基于CLT理論的高中物理教學優化策略

沈陽

CLT是“Cognitive Load Theory'的縮寫，即認知負荷理論，這是一個現代認知心理學領域的概念。所謂認知負荷，就是學習者對學習材料進行加工處理時所占資源的總和。是一種基于認知心理學的促進教學設計的理論。如何基于CLT理論優化高中物理教學呢？本文就該話題進行思考與探討。

1 CLT理論分析

1.1認知負荷

從認知心理學的觀點來說，認知是對信息的加工，是通過選擇性注意、編碼、儲存和提取等進行信息加工的過程，影響認知負荷的基本因素有三個：學習材料的組織和呈現方式、學習材料的內在本質特征、個體的專長水平（即先前知識經驗）。CLT認為認知負荷可以分成三個類別：無關性認知負荷，原生性認知負荷以及關聯性認知負荷。其中原生性認知負荷是由學習材料直接決定，不受教學設計的影響；無關性認知負荷是超越認知過程的冗余負荷，屬于一種資源的浪費，關聯認知負荷是學習者進行圖式建構時，對心理資源的一種占用，屬于有效地資源配置，這兩方面負荷都是可以受到教學設計進行調配的。

1.2認知負荷與智力資源之間的關系

認知負荷與智力資源之間的關系如圖1所示。認知負荷的大小既與學習者接觸的材料內部元素的交互性水平相關，也與施教者的教學設計密切相關。若認知負荷過低，學習者會感覺過于淺顯，浪費時間；若認知負荷過高，總的認知負荷超過了人的總的智力資源，學習者會感覺過于晦澀難懂，會阻礙對信息的處理和加工。理想的教學模式是在學生的智力資源一定的前提下，通過教師的處理和組織教學材料，調節內外認知負荷的關系，適當降低外在認知負荷，工作記憶盡量用于學習信息的編碼中，從而使學習者的心理資源得到充分利用，學習者處在滿負荷而不是超負荷的狀態，獲取盡可能多的知識，學習過程獲得優化。

2基于CLT理論的高中物理教學優化策略

基于CLT理論的高中物理教學設計應該要盡量減少無關性認知負荷，確保學生的學習負荷不超載，筆者認為可以從以下幾個方面對我們的教學設計進行優化。

2.1恰當地創設教學情境

高中物理教學對情境的創設有這樣的要求：針對相關的教學內容，在真實的背景下，配置特定的學習素材，從而對物理教學起到推進作用。

CLT理論認為關聯性認知負荷受工作記憶的能量投入方向控制，因此教師所創設的教學情境如果能成功地激起學生的注意力，引導學生聯想到他們已有的知識基礎，學生在監控學習活動的相應投入就會減少，相反在圖式建構和記憶存儲的投入就會增加，進而有效推進學習活動。

因此，教師有必要結合教學內容，將真實而具體的情境創設出來，引導學生進行有效地意義建構。基本的創設方法有以下幾種方式：

（1）以故事來構建情境

如果教學內容涉及到物理學史上的內容，可以充分挖掘歷史素材來構建情境。情境的呈現方式可以是視頻的播放，例如：介紹“核裂變”內容時，播放一段中國原子彈的研制歷程的視頻，可以激起學生努力學習、報效祖國的熱情，進而激活他們的學習興趣。

情境也可以用課本劇的形式來呈現，例如：講到《伽利略對自由落體運動的研究》一課時，可以安排一場名為《穿越時空的對話》的課本劇來引入課題，讓學生分別扮演亞里士多德和伽利略的角色走上講臺，進行辯論，由此展示邏輯的力量以及科學探究的美感。諸多手段都可以讓學生體會物理發展的歷程，同時也是學生理解物理概念、物理規律，感受物理思維和方法的有效途徑。

（2）以實驗來構建情境

物理發現源于實驗，因此圍繞實驗探究來構建情境是中學物理教學的常用手段。將精心設計的實驗場景呈現在學生面前，可以充分點亮學生的思維。

例如：演示“變壓器工作原理”時，將穩恒電流接在原線圈一端時，副線圈所接燈泡是不亮的。如果只是演示這么多，這個實驗也就平淡無奇，所以筆者在該實驗的處理中，會旋動輸入電壓大小的調控旋鈕，這時副線圈上的燈泡會在旋動的同時發生閃爍。接下來就讓學生討論穩恒電流的條件下，變壓器怎么會有電流的輸出呢？實踐證明：引起學生認知沖突的實驗現象會激活課堂氣氛，能夠促進學生思維的發展。

新課程對高中物理探究式教學的要求之一就是創設真實的情境，讓學生在對應的物理情境中認識物理規律，發展科學探究的能力，進而讓他們享受到探索自然的樂趣，有效地喚醒他們記憶深處的相關認知，進而完成新知識的圖式建構。

2.2提供高效的物理教學樣例

所謂樣例教學，就是將問題解決的詳細思路呈現給學生，讓學生通過觀察、對比和總結獲取解決問題的能力。CLT研究者認為：優秀的樣例教學能夠成功地降低學生的無關性認知負荷，能夠幫助學生對新的知識進行圖式建構。高中物理教學設計中，教師設計出典型的物理教學樣例，當學生對某些陌生的問題難以處理時，可以翻看相關的樣例，通過對比，發掘模型的相似，從而構建問題解決的圖式。

高中物理的基本規律理解和應用比較容易設計出很多典型的樣例，因此建議使用樣例教學。例如：牛頓運動定律的應用、生活中的圓周運動等，就非常適合進行樣例教學。

在具體的教學過程中，教師可以先將典型的物理樣例進行分析、解答，將具體的思路呈現給學生，把嚴謹的解題過程書寫出來，給予學生明確的示范。例如：豎直方向的圓周運動在最高點的受力特點、速度特點以及完整圓周運動過程中能量關系的分析，是一類綜合性很強的問題。教師要提供直接而明確的例題，提供詳細的受力分析和方程以及解答過程，讓學生仔細審視整個分析、解決問題的過程，并最終歸納出基本的解題思路。

當物理樣例呈現給學生之后，一個更重要的問題，是如何推進學生通過樣例的學習來實現問題解決能力的提高？筆者結合教學實踐認為，可以設計一系列解題步驟缺失的樣例由學生來逐漸補全：第一個樣例具有完整解題思路體現；第二個樣例的最后一個步驟空出來，讓學生補全；第三個樣例再去掉更多的步驟，由學生處理；最后是一個沒有進行任何解答的問題。筆者發現：這種“完形填空”式的樣例設計方法可以有效地培養學生知識的遷移能力，能夠幫助學生循序漸進地實現解決問題能力的圖式構建。

2.3對復雜的物理問題進行合理的分解

CLT理論認為：復雜認知過程的學習和研究是要受限于心理容量的。高中物理教學中，學生較為頭疼的物理問題往往包括多個子問題，處理的難度很大。

例如：從學生的立場來看，必修1《探究加速度與力、質量的關系》一課的容量非常大，從課題就可以看出，它包括兩項探究任務——探究加速度與力的關系，探究加速度與質量的關系；此外還涉及到探究過程中如何測量加速度、力、質量，如何處理摩擦力等子問題，因此整體看來，任務的復雜性已經遠遠超過學生的承受范圍。

所以，教師對類似問題進行教學設計時，要充分考慮學生已有的知識基礎，對復雜的問題進行分解化處理。比如該實驗中涉及到控制變量法的基本思路、打點計時器的操作要點、紙帶的處理等等都是在學生長時記憶中有所儲備的，教師可以預先將這些問題分解出來，讓學生自行提取相關信息，完成有關處理思路的構建；若干個小問題分解出來后，剩下的探究過程的工作量會明顯減少。所以，將復雜問題分解后，化整為零地逐個突破更接近學生的認知水平，更易于被學生接受，而且這種處理方法也會被學習者在長時記憶中儲存下來，為自我處理問題的能力提升打下基礎。CLT理論的研究開始于上個世紀的八十年代，它的提出給傳統教學設計理念注入了新的活力，但是再完美的理論，如果離開實踐，就會喪失生命力。所以在面對不同的學生時，我們如何讓高中物理教學高效地運轉起來，減低學生的無關性認知負荷，還需要我們在實踐中不斷地探索，相關理論才能更加完善。