促進深度學習的翻轉課堂研究：認知負荷理論的視角

樂會進 蔡亮文

摘? ?要?促進深度學習是提高教育質量的本質要求。翻轉課堂教學模式，被學術界認為是促進深度學習、提高教育質量的有效途徑。從認知負荷理論的視角，結合分布式認知理論、圖式理論，分析了翻轉課堂教學模式為什么能促進深度學習。研究表明：深度學習的目標定位、學習任務的結構化和以學習者為中心的教學策略，使得翻轉課堂教學模式得以促進深度學習。信息技術則協助翻轉課堂教學設計與實施，降低深度學習伴隨的認知負荷，或者將認知負荷分布到各環節學習活動、媒體和主體間，從而促進深度學習。

關鍵詞 深度學習? 翻轉課堂? 認知負荷? 分布式認知

促進深度學習是提高教育質量的本質要求。翻轉課堂，被學術界認為是促進深度學習、提高教育質量的有效途徑。相關研究表明：翻轉課堂能夠有效促進深度學習[1][2];為本文的研究打下了堅實的基礎。然而，翻轉課堂為什么能促進深度學習？翻轉課堂促進深度學習的機制及路徑目前還沒有深入研究。本文試圖從認知負荷的理論視角分析翻轉課堂何以能促進深度學習。

一、認知負荷視角下的深度學習

1976年Ference Marton和Roger Salgor通過分析比較學習者獲取和加工信息的方式，提出了深度學習（deep learning）的概念。按照廣為接受的說法，深度學習是以高階思維為核心特征的學習。結合我國學者黎加厚引入的深度學習概念，我們將深度學習理解為一種主動獲取信息、與已有知識進行加工重組建構新的知識體系、并且能夠在長期內進行遷移運用以及問題解決的學習狀態[3]。

2007年，美國林地公園高中的科學教師喬納森·伯格曼和亞倫·薩姆斯開創并實踐了翻轉課堂，形成學習內化在課堂、傳授知識在課外的新教學模式。翻轉課堂的本質在于在課前初步完成淺層學習目標，充分發揮面對面教學的作用，在課堂上實現知識的內化以及高階思維能力的培養，從而促進深度學習[4]。

深度學習往往意味著高認知負荷。認知負荷理論認為，根據來源及其是否有助于圖式的建構，可以把認知負荷分為內在認知負荷、外在認知負荷、關聯認知負荷和元認知負荷四類。人的工作記憶資源總量是有限的，學習要發生，其認知負荷總和不能超過記憶資源的總量。深度學習時認知負荷超過工作記憶的容量限制，就會造成認知負荷超載[4]，影響學習或問題解決的效率。

那么，翻轉課堂設計的教學模式，在促進深度學習的同時，如何將各類認知負荷總量控制在學生可接受范圍之內？

二、促進深度學習的翻轉課堂模式設計

根據分布式認知理論，認知分布可以分為空間上的分布與時間上的分布[5]。翻轉課堂將淺層目標、深層目標所伴隨的認知負荷分布于課前、課中、課后的教學設計中，將認知負荷控制在學生可接受的范圍之內，體現了分布式認知在時間上的分布;而在活動設計中設計人機交互、個體交互、環境輔助教學，從而降低學生學習的認知負荷，則體現了認知負荷在人與媒介、個體間的分布。從分布認知理論出發，促進深度學習的教學設計模式應具備深度學習的目標定位、學習任務結構化以及促進深度學習的教學策略。

1.深度學習的目標設計

深度學習的目標設計是翻轉課堂教學模式設計的起點。根據深度學習的高階思維特征，促進深度學習的教學目標設計不能僅僅停留在了解，領會和應用的初級認知水平，更要突出面向應用、分析、評價以及創造等高級認知水平。圍繞深度學習的目標定位，才有深度學習任務設計。

翻轉課堂《探究軸對稱的性質》課例中[6]，在學生課前自主學習環節掌握軸對稱的概念和性質的基礎上，課堂上則致力于知識內化。通過知識深化、知識拓展、練習鞏固、知識總結等課堂教學環節，促進學生認知朝分析、評價等高級水平發展。深度學習的目標分層次設計、分步驟實施，有效合理控制了各個學習任務的內在認知負荷。

2.學習任務結構化

教學目標需要通過各個具體的學習任務來實現。學習任務設計時，突出強調任務之間的邏輯和意義關聯、思維層次逐漸遞進，實現學習任務結構化。一方面，通過任務分解，每一個以問題為導向的學習任務涉及的知識要素變少，從而降低單個學習任務的內在認知負荷;另一方面，通過任務結構化，將總體內在認知負荷分布到互相關聯的教學任務中，實現認知在時間上的分布。學生在后一學習任務中可以調用前一個學習任務中習得的圖式和學習定勢，從而降低高認知水平學習任務的認知負荷。

課例《探究軸對稱的性質》體現了翻轉課堂的典型教學任務結構化設計。學生利用電子書包完成課前線上學習和自測，為接下來的任務建構一個初步的知識網絡，課堂上教師根據電子書包反饋的學生學習情況，進一步鞏固前一目標，進行知識深化。任務設計既涉及淺層目標也涉及高階思維培養目標，然后再進一步利用電子書包內置工具進行知識拓展與練習，利用電子書包呈現的多媒體學習材料，降低高階思維學習過程中的外在認知負荷，讓學習者利用內置工具實現認知負荷自主調節。

線上線下相結合的翻轉課堂教學設計，課前利用教學視頻幫助學生消解了傳統紙質教材自學帶來的部分認知負荷，形成了一定的認知圖式，一方面降低了課堂知識內化的難度，另一方面也為課堂知識內化預留了較大的認知空間，有利于高階思維培養。

3.促進深度學習的教學策略設計

如果說教學任務是教學目標的具體化，那么教學策略就是在教學過程中為了使生成教學目標滿足甚至超越預期教學目標所采取的一套特定的方式或方法。學生是學習的主體，深度學習發生的重要內部條件之一就是調動學習者的主動性，激發學生的內在學習動機，以使學生實質地參與深度學習過程。因此，促進深度學習的教學應圍繞“學生主體，教師主導”的思想展開。深度學習的教學組織在這一中心思想的指導下，合理運用支架策略、協作學習策略、形成性評價策略等來避免認知超負荷。

（1）支架策略

支架策略是指新手在更有能力的人的幫助下解決問題、完成任務的過程。學習支架具有吸引學生、降低任務難度、維持學習動力和示范等作用[5]。深度學習往往涉及到高難度的知識或任務，這就需要教師為學生提供支架，將高難度學習任務的認知負荷控制在合適水平，從而支持學生完成深度學習。

那么教師提供的支架又是如何降低任務難度，讓學生完成深度學習的呢？以翻轉課堂《探究軸對稱的性質》的教學設計為例，首先，教師在課前根據學生的已有知識與認知發展水平，為學生開發和收集了合適的課前學習材料，包括課件、微課以及自主測試。課前自主學習實際上就是在將淺層學習帶來的內在認知負荷前移至課前消化。其次，軸對稱的性質對于七年級學生來說屬于較抽象的概念，視頻講解運用數形結合更加形象直觀，而形象直觀的呈現方式也降低了學習者的外在認知負荷。例規法加深了學生對于概念的理解，讓學生在課堂知識內化前初步領會了軸對稱的性質，為課堂知識內化奠定了基礎，同時學生在自主學習過程中發展了自我分析、總結、概括的高階思維能力。最后，教師在教學過程中為學生設計了結構化的學習任務，并且給學生提供了及時的過程性評價反饋，維持了學生的學習動力，并且完成任務后的分析及教師的點評具有示范作用。

（2）協作學習策略

翻轉課堂面對面學習任務的實質是問題解決，這個過程需要多種知識類型的參與，認知負荷達到最高點。問題解決任務的完成，是深度學習的核心階段。協作學習是翻轉課堂促進深度學習的主要策略，也是認知負荷控制的關鍵。

深度學習意味著問題解決過程具有較高的內在認知負荷，協作學習如何降低問題解決的認知負荷呢？協作學習過程中，就同一問題，小組成員從不同角度對問題進行表征，提出不同的解決方法，學習者之間會產生認知沖突。通過交流、反思和整合產生新的認知。這個過程中涉及知識應用，圖式適用性分析和評價，并最終創造整合出新的問題解決方案。群體動力和多樣化認知圖式，促使學習者進行深度的認知加工[7]。以數學問題解決過程為例，信息加工心理學家將問題解決分為問題表征、設計解題計劃、執行解題計劃和監控四個階段[8]。問題表征階段，學生對問題進行淺層理解以及深層理解，可以由教師利用多媒體來呈現問題，使其更加形象生動，從而降低外在認知負荷;也可以由協作學習同伴用生活世界的話語從不同角度來表征問題，降低內在認知負荷;面對認知沖突，通過小組交流與討論，適當增加關聯認知負荷，促進深層表征。設計解題計劃和監控階段，讓學習者協作完成問題，當每個學習者都只能構思出一部分的解題計劃時，來自同伴的支持有助于建構出完整的解題計劃，從而降低其內在認知負荷，而且共同監控相對于自我監控也會降低學習者的元認知負荷;執行解題計劃階段，這一階段主要運用的是程序性知識，與上一階段相同，同伴支持會降低其內在認知負荷以及元認知負荷。

（3）形成性評價策略

形成性評價指由注重結果評價轉為注重過程評價，其本質特征是評價所反饋的信息用于改進[9]。有關實驗研究表明：學期內開展的形成性評價次數越多，學生的學習水平提升越高。因為形成性評價經常為學生提供有關學習情況的反饋信息，反饋信息成為學生自我反思的外部參照，從而降低元認知負荷，有利于學習者調整優化原有知識結構，使得學習不斷朝分析、評價、創造等高階思維水平發展，從而增強了學生的深度學習能力。因此，注重形成性評價，為學生提供具有反饋意義的評價。如翻轉課堂《探究軸對稱的性質》的課堂練習鞏固環節，教師在學生做題過程中觀察學生的做題情況并對有需要的同學進行個別化輔導，關注學生的個別差異，有針對性地進行評價指導反饋，促進學生對已有知識的反思和改進，而來自外部的評價比起學生自己的反思評價相對來說也降低了學生的元認知負荷。

三、信息技術支持深度學習活動實施

促進深度學習的目標定位、結構化任務以及多樣化的教學策略等教學設計都是圍繞影響學習的三大因素——人、知識、環境進行的，而信息技術支持深度學習的途徑也是圍繞這三者之間的關系滲入教學的，主要表現出兩個功能：一是提供豐富的學習資源與各層次的認知工具;二是提供便捷的社會互動與交流平臺。根據分布式認知理論，借助工具可以提高個體的認知效率。在沒有媒體技術支持的情況下，將會加重認知負荷，特別是工作記憶容易超負荷。學習者利用豐富的學習資源實現信息外部存儲，借助技術工具實現媒體存儲信息與工作記憶的交互，促進人與媒體間的認知分布，為學生在課堂中進行知識內化時預留認知空間，減少工作記憶的瞬時認知負荷。

根據戴維·喬納森的教育技術思想，基于三者關系，筆者分析了信息技術支持深度學習滲入教學的主要方式（如表1）。

1.技術支撐優化教學環境，創設支架空間

通過創設信息化學習環境，信息技術為深度學習的結構化任務在線上線下實施提供了支持和保障，實現了數據、信息與知識跨越時空的共享，打破了課堂的時空限制，從而優化教學環境。為學生提供豐富的學習資源作為支架策略的主要表現方式之一，使學生能夠在課前完成淺層學習的任務。學生利用學習資源開展課前自主學習不僅涉及淺層教學目標，也涉及到了高階思維的發展。當學生在豐富多樣的學習資源中進行選擇時就是一種分析性、批判性的學習，而批判性思維也是高階思維能力的標志之一。根據認知分布式理論，使用信息技術工具，可以將一部分運算任務或認知過程性數據存儲任務交給技術工具，從而降低工作記憶的認知負荷，提高認知效率[8]。同時，由于課前的自主學習階段已經完成淺層學習目標，所以當學生學有余力時，還可引入關聯認知負荷，深化學生對知識的理解。

技術還能為深度學習的教學提供多元化的認知工具。研究表明使用語義圖示工具有助于提升學習過程質量，促進學習者的深度理解[10]。語義圖示等認知工具的使用，也能降低認知負荷，促進深度學習。

2.技術支撐多模態教學，促進課堂靈活實施

信息技術能夠為教學提供傳統模擬和言語形態以外的多樣化形式，實現多模態教學[11]。在傳統課堂中，知識僅僅停留在紙質媒體書本教材以及教師的言語、肢體動作等單一的展示形式上。而信息技術支持的翻轉課堂教學模式卻可同時利用書本教材、教師表達以及多種多樣的多媒體技術賦予的教學形式。認知負荷理論認為，內在認知負荷取決于因材料本身包含的要素多少產生的絕對難度和因學習者已有認知圖式和生活經驗的可用性帶來的相對難度。深度學習帶來的認知負荷，可以通過課前的支架策略在一定程度上降低相對難度，但絕對難度是不可能避免的。在翻轉課堂中，主要通過信息化教學材料降低外在認知負荷來降低總認知負荷。教師可利用多媒體技術通過視頻、音樂、圖畫等多種媒體符號，優化教學內容的呈現方式，使其簡單易懂。借助信息技術，設計有效的多媒體材料，能顯著降低學習的外在認知負荷。

3.技術平臺支持互動，增強人際交互

借助信息技術構建師生交流、學生同伴討論以及過程性考核平臺，為教育教學過程人與人的交互關系提供了便捷的社會互動和交流方式，增強了人際交互關系。

師生交流和學生討論平臺建立了一道心理防線，不像線下交流一樣，需要面對及時回應的壓力。技術支持的在線交流平臺能夠充分給予學生思考的時間，讓學生有充足的時間進行深度思考。根據耶克斯—多德森定律，面對復雜問題時，學習壓力越大，解決問題的效率越低。基于技術平臺的交流，讓學生有更多的機會調用長時記憶里的圖式來分析解決問題，有助于提高學生學業成功的幾率，進而讓學生有進一步探索思考復雜問題的動力。基于技術平臺的交流還提供了多元化的認知工具幫助學生清晰地闡述自己所學。如果沒有多元化認知工具的支撐，同樣的討論問題，將成倍增加學習表達的元認知負荷。在翻轉課堂《探究軸對稱的性質》中，學生利用電子書包的資源進行學習，遇到問題可以在線向其他同學以及教師請教，來自外部的支持可以幫助學生認識自身知識體系的缺陷，降低自我反思所帶來的元認知負荷;課堂中利用電子書包的拖動、書寫、注釋功能深化理解。教師能夠利用平臺進行及時評價，協助學生進行自我監控，促進學生的自我調控，從而降低學生的元認知負荷;而信息技術能夠記錄學生的參與性、教師的過程性評價，為教學提供了多樣化評價機制。

翻轉課堂模式本身充分了發揮面對面教學的作用，學生在課前完成淺層目標，降解了淺層目標伴隨的認知負荷，為課堂上實現知識的內化以及高階思維能力的培養預留更多的認知空間，從而為深度學習的實現提供了可能性。深度目標定位、結構化教學任務以及“教師主導，學生主體”的教學策略，進一步聚焦深度學習。信息技術則協助教學設計的實施，降低深度學習伴隨的認知負荷，或者將認知負荷分布到各環節學習活動、媒體和主體間，從而促進深度學習。

總之，從認知負荷的角度出發，翻轉課堂教學模式促進深度學習的機制主要在于教學模式本身、結構化的任務設計以及信息技術的支撐可以在不同層面將深度學習所伴隨的認知負荷控制在合適范圍內。

參考文獻

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[11] 郭萬群. 論間性理論視閾下的大學英語多模態教學與研究——兼論外語教育技術的哲學基礎[J].外語電化教學，2013（01）.

[作者：樂會進（1980-），男，江西東鄉人，南昌大學教育系講師，碩士;蔡亮文（1996-），女，江西龍南人，南昌大學教育系在讀學生。]

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