荷的強度。實際上，數學課件對聲音、圖片或文字等美觀性要求不是很高，重點是強調科學性、準確性。因此，教師必須通過簡單合理的組織方式，降低認知負荷強度。

認知負荷理論中有簡單搜索效應和注意分散效應、冗余效應等各種效應，主要告訴我們必須注意課件素材的組織方式。在課件設計過程中，必須依據時間接近性和空間接近性以呈現相關信息，并以系列化、整體化的課件界面呈現給學習者。同時，必須將復雜的學習任務以簡潔的、清晰的、統一的界面呈現已經分析細化的任務模塊，通過聽視覺和視角雙通道增加學生有效學習記憶的空間，降低認知負荷的強度。

認知負荷理論告訴我們，在屏幕上搜索相關信息對認知有很高要求，并且損耗寶貴的認知資源。因此，在課件設計過程中，教師不要把太多的信息放在同一課件界面上，而是要整合相關信息，通過色彩、字體等突出重要信息，以統一的樣式確保學生快速高效地查看信息，提高課件輔助的效果。

(四)通過學習者設計技術降低認知負荷。

在課件制作與運用的實踐中，有許多教師有這樣的經歷:同樣的教師、同樣的課件、同樣的教學方法，在不同的班級教學會獲得不一樣甚至巨大差異的效果。其原因是課件設計中缺乏學生設計這個重要而極易被忽視的環節。設計的教學實踐課件設計必須考慮學習對象的實際，了解學生已有的認知水平和知識經驗甚至學習動機，做到有的放矢。以我任教的兩個班級為例，一班級學生數學基礎好，非常喜歡數學這門學科，學習主動性和積極性很高，五班級學生則數學尖子少，后進生多，對數學學科興趣不大，缺乏學習的主動性。因此，在設計課時，在數學內容上，一班學習樣例多且有一定難度，作業布置相對較多，難度也稍大，而五班而選取比較淺顯易懂的樣例，布置的作業也是基礎性的，難度和量都不大。因此，我必須重視學生設計這個課件重要環節，了解學生原有知識結構、理解水平、學習風格、興趣態度，特別在設計地市級課堂教學比賽課件時，面對陌生的班級、陌生的環節，更需要了解學生，針對學生的學習背景、經驗、習慣等，及時調整所選取的樣例或多媒體素材，以及界面、呈現時間，增加課堂突發事件機動環節設計的內容。

總而言之，從樣例、導航等角度去規避課件設計帶來的學習風險(增加認知負荷)，顯然是行之有效的。當然，只有這些仍不夠，教師還需要在課件應用過程中，根據教學需要和課堂實際，及時調整、控制課件播放的速度、內容，臨機處理教學意外，增強課件的有效性和針對性，將課件的輔助效能達到最大化，實現教學過程的最優化。

參考文獻:

[1]教育部.全日制義務教育數學課程標準[J].北京:北京師范大學出版社，2001.

[2]吳先強，韋斯林.國外認知負荷理論與有效教學的研究進展及啟示[J].全球教育展望，2009，(2):28-31.

[3]賴阿福，黃玉君.認知負荷對國小學童在超文字環境中學習的影響[EB/OL].http://www.tiec.tp.edu.tw，2010-6-20.

[4]祁玉娟，熊才平.認知負荷理論在多媒體軟件設計中的應用分析[J].遠程教育研究，2009，(3):51-53.

[5]趙永禮等.多媒體課件設計中如何減輕認知負荷[J].教學與管理，2009，(1):137-138.

[6]賴日生等.從認知負荷理論看教學設計[J].江西教育學報學報(社會科學)，2005，(1):52-55，63.

[7]王愛文，王朋嬌.多媒體軟件設計中降低外在認知負荷水平的有效策略[J].中小學電教，2008，(3):66-68.

[8]程志，周鐵.基于認知負荷理論的教學媒體設計[J].現代教育技術，2008，(11):50-52.

[9]連四清，伍春蘭.認知負荷理論與數學教學樣例設計[J].數學通報，2005，(11)22-24.

[10]倪其育，劉麗麗.基于認知負荷理論的復雜學習整體任務設計探討[J].現代教育技術，2009，(3):39-42.