認(rèn)知負(fù)荷與天文之美——天文館科學(xué)教育淺見

金崢華

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認(rèn)知負(fù)荷與天文之美——天文館科學(xué)教育淺見

金崢華

上海科技館

任何一門科學(xué)在試圖被公眾理解更多時(shí)，都會(huì)遇到同一個(gè)問題——“認(rèn)知負(fù)荷”，天文亦是如此。天文館在向觀眾傳達(dá)天文之美時(shí)，該如何化解“認(rèn)知負(fù)荷”？國外研究者的經(jīng)驗(yàn)可以歸結(jié)為四個(gè)方面：首先，避免一些看似有趣但實(shí)則是會(huì)干擾學(xué)習(xí)信息的提取和整合。其次，對(duì)于涉及基礎(chǔ)知識(shí)極為廣泛的內(nèi)容，可以做模塊化的處理，對(duì)內(nèi)容進(jìn)行分割、預(yù)處理、載體變化形態(tài)。第三，為了便于新的信息與已有的認(rèn)知進(jìn)行整合，需要為學(xué)習(xí)者提供便于他們理解和記憶的工具。對(duì)于學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)者而言需要理解“專家”和“新手”的思維方式。第四，年齡是影響學(xué)習(xí)的一個(gè)重要因素，尤其是空間思維能力。最后各種天象廳的案例研究表明，天象廳是天文館最具有魅力的體驗(yàn)，各種“地球視角”與“太空視角”的轉(zhuǎn)化可以更好地幫助觀眾理解天體的關(guān)系和他們的運(yùn)行方式，讓觀眾主導(dǎo)的學(xué)習(xí)過程會(huì)使他們獲得更好的參與感，而“真實(shí)”永遠(yuǎn)有它的魅力，一個(gè)淵博的學(xué)者在“星空”下做的分享是極具有吸引力的。

認(rèn)知負(fù)荷 天文學(xué)習(xí) 學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)

任何一門科學(xué)在試圖被公眾理解更多時(shí)，都會(huì)遇到同一個(gè)問題——“認(rèn)知負(fù)荷”，天文亦是如此。從美學(xué)和情感的角度，我們毫不懷疑星空的魅力，但是她的數(shù)理與邏輯之美要為觀眾所認(rèn)識(shí)和欣賞并非易事。不同于許多從實(shí)驗(yàn)室里獲取的數(shù)據(jù)和理論的學(xué)科，天文的結(jié)論來自觀測和演算，她的研究對(duì)象那么“遙不可觸”，她的觀點(diǎn)又與物理、哲學(xué)領(lǐng)域的理論相互滲透。天文館在向觀眾傳達(dá)天文之美時(shí)，該如何化解“認(rèn)知負(fù)荷”？由于國內(nèi)對(duì)于天文科學(xué)傳播的文獻(xiàn)總結(jié)極為有限，筆者因而希望從國外同行的經(jīng)驗(yàn)與思考中獲取些許啟示，對(duì)2010年3月至2015年3月國際天文館協(xié)會(huì)期（季）刊《Planetarian》（天文館人）和其他一些國際科學(xué)教育期刊中涉及天文館教育的文章進(jìn)行一次梳理。

1 如何幫助觀眾減少認(rèn)知負(fù)荷

“認(rèn)知負(fù)荷”的觀點(diǎn)來源于認(rèn)知心理學(xué)和信息加工理論，學(xué)習(xí)的過程可以被分為四個(gè)部分：首先選取相關(guān)的學(xué)習(xí)材料，隨后把材料組織編排成可以理解的模式，然后把材料與以往的認(rèn)知整合或是重構(gòu)，最后認(rèn)知的運(yùn)用。同時(shí)學(xué)習(xí)過程也是一個(gè)認(rèn)知資源分配的過程，在這個(gè)過程中人們處理信息的能力是有極限的。那么天文館里的科學(xué)學(xué)習(xí)會(huì)有哪些“認(rèn)知負(fù)荷”呢？設(shè)計(jì)者又該如何減輕認(rèn)知負(fù)荷？

1.1 避免那些看似有趣，但會(huì)干擾學(xué)習(xí)的細(xì)節(jié)

學(xué)習(xí)內(nèi)容應(yīng)該有一定的完整性和清晰的內(nèi)在邏輯，有些形式或細(xì)節(jié)雖然很誘人，但實(shí)則可能是干擾學(xué)習(xí)的。學(xué)習(xí)過程中的信息量越大，那么學(xué)習(xí)的負(fù)荷也越大，可以減少額外和不必要的學(xué)習(xí)內(nèi)容，降低學(xué)習(xí)的負(fù)荷，盡量避免在提取、組織、整合等各個(gè)環(huán)節(jié)中出現(xiàn)無助于認(rèn)知的信息。Sean Gillette(2014) 等人有一項(xiàng)關(guān)于干擾性學(xué)習(xí)細(xì)節(jié)的研究，研究者在數(shù)字天象廳內(nèi)向小學(xué)5年級(jí)的孩子講述有關(guān)天文學(xué)的知識(shí)，為其中一半的孩子在學(xué)習(xí)過程中提供了大量有吸引力但與學(xué)習(xí)內(nèi)容無關(guān)的細(xì)節(jié)，比如為學(xué)生設(shè)計(jì)3分鐘左右的肢體參與活動(dòng)，孩子在學(xué)習(xí)的過程還接觸到了53個(gè)人物形象，另一半孩子則沒有接觸到這些細(xì)節(jié)，研究結(jié)果顯示，具有誘惑力的細(xì)節(jié)可能激發(fā)興趣和關(guān)注，但是這樣的關(guān)注和興趣未能提升學(xué)習(xí)的效果，反而會(huì)干擾學(xué)習(xí)者對(duì)核心信息的獲取。

1.2 需要模塊化處理的學(xué)習(xí)內(nèi)容

知識(shí)總是相互牽連的，有時(shí)要解釋某個(gè)名詞或現(xiàn)象時(shí)，牽涉的基礎(chǔ)知識(shí)極為廣泛深入，即使做最簡單的介紹也會(huì)演變成長篇大論，但顯然這些必要的解釋是會(huì)造成認(rèn)知負(fù)荷的過量。這時(shí)設(shè)計(jì)者必須采用一定的策略，將紛繁復(fù)雜的學(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行分割、預(yù)處理和改變信息形態(tài)。

比如在學(xué)習(xí)月相前，先讓學(xué)習(xí)者體驗(yàn)從不同視角看到光源對(duì)物體造成的不同光影的結(jié)果，然后再提供一個(gè)通過日、地、月三者的模型演示三者的相互關(guān)系和運(yùn)行方式，最后再開始解釋月相周期的具體成因。研究結(jié)果顯示，經(jīng)過模塊化設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)內(nèi)容能使學(xué)習(xí)者更扎實(shí)地了解相關(guān)知識(shí)，為發(fā)展新的認(rèn)知提供基礎(chǔ)。

1.3 提供便于理解和記憶的工具

學(xué)習(xí)者的思維模式不同于這個(gè)領(lǐng)域?qū)＜业乃季S模式，學(xué)習(xí)者不一定能按設(shè)計(jì)者的預(yù)想順利地開展學(xué)習(xí)。如果學(xué)習(xí)的設(shè)計(jì)者對(duì)某個(gè)專業(yè)知識(shí)領(lǐng)域相當(dāng)熟悉，則需要意識(shí)到，面對(duì)同樣的信息，普通公眾的理解方式、思維方式可能與自己截然不同。Lisa F. Smith(2010)等人對(duì)天文專業(yè)人士和非專業(yè)人士面對(duì)相同信息的不同理解展開研究，專業(yè)人士更趨向從更科學(xué)和更數(shù)據(jù)化的眼光看待圖像，而非專業(yè)人士更偏向從藝術(shù)或是情感的角度理解看到的影像。這是由于專家和新手對(duì)于同一事物的辨識(shí)和思考模式是不一樣的，專家擁有的知識(shí)儲(chǔ)備在他們需要調(diào)用時(shí)不需要大量的意識(shí)控制，比如一個(gè)國際象棋的高手可以輕易分辨出棋盤上的某種進(jìn)攻或防守的形態(tài)，知道下一步有哪些選擇，以及怎樣做最有可能成果。與之相反的是，新手則必須對(duì)無數(shù)種可能捉摸良久，仔細(xì)研讀各個(gè)棋子的位置，十分困難地判斷最佳舉措在何處。對(duì)于同一種情況，專家相較于新手所獲得信息總是更為深入的。所以面對(duì)大多數(shù)非“專業(yè)”背景的公眾時(shí)，需要為他們提供便于與已有認(rèn)知整合、重構(gòu)的工具。比如，一個(gè)常用的“比喻”手法是將銀河系畫在一個(gè)氣球的表面，往氣球里吹起，氣球的表面會(huì)膨脹，那么畫在氣球表面的銀河系也會(huì)隨著膨脹，以此來幫助公眾理解宇宙膨脹的概念，氣球里的空氣就像是時(shí)間，空間隨著時(shí)間膨脹（Jeanne E. Bishop，2014）。

在Lisa F. Smith (2010) 的研究中，人們?cè)诳催^一組天文影像后，被要求回答一系列有關(guān)空間尺度的是非題，對(duì)于非專業(yè)背景的觀眾，有尺度參照的圖像，得到的回答正確率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出沒有尺度參照的，比如以太陽的直徑為參照對(duì)比其他宇宙空間的尺度或距離。而對(duì)于專業(yè)人士而言，有沒有這樣的參照答題的正確率并沒有顯著的差異。而對(duì)于普通公眾，這些簡單的參照比例為他們提供了理解和記憶的重要工具，通過學(xué)習(xí)材料與已有認(rèn)知的整合能夠發(fā)展出新的認(rèn)知。

Jean Creighton（2012）等人有一項(xiàng)研究，即：如何通過一場50分鐘的天象節(jié)目讓觀眾辨識(shí)3個(gè)以上的星座。他們對(duì)兩個(gè)類似的星座天象節(jié)目做了比較研究，都是從天極附近的星座開始介紹，然后是介紹各個(gè)季節(jié)的星座，但是在過程中使用的技巧略有不同。兩個(gè)節(jié)目后得到的觀眾能辨識(shí)3個(gè)以上星座的比例差異是17%，研究者認(rèn)為一個(gè)非常可能的原因是其中一個(gè)節(jié)目更清晰地勾勒了星座的形態(tài)，并用影像填補(bǔ)了觀眾的想象，并與觀眾分享了更多星座背后的故事。研究也同時(shí)提到了年齡可能是一個(gè)非常重要的因素，制約了觀眾的星座辨識(shí)能力，成年人能辨識(shí)三個(gè)星座的分別為48%和32%，而12歲以下的孩子為33%和21%，孩子并不如成年人那樣擅長辨識(shí)星座。

1.4 不要求超越年齡的學(xué)習(xí)能力

根據(jù)著名認(rèn)知心理學(xué)家皮亞杰的觀點(diǎn)，隨著孩子年齡的增長，他們的思維方式是會(huì)發(fā)生改變的。許多幼年的兒童不能將原因和結(jié)果做出正確的關(guān)聯(lián)，他們往往會(huì)把兩個(gè)不相干的事務(wù)聯(lián)系在一起。孩子們稍大一點(diǎn)時(shí)會(huì)喜歡探索，但仍然不喜歡邏輯思維。成熟的推理能力多數(shù)是在15歲左右形成的。月相、四季這些現(xiàn)象的變化規(guī)律和成因被廣泛作為兒童學(xué)習(xí)天文的主題，但需要特別專注的是孩子們相應(yīng)的空間思維能力是否已經(jīng)建立(Jeanne E. Bishop,2014),發(fā)現(xiàn)在天象廳里給非常年幼的孩子講解星座時(shí)，他們可以指到哪兒看到哪兒，但是他們并不具備空間思維能力，比如憑借想象去豐富星座的細(xì)節(jié)。她認(rèn)為這是由年齡導(dǎo)致的學(xué)習(xí)能力的不同。她曾做過實(shí)驗(yàn)，7歲的學(xué)生很難完整理解四季和月相發(fā)生的原因。13～14歲的學(xué)生隨著大腦發(fā)育的完善，已經(jīng)可以開始理解抽象的天文概念了。她認(rèn)為只有當(dāng)學(xué)生能在腦海中自如切換“地球視角”和“太空視角”，他們才真正理解了四季和月相，這種能力被皮亞杰稱之為”Project ability”(投影式思考的能力)，即可以從兩個(gè)不同的視角辨識(shí)處同一事物的形態(tài)。

筆者查閱了美國物理教師協(xié)會(huì)發(fā)布的《K-12 astronomy benchmarks from Project 2061》，即2061計(jì)劃幼兒園至高中階段（12個(gè)年級(jí)）的天文教育標(biāo)準(zhǔn)：小學(xué)階段的孩子只能剛剛建立一些關(guān)于星星和宇宙的模糊認(rèn)識(shí)，數(shù)年之后他們才能對(duì)宇宙的大尺度空間有所了解。而在這個(gè)階段，行星、恒星、星座名稱是不需要記憶的，他們只需要對(duì)部分天體（比如太陽、月亮）在天空中的位置和運(yùn)動(dòng)有簡單的了解。標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)調(diào)，在這個(gè)階段不設(shè)具體的記憶目標(biāo)，盡管有些學(xué)生會(huì)很樂意去記憶。然而對(duì)于距離和光亮的變化在這個(gè)階段可以有所涉及。標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)烈建議，3D模型比2D圖像更適合向兒童解釋空間關(guān)系。

2 有關(guān)天象廳的學(xué)習(xí)案例

天象廳往往是整個(gè)天文館中最具有魅力的部分，而在這片穹頂之下的體驗(yàn)往往也是觀眾在天文館里最重要的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。筆者選取了一些案例，解釋他們是如何減輕認(rèn)知負(fù)荷，分享天文之美的。

2.1 從“地球視角”到“太空視角”

隨著數(shù)字天象廳的引入，太空視角的影像能更好幫助學(xué)生糾正一些錯(cuò)誤的理解和認(rèn)識(shí)。木星看著比金星離太陽更近，這看著不太合理，因?yàn)閷W(xué)生們知道金星距離地球是更近的。用3D 模型的視角轉(zhuǎn)換能解釋這是地球視角造成的問題。

Kim J. Small (2014)等人的研究發(fā)現(xiàn)，課堂和天象廳結(jié)合的方式更有可能使學(xué)生理解月相發(fā)生的原因。首先讓學(xué)生在課堂上描述他們所觀察的月亮在一個(gè)月內(nèi)的月相變化，隨后在天象廳播放月相在一個(gè)月內(nèi)的變化，并請(qǐng)學(xué)生根據(jù)自己的理解解釋這一現(xiàn)象的成因，這時(shí)學(xué)生有許多錯(cuò)誤的觀點(diǎn)會(huì)暴露出來。隨后研究者帶領(lǐng)學(xué)生離開地球并以不同的視角在“太空中”觀察月亮，學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)月亮其實(shí)是個(gè)球體，繞地球一周的時(shí)間差不多是一個(gè)月，因?yàn)殡x月亮的“距離”更近了，學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)月亮發(fā)出的光亮其實(shí)是將太陽投向它的光線反射向了地球，月亮的一面總是亮的，而另一面總是暗的。月相變化是從地球視角可以看到的反光區(qū)域的變化，在學(xué)習(xí)了月相之后，再在月亮表面視角觀察地球，學(xué)生們驚奇地發(fā)現(xiàn)地球也會(huì)有這種周期性變化的現(xiàn)象。然后再次帶領(lǐng)學(xué)生觀察金星和水星，從地球視角他們是否也有同樣的周期性，最后我們回到地球，對(duì)月相產(chǎn)生的原因再做一個(gè)總結(jié)和回顧。

2.2 由觀眾主導(dǎo)的學(xué)習(xí)

從科技館到天文館，我們一直在尋找激勵(lì)學(xué)習(xí)者的方式，互動(dòng)是我們通常能想到的方式，互動(dòng)意義是能夠讓觀眾成為主動(dòng)探究的學(xué)習(xí)者。要有一些東西使學(xué)習(xí)者覺得他們是整個(gè)活動(dòng)中關(guān)鍵的一部分(Jeanne E. Bishop,2014)。比如，談?wù)撔强丈裨挄r(shí)，不妨讓觀眾從不同的文化中挑選出他們感興趣的神話，而不是直接引入希臘神話作為開頭。當(dāng)欣賞不同緯度的星空時(shí)，也可以由他們選擇首先去哪，是南極、北極，還是赤道。或者在開始觀測月相的時(shí)候他們是先想從新月開始呢，還是從滿月開始。

2.3 “真實(shí)”是一種魅力

天象廳不僅是一個(gè)學(xué)習(xí)天象知識(shí)的地方，也是一個(gè)啟發(fā)學(xué)生深層思考的地方，獲得一個(gè)全新的或是更好的關(guān)于世界究竟為何、以及如何運(yùn)轉(zhuǎn)的認(rèn)知，這也是科學(xué)和人類學(xué)習(xí)的意義所在。今天人們已經(jīng)有了計(jì)算機(jī)模擬的星空游戲和適用于智能手機(jī)的應(yīng)用程序以獲得豐富的天文知識(shí)，但是這些都無法取代一個(gè)淵博的學(xué)者在“星空”下做的分享。

Mike Shanahan(2010)一項(xiàng)關(guān)于天象廳觀眾的調(diào)研涉及了觀眾最喜歡和最不喜歡的天象廳體驗(yàn)，與星座、星空、流星、夜空有關(guān)的夜空主題是觀眾最喜歡的部分，而緊隨其后的就是“歷史”和“真人講演”。“歷史”包括了宇宙的歷史、人類探索的歷史和某一特定人物（伽利略）的歷史；“真人講演”的方面包括了現(xiàn)場感、講演者的邏輯、音色、激情、博學(xué)、幽默等等。而那些觀眾最不喜歡的部分，往往是破壞現(xiàn)場感和沉浸感的部分，比如視野不完整、現(xiàn)場有孩子吵鬧、脖子不舒服、座椅傾斜不夠、座椅有異味等。

3 結(jié)果與討論

國外研究者在如何消減公眾“認(rèn)知負(fù)荷”經(jīng)驗(yàn)上可以歸結(jié)為四個(gè)方面：首先，避免一些看似有趣但實(shí)則會(huì)干擾學(xué)習(xí)的信息的提取和整合，學(xué)習(xí)的內(nèi)容應(yīng)該有一定的完整性和清晰的內(nèi)在邏輯，和學(xué)習(xí)無關(guān)的內(nèi)容會(huì)分散學(xué)習(xí)者的注意力，進(jìn)而干擾學(xué)習(xí)過程中信息的提取和組織。其次，對(duì)于牽涉基礎(chǔ)知識(shí)極為廣泛的內(nèi)容，可以做模塊化的處理，對(duì)內(nèi)容進(jìn)行分割、預(yù)處理、載體變化形態(tài)，比如在學(xué)習(xí)月相前，利用各種媒體的結(jié)合，先讓學(xué)習(xí)者體驗(yàn)不同視角看到的不同光影的結(jié)果，通過日、地、月模型演示三者的運(yùn)行方式，進(jìn)而再解釋月食的成因。第三，為了便于新的信息與已有的認(rèn)知進(jìn)行整合，需要為學(xué)習(xí)者提供便于他們理解和記憶的工具。對(duì)于學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)者而言需要理解“專家”和“新手”的思維方式是不同，有些對(duì)于專業(yè)人士是顯而易見的信息，對(duì)于公眾則需要為他們提供獲取信息的工具，以簡化他們對(duì)信息編排和整合的過程。第四，年齡是一個(gè)影響學(xué)習(xí)的重要因素，尤其是空間思維能力。天象廳是天文館最具有魅力的體驗(yàn)，各種“地球視角”與“太空視角”的轉(zhuǎn)化即可以帶領(lǐng)觀眾享受前所未見的景觀也可以更好地幫助觀眾理解天體的關(guān)系和他們的運(yùn)行方式。而最重要的是，無論科技如何發(fā)達(dá)，“真實(shí)”永遠(yuǎn)有他的魅力，一個(gè)淵博的學(xué)者在“星空”下做的分享是極具有吸引力的。

這些國外研究的結(jié)果極富借鑒和參考價(jià)值，但是也有不少問題仍待深入研究和實(shí)踐總結(jié)，筆者認(rèn)為，唯有通過受眾調(diào)研，在從設(shè)計(jì)到實(shí)施的過程中開展形成性評(píng)估，才能不斷調(diào)整完善，有效減少“認(rèn)知負(fù)荷”，分享天文之美。面對(duì)具體的學(xué)習(xí)內(nèi)容和學(xué)習(xí)目標(biāo)，如何界定哪些是“富有誘惑力但干擾學(xué)習(xí)的細(xì)節(jié)”；對(duì)于學(xué)習(xí)內(nèi)容的模塊化處理，如何取舍和處理從而保留核心的和真正重要的學(xué)習(xí)內(nèi)容；需要為學(xué)習(xí)者提供哪些工具，這樣他們獲得的信息才能更接近專家獲得的信息；這些問題既在相當(dāng)程度上有賴于設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，也取決于具體深入的受眾分析。尤其是“富有誘惑力但干擾學(xué)習(xí)的細(xì)節(jié)”，比如，也有研究者支持在天象廳的學(xué)習(xí)過程中加入一些肢體活動(dòng)，以免坐得太久而產(chǎn)生疲勞。關(guān)于年齡對(duì)于天文學(xué)習(xí)的影響，國內(nèi)并有細(xì)致按年齡或年級(jí)劃定的目標(biāo)，學(xué)校和學(xué)生的個(gè)體差異也很大，具體的內(nèi)容適合怎樣的年齡層次學(xué)習(xí)，需要天文領(lǐng)域的科學(xué)傳播者和教育工作者共同探討。天象廳的只是天文學(xué)習(xí)的一個(gè)途徑，天文館的設(shè)計(jì)可以從天象廳的案例中獲得相當(dāng)?shù)慕梃b和啟示，也仍有更多更廣闊的形式和載體值得探索和實(shí)踐。

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