認知負荷理論下初中物理翻轉課堂教學探析

薛洪杰

摘 要 在解析認知負荷理論的基礎上，深入剖析認知負荷三種類型（內在認知負荷、外在認知負荷、關聯認知負荷）對翻轉課堂的指導作用，并以此為導向，提出相應的教學措施，以提高初中物理翻轉課堂教學的實效性。

關鍵詞 認知負荷理論；翻轉課堂；初中物理；自主學習；微課

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2018）15-0075-03

1 前言

翻轉課堂既優化了學習資料的組織形式、知識呈現方式，而且增強了教學內容圖示效果。即課前學生通過自學強化對相關知識的理解和探索，增加原有認知經驗，促使內在認知負荷達到一種最佳狀態；課中教師通過提問環節為信息圖示化奠定基礎，有助于學生習得新知。從心理學的視角看，翻轉課堂教學模式在本質上降低了學生的認知負荷，學生可根據自己的認知負荷狀況調整知識呈現時間和學習進度，使認知資源得到合理分配，達到最佳的學習效果。本文從認知負荷理論的視角審視初中物理翻轉課堂教學實踐，以期為初中物理翻轉課堂應用研究提供認知負荷內在機制參考。

2 認知負荷理論

認知負荷是指個體在獲得知識過程中進行信息加工時，其認知資源被占用的比例。認知資源是指個體已經存在的知識和經驗，依據有限理論可知，個體在學習內容識別時需要占用認知資源，且學習內容越復雜，占用的認知資源就越多。然而個體的認知資源是有限的，當認知資源全部被占用時，就會導致其他學習內容被忽視而不能對其進行加工，即認知負荷超載。

資源有限理論和圖式理論是認知負荷理論的基礎，該理論探討信息加工過程中對工作記憶、復雜學習和問題解決的影響，成為多媒體設計的理論基礎并為其提供理論框架。

3 從認知負荷視角看翻轉課堂

影響工作記憶的認知負荷可分為內在認知負荷、外在認知負荷、關聯認知負荷等三類，其與學生在翻轉課堂中的信息傳遞密切相關。

內在認知負荷由知識本身的復雜程度決定，主要表現為學習材料的難度和學生已有的知識經驗，通常在學生還沒有掌握合適的圖式時產生內在認知負荷。因此，在翻轉課堂教學中，教師可通過提升學生學習能力、降低學習材料難度等措施，達到降低認知負荷、促進學生信息加工的效果。

外在認知負荷是在學習過程中對學習沒有任何貢獻的心理活動引起的，通常是由于教師不當的教學活動或者組織，導致學生接受不恰當的學習材料，從事一些與圖式獲得沒有直接關聯的學習活動時，就會給工作記憶帶來額外的負擔，即產生外在認知負荷。基于此，外在認知負荷與信息呈現方式、教學活動的組織有關。據此，教師在利用視頻組織學生進行課前自主學習時，盡量降低課件的外在認知負荷，避免過于花哨的無關視頻占用學生工作記憶容量，增加學生外在認知負荷。

關聯認知負荷是指能夠幫助學生構建圖式或者圖式自動化的負荷，即學生的認知資源用于與學習有直接關聯的信息加工活動中，使得學生從事更高級的認知加工，如抽象、比較和理解等，從而支持圖式的形成與意義構建。因此，關聯認知負荷是促進學生有效學習的認知負荷，需要教師在翻轉課堂中通過情境創設，增強關聯認知負荷，提升教學成效。

綜上所述，認知負荷理論的三種類型相互交織疊加，為了達到最佳的學習效果，應降低內在認知負荷、減少外在認知負荷、增加關聯認知負荷，且使總的認知負荷不能超出學生個體能夠承載的認知負荷的限度。因此，在翻轉課堂教學中，教師應遵循認知負荷理論，優化網絡視頻資源，使得學生認知資源得到合理分配，以獲得最佳的學習效果。

4 認知負荷理論下初中物理翻轉課堂教學實踐

分離關聯元素，降低內在認知負荷 內在認知負荷是由學習材料的難度和學生已有的認知經驗決定的，即：學習材料難度越大，則學生需要占用的認知資源就會越多；學生原有的認知經驗與所學習的知識關聯度越高，則需要工作記憶處理的負荷就會越少。因此，教師在課前安排學生利用相關的視頻資源進行自主學習時，需要為學生選擇短小精悍、每個視頻只有一個知識點的課件進行自主學習，從而將高難度的學習材料分離成多個主題的視頻資源，以減輕學生每次信息記憶與處理的負擔，減輕學習負擔，從而緩解學生長時工作信息記憶的壓力。

以“彈力”教學為例，學生在上一次課已經學習了有關“力”的知識，對力的作用效果有了基本了解，這在一定程度上利于學生對彈力概念的理解。而本節學習的重點和難點在于理解彈簧測力計的制作原理以及測量的方法。為了提高學生課前自主學習效率，教師為學生挑選“彈力是什么”“彈簧測力計制作”“如何測彈力”等主題的課件視頻，有效地將高難度的學習材料分解成多個主題的視頻資源，要求學生結合教材內容自主進行學習。

在“什么是彈力”主題中，視頻以案例的方式展示了撐竿跳高、跳高跳水等的場景，讓學生理解什么是彈力，并思考生活中還有哪些能夠產生彈力的現象？在“彈簧測力計制作”主題中，則是給了學一個親自動手操作的機會，讓學生體驗在彈簧、氣球、橡皮筋等物體上用力，從中探究彈力產生的原理，即物體的形變與外力大小之間的關系，并依據對應關系嘗試制作彈簧測力計。而“如何測彈力”則是教授學生如何使用測力計進行彈力的測量，以及在測量中需要注意的條件等。學生在分別對這些分離的信息內化后再進行整合加工，發現學習也可以如此簡單。

在課前自主學習中，教師將難度高的學習材料分離成多個主題視頻的方法，減少了學生工作記憶的容量，幫助學生節省了認知資源空間，降低了學生內在認知負荷，提高了學生的自主學習效率。

優化視頻呈現，降低外在認知負荷 外在認知負荷通常是由教師不當的教學方式引起的，主要與信息呈現方式和教學活動組織相關。因此，教師可通過優化視頻呈現來降低外在認知負荷，即教學視頻的質量直接影響著學生認知的深度與廣度。教師在制作或者篩選視頻資源時，要從視頻時間的長短、主題內容的凸顯、是否切合學生接受能力、操作便捷等方面，綜合考慮是否增加了學生額外的認知負荷，以減輕學生工作記憶的壓力，誘發學生學習興趣，實現新舊知識的有機融合。

如在教學“升華和凝華”時，為了讓學生更好地理解升華吸熱、凝華放熱的原理，在課前，教師為學生精心篩選有關升華與凝華的各種生活現象的視頻，視頻內容短小精悍，其目的是讓學生對升華與凝華的概念有初步了解，從而為課堂聽課奠定基礎。

在課上，教師利用多媒體視頻演示碘升華凝華的實驗，引導學生自主探究并仔細觀察實驗現象，同時將觀察到的結果詳細記錄在導學案上。如當視頻演示到“固態的碘變成碘蒸汽充滿燒瓶后，仔細觀察燒瓶底部是否有液態碘？你觀察到了什么現象”時，稍作停頓，留給學生思考的時間，并將自己觀察的現象記錄下來。接著視頻播放到“將燒瓶放入冷水中冷卻，拔出塞子，請仔細觀察燒瓶內部和塞子底部，你看到了什么現象”時，視頻再次停頓，組織學生思考，并記錄觀察的現象。

其后，教師以PPT呈現問題：“描述碘在加熱前、加熱過程中的狀態變化，這個過程是吸熱還是放熱？你判斷的依據是什么？”讓學生以小組的方式進行討論，從中得出升華吸熱、凝華放熱的結論。最后通過總結物態變化種類（前面所學的熔化、凝固、汽化和液化四種物態），實現新舊知識的有機整合。

在翻轉課堂教學模式中，無論是課前翻轉還是課中翻轉，教師都從減少外在認知負荷的視角，通過篩選適合視頻資源、利用多媒體演示實驗、借助PPT呈現問題等方式，優化教學內容的呈現方式，并通過邊演示邊組織學生思考、小組討論等教學活動，增強師生互動的有效性，提高教學成效。

創設探究情境，增加關聯認知負荷 關聯認知負荷的增加能夠促使學生在圖式構建過程中主動增加認知資源的投入量，投入量越大，則越有利于把大量復雜無序的信息整合成簡單有序的知識體系，以優化認知結構，有效降低認知負荷。關聯認知負荷增加的關鍵就是激發學生主動學習的動機，誘發學生持續探究的興趣，從而幫助學生從多元化的角度理解和解決問題，完成對知識意義的構建。因此，教師可利用微視頻創設探究情境，促進學生學習的正遷移，以推動圖式構建與自動化。

如在“光的折射”教學中，折射定律的學習歷來都是教學的難點與重點。為此，教師在課前利用微課向學生展示海市蜃樓的美景，從中誘發學生對光線的折射產生好奇、探究的欲望。為了能夠解釋海市蜃樓的現象，學生以探究問題的答案為驅動力，順其自然地過渡到課堂學習中。

為了讓學生更加深入地理解光的折射定律以及折射角與入射角的關系，教師利用多媒體演示實驗的方式，引導學生觀察探究。當視頻演示到“將筷子插入水杯中，仔細觀察水中的筷子發生了什么變化”時，教師組織學生思考并回答問題，即光從空氣射入水中時，傳播方向發生改變，且光線向法線靠攏，由此引出折射、法線、入射角、折射角等的概念，且折射角總是小于入射角。

那么光射入其他介質中是否也會發生類似的偏折呢？教師接著演示另一個實驗：“一束光線從空氣中射入玻璃磚一端后，仔細觀察光線是如何偏折的？當光線從玻璃磚塊另一端射出后，光線又是如何偏折的？嘗試畫出光路圖。”學生繼續討論，從中總結出折射定律。如此，學生對折射定律有了深入理解，并自主探究當光線從空氣中垂直射入水中或者其他介質中產生的現象，獨自完成對海市蜃樓現象的解釋，從而提高自主探究意識，構建新的知識體系。

在教學中，教師利用微課創設探究情境的方式，誘發學生對折射產生主動探究的動機，并在課中借助多媒體視頻演示實驗的方式，保持學生持續探究的熱情，從而增加關聯認知負荷，使得學生將紛繁復雜的折射現象整合成簡單有序的折射規律，高效完成學習目標。

5 結語

總之，認知負荷理論為翻轉課堂教學模式的運用與實施提供了依據和指導。本文從認知負荷類型的視角，分別探究其在初中物理翻轉課堂中的價值體現，目的是節省學生的認知資源，使其資源得到合理的分配，實現學習效果的最優化。因此，教師采用分離關聯元素、降低材料學習難度、優化視頻呈現、創設探究情境等策略，達到控制內在認知負荷、降低外在認知負荷、增強關聯認知負荷的目的，提高了翻轉課堂教學質量。

參考文獻

[1]葉雯.認知負荷理論指導下初中英語翻轉課堂效果研究[D].重慶：四川外國語大學，2017.

[2]丁琳.從認知負荷視角探究初中物理翻轉課堂[J].中學物理教學參考，2015，44（23）：15-17.