如何降低初中數學課件設計的認知負荷

蘇云霞

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。多媒體課件以文本、敘述、音響、圖表、視頻和動畫等多種方式的組合向學生呈現教學材料，它改變了傳統的單調的教學模式，極大地提高了課堂教學容量與質量。但另一方面，由于圖像和文本信息同時出現，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，多媒體課件設計應遵循認知負荷理論的基本規律。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，是一個非常具有現實意義的重要課題。

一、認知負荷理論（CLT）

澳大利亞教育心理學家約翰·斯威勒于20世紀80年代提出認知負荷理論。認知負荷指的是在某種場合下施加到工作記憶中的智力活動的總的數量。該理論的主要觀點是：（1）工作記憶的容量是有限的，這是信息加工的瓶頸；（2）如果學習者所要加工的信息容量超出了學習者的工作記憶所能加工的信息容量，那么一部分信息或者全部信息將會丟失；（3）在學習的過程中，認知負荷必須是有限的，這樣學習才能有效；（4）所有的信息在進入長時記憶之前，必須在工作記憶中進行信息加工。

認知負荷理論認為有三種類型的認知負荷：內部認知負荷，外部認知負荷和關聯認知負荷。由于元素間交互形成的負荷稱為內部認知負荷，它取決于所要學習的材料的本質與學習者的專業知識之間的交互，教學設計者不能對它產生直接的影響。外部認知負荷是超越內部認知負荷的額外負荷，它主要是由設計不當的教學引起的。關聯認知負荷于1998年提出，是指與促進圖式構建和圖式自動化過程相關的負荷。外部認知負荷和關聯認知負荷都直接受控于教學設計者。三種類型的認知負荷是相互疊加的。為了促進有效學習的發生，在教學過程中應盡可能減少外部認知負荷，增加關聯認知負荷，并且使總的認知負荷不超出學習者個體能承受的認知負荷。

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為三個方面：（1）工作任務。包括新形態任務與否、時間壓力、獎賞類型、激勵程度、期望、噪音及溫度等因素。（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。

二、有效降低認知負荷的課件設計策略

1.通過數學樣例技術降低認知負荷

斯威勒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的過程中，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，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。

2.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，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，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。

3.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，或者為了課件美觀將喜歡的聲音、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，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、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一一呈現相關信息，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拓展學生有效學習記憶的空間，降低認知負荷的強度。

4.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，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差異巨大的效果。其原因是課件設計中缺乏學習者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，了解學習者已有的認知水平和知識經驗，甚至學習動機，做到有的放矢。

認知負荷理論為多媒體設計提供了新的視角，在進行多媒體教學設計時，如果能考慮到工作記憶容量的有限性，以及學生在學習過程中產生的認知負荷，就會使認知負荷低于學生原有的認知能力，達到預期的教學效果。