認知負荷理論在新課程高中數學教學情境下的應用

季靈慶

【摘要】在高中整體教育水平穩定提升，教育環境愈發完善的形勢下，高中數學教學也逐漸邁入新的發展階段，其教學優化工作在高中新課程教學中的地位同樣有所提升.本文以此為背景，探究認知負荷理論在新課程高中數學教學中的應用途徑，為相關教師優化課程教學設計，有效提升課程教學質量，提供一定的參考依據.

【關鍵詞】認知負荷;高中數學;教學探究

引 言

高中數學作為學生進一步提升自身歸納總結能力、推理判斷能力、抽象轉化能力以及思維邏輯性的基礎課程，其在新課程逐步推進與落實的趨勢下，對培養學生學科素養工作愈發重視.而在總體課時資源不變的情況下，在保證課程教學進度與質量的前提下，為有效培養學生學科素養，認知負荷理論逐漸進入教師教學視野，其在高中數學中的應用途徑，也成為相關教師當下重點關注的問題.

一、認知負荷理論基本內容

認知負荷理論最早由約翰·斯威勒在1988年提出，是以人類認知記憶特性為研究基礎，將人的認知記憶分為工作記憶與長時記憶兩部分.針對工作記憶，認知負荷理論也稱其為短時記憶，其信息處理容量較小，往往只能憑借儲存的5～9條信息內容，同時處理2～3條信息的交互工作.而針對長時記憶，認知負荷理論則認為其容量充足，可以儲存各類信息.在此基礎上，認知負荷理論則認為在長時記憶中儲存信息是教學的主要功能，并且教學應利用知識信息是以圖示形式儲存在學生長時記憶中這一特性，利用教學影響促進圖示自動化，為工作記憶釋放一定的信息處理空間，進而提升其實際運作效率，從而在總體接受知識信息內容不變的前提下，減少不必要的認知負荷[1].

二、基于認知負荷理論的高中數學教學問題

（一）認知負荷理論認知不足

在新課程逐步推進落實的驅動下，認知負荷理論已經擁有一定的教學基礎和應用環境，但是部分教師對認知負荷理論的具體作用機制與實際應用側重認知不足，導致其不能有效調動認知負荷理論，完善課程教學結構，促使學生在新型信息處理模式中提升自身數學學習效率.同時，部分教師對認知負荷中的內在認知負荷、外在認知負荷、相關認知負荷的分辨與處理認知不足，導致其在設計課堂教學內容時呈現一定的混亂性，學生在無序的認知學習模式中，無法科學有效地運用數學思維處理課程知識內容，反而增加了無效的認知負荷，降低了其實際學習效率，削弱了課程教學效果.

（二）教學形式單一

認知負荷理論在課程教學中的應用，需要教師結合課程內容以及學生實際情況，采用多種教學措施或活動形式，針對不同的教學效應，將認知負荷理論與實際課程教學內容相結合，為學生構建科學認知學習機制，在提升其學習效率的同時，也能通過長期對其施加相應教學影響，促使其建立正確的學習思維模式與學習認知結構，進而將課程知識內容轉化為圖示形式，儲存在自身長時記憶中，強化課程教學效果.但在目前的高中數學教學中，部分教師仍采用單一的教學形式，這不僅抑制了學生數學思維發展空間，也不利于教師優化內在認知負荷，減少外在認知負荷，并在此基礎上增加相關認知負荷.

（三）認知負荷測量呈現主觀性

準確掌握學生在課程學習中的認知負荷情況，是教師在課堂教學中應用認知負荷理論的前提.但在目前的高中數學教學中，部分教師在測量學生實際認知負荷時，主要憑借自身教學經驗進行主觀判斷，從而導致學生在教師視野中呈現的認知負荷情況呈現一定的主觀性.而喪失科學性與客觀性的認知負荷判斷，容易令教師在應用認知負荷理論改善課堂教學模式時，在教學目標與教學調整方向方面出現錯誤，從而削弱認知負荷理論在課程教學中的應用效果.

三、認知負荷理論在高中數學教學中的應用途徑

（一）更新教學認知，強化已有知識與新知識的聯系

基于認知負荷理論的內容，教師應更新自身教學認知，意識到圖示認知結構是學生將信息內容按照特定思維方式進行整理歸類所需要的一種認知結構，其在學習認知環節的有效利用，可以幫助學生減少工作記憶（短時記憶）處理信息時所承擔的負荷，進而提升其課程學習效率.而針對高中數學教學內容，由于學生已經經歷了小學與初中兩個學段的數學學習階段，因此其長時記憶中已經存有一定的圖示認知結構[2].教師可在更新教學認知的基礎上，針對學生該項特征，通過構建新舊知識的有效聯系，促使學生利用已有的認知結構處理新的知識信息，減少內在認知負荷.教師具體可通過優化課堂導學環節，令學生明確課程學習目標，并運用已有知識結構處理新課程知識信息，有效調動自身長時記憶中的圖示認知結構.例如，在教學“圓柱、圓錐、圓臺和球”這一課時，教師應改變傳統數學教學中直接向學生介紹課程涉及的幾種幾何體的結構特點與形成過程的模式，而是利用認知負荷理論中的樣例效應，首先利用如圖所示的幾何體形成樣例引導學生利用原有的，與圓柱相關的圖示認知結構，分析圓柱體的形成機制，并借此樣例處理教師提出的問題“其他幾何體是否也可同樣利用該機制形成？”，進而利用與平面幾何圖形相關的知識結構，在樣例教學效應的作用下順利完成知識遷移，利用空間想象力得到圓錐、圓臺、球這三種幾何體，完成課堂導學任務.通過該課堂導學環節調整形式，教師一方面可借助圖形演示與樣例效應相結合的方式，減少學生在學習該課程涉及的幾何體知識時產生的外在認知負荷，一方面可借助平面圖形與幾何體的轉化過程，促使學生優化內在認知負荷，進而將圓柱、圓錐、圓臺以及球的結構特點與旋轉體、旋轉面的數學知識概念，轉化為進階圖示認知結構內容.

（二）豐富教學形式，優化知識呈現方式

為減少冗余效應為學生認知負荷帶來的不利影響，教師可通過引入信息技術豐富教學形式，在改善知識呈現方式的同時，也能利用其整合分散注意力效應、形式效應、瞬時效應等基于認知負荷理論的教學效應，優化內在認知負荷，降低外在認知負荷[3].例如，在教學“古典概型”這一課時，教師可借助多媒體課件與微視頻，選取學生生活中常見的古典概型體現形式，如學生在小學與初中學段常見的出拳游戲（剪刀、錘子、布），將設定人物甲，乙進行出拳游戲時產生的可能性，以動畫演示的形式展示給學生.為優化學生在理解古典概型的基本概念與概率計算公式時的認知負荷，教師可在學生觀察動畫演示的過程中，設置問題內容“出拳的可能性是否有限？”“甲、乙兩人在保持同樣的出拳速度的前提下，勝負概率是否公平？”，以此引導學生認知理解基本事件概念，以及古典概型的基本特征.首先，教師可通過引入信息技術演繹古典概型，利用形式效應，即利用信息技術在調動學生視覺與聽覺方面的優勢，代替單一的數學知識信息來源（紙面教材內容），以此提升學生知識信息加工效率，有效降低外在認知負荷.其次，教師可通過在動畫演示后，列出出拳游戲的各種可能性，利用圖文結合的形式，整合教學信息內容，降低分散注意力效應為學生認知學習帶來的不利影響，減輕其認知負荷.最后，由于無論是多媒體課件還是微視頻，都具備可重復播放或演示的特性，則教師可借此應對學生在處理概率分析問題時，所產生的瞬時效應，即通過提供可以被學生反復利用的資源，彌補其工作記憶在處理信息方面的缺陷，進而減低認知負荷，強化數學學習效果.

除此之外，教師可通過選用與學生生活常見的古典概型素材，激發學生學習興趣，進而強化學生相關認知負荷，促使其在固定的課堂時間內，主動投入更多的工作行為，強化課堂學習效果.

（三）完善認知負荷測量方式，實現多元化測量

認知負荷測量不僅是教師應用認知負荷理論開展教學活動的關鍵，也是其掌握認知負荷支持下的課堂教學成效的主要途徑.因此，教師應構建主觀測量、生理測量、任務績效測量三位一體的認知負荷測量體系[4].

針對主觀測量內容，教師可通過定期發布結構化問卷，收集學生在課堂產生的感受與學習體驗，進而利用心理努力與任務難度雙向評價機制，測量學生在數學學習過程中的認知負荷水平.

針對生理測量法，教師需要借助主觀判斷或儀器設備，分析學生在課堂學習中出現的生理反應，以此為依據分析學生認知負荷水平.但是教師在應用生理測量法時應注意，學生生理反應容易受到多方面影響，從而導致分析內容容易出現變化，因此在應用生理測量法時，應主要將其作為參考，而非主體測量方式.

而針對任務績效測量法，針對高中數學教學，教師可通過分析學生在課堂學習中的習題準確率、問題解答時間、錯誤頻率等指標，分析學生在數學學習過程中體現出的學習認知負荷水平[5].教師在應用任務績效測量法時，應注意學生受自身數學學習基礎與思維模式的影響，在數學學習過程中呈現一定差異性，因此教師在分析任務績效內容時，也要綜合考慮學習差異性為認知負荷帶來的影響，從而確保認知負荷的全面性.

結束語

綜上所述，在新課程背景下，為構建貼合教育發展趨勢，滿足學生實際學習成長需求的高中數學課堂，教師應合理應用認知負荷理論，通過強化已有知識與新知識之間的聯系、優化知識呈現方式、多元化測量認知負荷，幫助學生長時記憶變動內容，即在知識信息接收總量不變的前提下，有效提升工作記憶運作效率，進而提升其數學學習效率，并建立科學思維模式，滿足新課程對高中數學教學的要求.

【參考文獻】

[1]李迎，范文翔，張一春.基于認知負荷理論的問題式教學探究[J].數字教育，2019，5（4）：17-23.

[2]吳佳佳.高中生元認知能力對其數學樣例學習的影響研究[D].昆明：云南師范大學，2019.

[3]時彥鵬，劉妍，徐錚，楊振寧.認知負荷理論與注意相關理論對教學的啟示[J].山東農業工程學院學報，2018，35（9）：160-163.

[4]李艷.基于認知負荷理論的數學解題錯誤實證研究[D].武漢：華中師范大學，2018.

[5]楊武菊.高中幾何教學中樣例設計的研究[D].昆明：云南師范大學，2018.