翻轉教學法對高中生認知負荷及學習成績的影響 *

孫崇勇 劉麗麗 高春陽

(吉林師范大學教育科學學院，四平 136099)

1 引言

翻轉課堂（flipped classroom）最早起源于美國。2007年，美國科羅拉多州落基山“林地公園”的兩位高中老師Bergmann和Sams對傳統課堂進行了顛覆性嘗試，形成了一種“學習知識在課外，內化知識在課堂”的新型教學模式。翻轉課堂就是將大部分信息傳輸式教學轉移到課外，課堂時間則進行積極、有效的學習活動，學生只有充分完成課前和課后活動，才能從中受益（Abeysekera & Dawson, 2015）。在翻轉課堂的教學模式下，學生直接獲取知識，老師則更加關注學生獲取知識的效果與能力（喬納森·伯格曼，亞倫·薩姆, 2015）。王珺和俞佳君（2016）認為，教師的行為導向是促進學，體現“為學而教”，最終要落實到學生的“學”。從這個意義上說，翻轉課堂教學模式適應了時代發展。

認知負荷理論是一種促進學習與教學設計的理論框架，主要圍繞學習時經歷不同類型的“負荷”而構建的，包括內在認知負荷、外在認知負荷和相關認知負荷等。內在認知負荷主要受學習材料的復雜性和學習者先前知識的影響，與材料涉及的元素和圖式有關。長時記憶中如果有現成的圖式可用，個體就會感受到較低的內在認知負荷。對于某個問題或概念而言，如果不進行學習和訓練，學習任務所誘發的內在認知負荷在本質上是不可變的，是相對恒定的。外在認知負荷是額外的，與學習材料的呈現方式有關，如果呈現方式不利于學習，就會使學習任務變得更加困難，從而產生較高的外在認知負荷。相關認知負荷也是由信息呈現方式和學習活動引起的額外的認知負荷，但不會阻礙學習，反而能通過產生的圖式促進學習。有效教學會降低認知負荷，提升學習效率（Clark, Nguyen, & Sweller, 2007）。Abeysekera和Dawson（2015）認為，翻轉教學法可以提高學生的動機并幫助學生管理認知負荷，因而有必要考察該法對學生學習、認知負荷水平與學習動機的影響。翻轉課堂強調課前學習者對相關知識的探索與理解，可以在一定程度上調節學習者的內在認知負荷（趙東華, 2016）。Musallam（2010）在一項研究中發現，與沒有接受課前訓練的學生相比，接受過課前訓練的學生心理努力明顯減少。學習者的心理努力程度是測量其認知負荷的重要變量，而翻轉課堂教學模式強調學生課前的自主學習與訓練，Musallam的研究又表明課前的自主學習與訓練能降低心理努力程度，因而本研究推測翻轉課堂教學模式有助于降低學習者的認知負荷。

綜合目前關于翻轉課堂的研究，主要集中在兩個方面：其一是基于翻轉課堂的教育教學理念，探索翻轉課堂的不同教學模式；其二是通過一些教學實驗探討翻轉課堂教學模式對于學生學習成績的影響。Musallam（2010）提出了翻轉課堂的一種典型教學模式。該模式將學習分為知識的傳遞與知識的同化兩部分，這種教學設計在國內外均有成功的案例（宋艷玲, 孟昭鵬, 閆雅娟, 2014;Koo et al., 2016）。關于翻轉教學法對學生學習成績的影響還存在一定的爭議。有研究發現，翻轉教學法能提高學生學習成績（Baepler, Walker, &Driessen, 2014; Granero Lucchetti, da Silva Ezequiel, de Oliveira, Moreira-Almeida, & Lucchetti, 2018），在課堂上增加學生練習的時間（O'Flaherty & Philips,2015），減輕學習壓力（Marlowe, 2012），提升學習動機和自我效能感（A?iksoy & ?zdamli,2016）；能把認知負荷分布在各環節學習活動中，從而有利于學習（樂會進, 蔡亮文, 2019）。一些研究則發現，翻轉教學法對學生成績沒有顯著影響（Bishop, 2013; Dayton, 2019; Howell, 2013）。還有研究發現，翻轉教學法在教學中既有積極作用，也有消極作用（Hung, 2015）。研究結果的不一致可能和翻轉課堂實施的方式或課程的性質與特點有關，還可能與被試的先前經驗、學習自我調節能力、滿意度、動機等相關。如有的教師在課前讓學生觀看多個較為復雜的教學視頻，這容易給學生造成信息過載或過高的認知負荷（車敬上, 孫海龍, 肖晨潔, 李愛梅, 2019）。學習者的先前經驗、自我調節水平、滿意度與動機均是預測學習效果的重要變量（Kalyuga, 2007; Yilmaz, 2017）。對于具有不同先前經驗與熟練程度的學習者來說，教學與學習效果可能不一致，甚至會出現知識反轉效應（expertise reversal effect）。

知識反轉效應是指一種學習方式在學習初期對所有學習者都能起到促進作用，但在學習后期，對熟練、有經驗的學習者來說，不但起不到促進作用，反而會降低學習效果；或表現為知識水平較低的學習者學習效果好于知識水平較高的學習者（趙立影, 2014）。Homer和Plass（2010）在一項研究中發現，高中生的知識反轉效應比較明顯，但初中生不太明顯。可見，知識反轉效應會受到學習者認知發展水平的影響，具有一定的年齡差異。就目前的研究現狀而言，知識反轉效應在多媒體學習領域的多個方面都得到了證實，包括圖文表征（Lee, Plass, & Homer, 2006）、靜態與動態的可視化呈現（Kalyuga, 2007）、學習任務設計與指導（Chen, Kalyuga, & Sweller, 2017）、動畫與交互學習（趙立影, 2014）、動畫教學代理學習（李文靜等, 2016）等。那么，翻轉課堂作為一種新的教學模式，在對學生學習效果的影響過程中也有可能會出現知識反轉效應。當然，這需要進一步的研究加以驗證。

盡管翻轉課堂教學方法比較受歡迎，有一定的合理性，但還缺乏足夠的證據支撐（Pierce &Fox, 2012）。一些研究認為，該方法缺乏可靠的且嚴謹的研究設計，其理論基礎不夠堅實，研究還有待于進一步完善（Abeysekera & Dawson, 2015;Chen, Wang, Kinshuk, & Chen, 2014）。目前很少有研究從心理學角度探討翻轉課堂取得優異學習效果的心理機制，以及翻轉課堂中學習者的心理活動過程（宋艷玲等, 2014）。嚴格意義上說，翻轉課堂目前還只是一個教育理念，尚缺乏嚴密、清晰的理論框架與固定的模式，從而造成實施方式的多樣性及其不同的結果，這可能是造成當前爭議的重要原因。邱莉、陸迎迎和施國青（2016）認為，任何一種教學模式的產生與發展都必須符合一定的心理規律并有其實現的理論依據。總的來說，目前關于翻轉課堂研究的數量與深度皆提示該領域的研究還處于起始階段，有必要對翻轉課堂教學模式的作用機制做進一步深入、細致的考察。

本研究的目的首先是探討翻轉課堂教學模式影響學生學習效果的心理機制；其次是探討翻轉課堂對學生認知負荷及學習效果影響的內部差異。根據Musallam（2010）關于翻轉課堂的理論與研究，提出假設1：翻轉課堂教學模式能降低學生的認知負荷，提高學習成績，其心理機制是通過影響學生認知負荷而影響其學習成績的。根據Kalyuga（2007）與趙立影（2014）的研究結果，提出假設2：翻轉課堂教學模式對學生認知負荷及學習效果的影響有個體差異，存在知識反轉效應。

2 方法

2.1 實驗設計

采用不等組實驗組、控制組前測后測的準實驗設計。

2.2 被試

從吉林某省級重點中學高二年級12個平行班（非實驗班）中隨機選取2個班，共121人參加實驗，其中一個班設為實驗組，另一個班設為控制組。實驗組60人，其中男生28名，女生32名；控制組61人，其中男生27名，女生34名。被試平均年齡為16.35±1.21周歲。所有被試均自愿參加實驗，視力或矯正視力正常，均為右利手，以前都沒有體驗過翻轉課堂教學法。

2.3 測試材料

測試材料包括前測與后測試題、認知負荷測量量表。

前、后測試題均根據被試所使用的人教版高中數學必修系列教材編寫。其中，前測試題根據必修4編寫，包括三角函數、平面向量、兩角和與差的正弦、余弦等知識。后測試題根據必修5編寫，包括解三角形之正弦定理與余弦定理、數列等知識。兩者內容上有銜接，前者可以看作是后者的基礎知識。前、后測材料均由上課教師一人編寫，并負責閱卷評分。題型均包括選擇題（10題，40分）、填空題（4題，20分）與解答題（10題，40分），滿分為100分。測試時間均為100分鐘。

認知負荷測量采用PAAS量表（Paas & van Merri?nboer, 1994）。該量表內部一致性信度α系數為0.74，包括心理努力和任務難度兩維度，均采用9級評分制，要求被試在完成學習任務后，根據自己的感受從1～9中選擇一個合適的數字，從1到9程度遞增。其中，心理努力維度是指被試對完成學習任務過程中所付出的心理努力程度的評價，任務難度維度是指被試對完成的學習任務難度的評價。認知負荷指數為兩維度評分的均值。所有測試均在紙質材料上填寫。

2.4 實驗程序

本研究共進行了為期8周的教學實驗，均安排在正常的教學時間內，每周5學時，每學時45分鐘。實驗在兩間普通教室進行，內部環境保持一致。實驗開始第1周的第一次課，對兩組被試的數學基礎知識進行前測。授課教師相同，男性，高級職稱，所教班級數學科目成績排名均穩定在全年級前五名之內。

實驗組采用Musallam（2010）提出的翻轉課堂教學模式。具體操作如下：每次上課的前一天晚上，要求被試用學習機觀看教師提前錄制的視頻資料，內容為第二天上課將要學習的基礎知識與基本概念等。被試可以調節視頻播放的進度，如倒退、快進、暫停、思考、記筆記等，時長為1小時左右。上課時教師先解答被試觀看視頻過程中的若干疑問，并歸納其要點；然后，教師布置一些作業題，要求被試當堂完成，獨立完成或與他人協作均可；最后，針對本節課內容與作業，開展課堂討論，教師進行個別輔導，總結反饋等。控制組教學內容相同，但采用傳統授課的教學方式。上課的前一天晚上，要求被試先獨立完成當天教師布置的家庭作業，其內容與實驗組當堂完成的作業相同；然后預習第二天將要學習的新內容，時長為1小時左右。上課時教師先講解上一次的家庭作業；然后系統講授新學習內容中的基礎知識與基本概念；最后，教師歸納其要點，并布置家庭作業。

每次課結束后，進行認知負荷測量。認知負荷指數為每次測試的平均數。第8周最后一次課進行后測，范圍為這8周新學習的內容。實驗完畢后，所有被試均獲得一份小禮物。

2.5 統計分析

采用SPSS20.0統計軟件建立數據文件，并進行描述統計、t檢驗、非參數檢驗中Mann-Whitney U檢驗等。

3 結果

3.1 被試前、后測學習成績比較

實驗組與控制組的前測與后測學習成績的平均數與標準差見表1。獨立樣本t檢驗結果表明，實驗組與控制組的前測成績差異不顯著（p＞0.05）。實驗組與控制組的后測成績差異顯著，t(119)=2.15，p＜0.05，Cohen'sd=0.51，其中，實驗組后測成績顯著高于控制組。配對樣本t檢驗結果表明，實驗組的前測與后測成績差異顯著t(59)=-4.12，p＜0.01，Cohen'sd=0.56，其中，后測成績顯著高于前測成績。控制組的前測后測成績差異不顯著（p＞0.05）。

表1 實驗組與控制組前、后測學習成績的描述性結果與差異比較（M±SD）

3.2 被試認知負荷比較

實驗組與控制組8次認知負荷見表2，總的認知負荷為其平均數。獨立樣本t檢驗結果表明，實驗組與控制組認知負荷的差異極顯著，t(119)=-7.41，p＜0.01，Cohen'sd=1.35，其中，實驗組的認知負荷（4.56±1.18）顯著低于控制組（6.10±1.10）。

3.3 被試前、后測學習成績增值量比較

黃希庭和張志杰（2010）認為，不等組實驗組、控制組前測后測準實驗設計的數據分析一般采用參數檢驗中的t檢驗，即通過對兩組前測與后測差異分數的平均數進行檢驗，來推測出實驗處理的效應。統計結果表明，兩組學習成績增值量之間的差異極顯著，t(119)=5.74，p＜0.01，Cohen'sd=1.05，其中，實驗組的學習成績增值量（3.81±3.62）顯著高于控制組（0.92±1.45）。

3.4 實驗組內高分組與低分組認知負荷及學習成績情況

根據測量學標準，實驗組按被試的前測成績分為高分組（前27%）與低分組（后27%），分別比較其認知負荷與學習成績前后測的增值量。考慮到兩個組均為小于30的小樣本（n=16），本研究采用非參數檢驗中的Mann-Whitney U檢驗法。結果顯示，兩個組的認知負荷差異顯著（Z=-2.02,p＜0.05），其中，高分組的認知負荷顯著低于低分組；兩個組的學習成績增值量差異顯著（Z=-3.13,p＜0.01），其中，高分組（前：87.78±4.01，后：89.94±3.40）的學習成績增值量顯著低于低分組（前：57.31±9.26，后：62.94±9.44）（見表 3）。

表2 實驗組與控制組8次認知負荷指數（M±SD）

表3 實驗組內高分組與低分組認知負荷及學習成績增值量的差異比較（U）

4 討論

4.1 翻轉教學法對高中生認知負荷與學習效果的影響分析

本研究表明，翻轉教學法的運用能有效降低中學生的認知負荷。雖然以往幾乎沒有研究直接探討翻轉教學法對中學生認知負荷狀況的影響，但本研究結果驗證了Abeysekera和Dawson（2015）關于翻轉課堂的一個假設，即翻轉教學法能降低認知負荷，促進學生學習。在翻轉課堂背景下，學生能有較多時間進行自我調節的學習，而自我調節學習進程可以幫助學生管理認知負荷（Clark et al., 2007）；學生可以根據自己的負荷狀況調整信息呈現時間與學習進度，從而減輕認知負荷，促進工作記憶的信息加工效率（楊麗恒, 原文志, 馬建宏, 2015）。本研究結果也與Musallam（2010）的研究相一致。Musallam認為，在翻轉課堂的學習模式下，學生課前看相關的視頻資料，可以改變學習者頭腦中的圖式，促進學習材料間的元素互動，能有效降低內在認知負荷。本研究測量認知負荷的工具為PAAS量表，包括心理努力與任務難度評價兩維度，兩者都屬于主觀評價，而主觀評價對內在認知負荷敏感（Ayres, 2006）。DeLeeuw和Mayer（2008）也認為，心理努力評價對內在認知負荷敏感。因此，本研究傾向于認為，翻轉教學法降低的主要是內在認知負荷。當然，受當前認知負荷測量技術所限，還無法完全區分出各種類型的認知負荷，所以，也不排除翻轉教學法對外在認知負荷與相關認知負荷有影響。

本研究發現，翻轉教學法確實能提高中學生的學習成績，這與以往部分研究是一致的（Baepler et al., 2014; McGivney-Burelle & Xue, 2013）。Wuellner（2013）認為，一種教學方法如只改變傳統授課的信息傳遞方式，而在其他方面不做出改變是不太可能產生學習上的顯著增效。翻轉課堂教學模式從根本上改變了課堂與學校，盡量滿足每一位學生的需要，并為其制定個性化學習。翻轉課堂中，學生在課前自定步調、學習時間與地點，對學習過程中進行監控，對學習結果進行評價，能充分利用學生的元認知，促進知識的內化（王勇, 2016）。翻轉課堂模式中，知識的傳遞過程提前完成，課堂時間主要用于解決圖式形成過程中存在的問題，并吸收內化知識，大大降低了學生的內在認知負荷（宋艷玲等, 2014）。對于本研究與以往研究結果不一致的原因，可能是因為本研究嚴格參照了Musallam（2010）提出的翻轉課堂教學模式，沒有讓學生觀看太多的教學視頻，課前提供的材料難度也比較適中，因而沒有給學生帶來信息超載以及過高的認知負荷。另外，本研究選擇的數學學科知識邏輯性較強，前后之間的聯系緊密，可能比較適合使用翻轉課堂教學模式。可見，翻轉課堂雖然是一個比較好的教育教學理念，但在實施的過程中也應順應學生學習的心理規律，才能產生好的學習效果。從這個角度而言，本研究將有助于解決之前的研究爭議。

4.2 翻轉課堂背景下的認知負荷效應分析

本研究發現，在翻轉課堂背景下，高分組與低分組的認知負荷與學習成績前后測增值量之間均有顯著差異，雖然高分組的認知負荷顯著低于低分組，但其成績增值量也顯著低于低分組，這表明翻轉課堂教學法會導致知識反轉效應的出現。這也印證了Roelle和Berthold（2013）的研究。關于知識反轉效應的理論解釋，可能與認知過載和冗余效應兩種學習情境有關（張冬梅, 路海東, 祖雅桐, 2016; Jiang, Kalyuga, & Sweller, 2018）。知識水平較低的學習者由于缺少有效的外部支持信息，加工信息的效率低，容易造成認知過載。知識水平較高的學習者內部知識結構與外部支持信息之間可能存有重疊，容易造成認知資源的浪費，產生冗余效應（孫崇勇, 李淑蓮, 2017）。趙立影（2014）認為，知識水平較高的學習者還因為閑置的認知資源較多，容易疏忽，反而不能進行有效的認知加工，因此可能會在第三種情境即認知空載下出現知識反轉效應。本研究中，高分組已經具有一定的內部知識，需要耗費寶貴的認知資源處理因內部知識與外部知識重疊而產生的沖突，從而不利于學習。另外，高分組的認知負荷顯著低于低分組，表明高分組空余的認知資源多于低分組，但學習者可能沒有很好地加以利用，無形中浪費了寶貴的認知資源，從而導致學習成績增值量低于低分組。所以，本研究中出現的知識反轉效應更接近于上述的第二、第三種情境。一般來說，知識反轉效應與材料呈現方式、任務性質與難度、問題情境以及學習者的個體差異等因素有關（孫崇勇, 李淑蓮, 2019）。

本研究發現，翻轉課堂取得優異學習效果的心理機制主要在于，它是通過有效降低學習者的內在認知負荷而影響其學習成績的。值得注意的是，翻轉教學法對學習成績的影響不是短期的、立竿見影的，而是一個需要較長時間的潛移默化過程，學生需要花費一定時間來適應這種新的教學模式。為此，O'Flaherty和Philips（2015）提出，只有通過長期的縱向研究才能精確考察翻轉課堂教學模式的影響。另外，翻轉課堂教學法作為一種新生事物，雖然具有眾多優點，但不能保證對所有的學生都是同等有效的。知識反轉效應提示，在翻轉課堂教學過程中，教師還需要不斷地關注學生的認知負荷狀態及其對學習效果帶來的影響，以便隨著學習者知識經驗的不斷變化適時調整教學策略。

5 結論

本研究揭示了翻轉課堂取得優異學習效果的心理機制，即翻轉教學法通過有效降低學習者的內在認知負荷而影響其學習成績；但同時存在認知負荷的知識反轉效應，相對于高分者而言，該法對低分者的學習更加有效。所以，翻轉教學法的運用過程中須考慮學生認知負荷的變化及其學習效果，以便采取相應的教學策略。