基于“認知負荷”的試題分析與教學策略研究
——以2023年高考全國乙卷物理試題為例

衡 鑫，謝曉雨

1.西寧市第四高級中學，西寧 810003

2.北京師范大學物理學系，北京 100875

高考試題作為發揮考查功能的載體，承載著高中學段對物理學科教學內容的考查。要實現教－學－評一體化，發揮高考引導教學的核心功能，試題分析是不可缺少的環節。認知負荷理論是澳大利亞心理學家斯威勒基于認知學習研究成果所提出的理論，旨在幫助人類在從事復雜認知任務時進行高效的認知加工，盡可能減少加工負擔，釋放工作記憶容量，提升任務完成水平［1］。學生完成高考試題的過程也可以看作是在有限時間內從外界獲取信息，結合已有知識進行信息加工和結果輸出的過程，需要進行多重認知操作。

本研究基于認知負荷理論分析2023年全國乙卷物理試題（以下簡稱“試題”），以研究“考試如何考”，反思“教師如何教”，從而促進“學生如何學”，是高考試題分析思路和認知負荷理論應用的雙重創新，希望能為促進學生物理學科核心素養發展提供思路。

1 認知負荷理論簡介

認知心理學發現，人類的記憶主要是由容量有限的工作記憶和容量無限的長時記憶組成。長時記憶以圖示為單位對多個知識元素進行模塊式存儲，在使用時可隨時調用至工作記憶。而人類的認知加工包括序列性的流程加工和自動化的并行加工。序列性的加工主要發生在工作記憶中，其速度較慢，需要占用注意資源；自動化的并行加工主要是指長時記憶的調用，由于長時記憶中的圖示具有概括性，能減少信息加工單元的數量，故該加工方式不需要有意識的控制和資源消耗［2］。由此可見，要提高認知加工的效率，一方面需要提高長時記憶中的圖示數目和自動化水平，另一方面也要盡量減少工作記憶在信息加工和保持過程中所承受的負荷總量，即認知負荷水平。

認知負荷按照其來源主要分為內在認知負荷、外在認知負荷、關聯認知負荷三類。三者之和為工作記憶承受的總負荷［3］。

2 基于認知負荷的試題分析框架

三種認知負荷的來源各不相同，要了解試題中各個認知負荷的水平，可以從不同的維度建構基于認知負荷的試題分析框架。

內在認知負荷是由相對于學習者經驗水平的學習材料復雜性所帶來的負荷，既與材料本身有關，也與學習者現有認知水平有關。這樣的內涵決定了需要從試題內容本身進行內在認知負荷的分析。高考評價體系中的“四翼”就對考查內容做出了具體的要求，即物理科考試要增強試題的基礎性、綜合性、應用性、創新性，結合學科特點，將考查要求具體化［4］。這四個維度能在一定程度上反映試題相對于學生的難度，可作為分析內在認知負荷的維度。

外在認知負荷是由材料的呈現方式或教學活動帶來的非必要負荷。情境是實現考查內容、落實考查要求的載體，也是題目呈現的主要方式?？梢砸罁榫车姆N類、情境與內容的關聯程度來綜合分析試題的外在認知負荷。

關聯認知負荷是促進認知建構的負荷，聚焦于學習者已有經驗的調用，外在表現為促進學生關聯已有圖示解決問題。關聯認知負荷將任務與已有的圖示進行類比和遷移，不僅能降低工作記憶的負擔，更能提高長時記憶中圖示的概括性和自動化水平，進一步提高認知效率。

本研究以物理圖像作為分析維度，分析其對學生解題和關聯認知負荷的作用。從圖像的種類、數目、學生作答時發揮的作用等幾個方面分析試題的關聯認知負荷。

對于考生而言，高考的理想狀態是試題內在認知負荷和外在認知負荷都較低，而關聯認知負荷較高。這樣有利于學生進行高效的認知加工。但由于實際的試題具備服務選才的功能，其認知負荷水平并不是理想情況，需要建立框架進行分析。

綜上所述，本文構建的試題分析框架如圖1所示，依此框架對試題加以分析。試題共計16道，以每一題作為分析的最小單元。首先依據不同指標對題目進行統計，再對同一認知負荷維度下不同指標的數據進行交叉分析，進一步得到相應認知負荷的特點。

圖1 基于認知負荷的試題分析框架

3 基于認知負荷的試題分析結果

3.1 試題“四翼”難度梯度明顯，試題內在認知負荷合理

依據基礎性、綜合性、應用性和創新性對試題逐一統計?；A性和綜合性是結合考查內容相對而言的，每道題目能且只能取其一。應用性題目要能引導學生從“解題”向“解決問題”轉變，創新性則是創新試題呈現方式和設問方式的類型。當題目后兩個特點均具備時，選擇其更加突出的性質進行歸類。若上述特點均不具備，則按照僅具備基礎性或綜合性統計。

詳細分析結果如表1所示，試卷中有7 道基礎性題目、9 道綜合性題目、5 道應用性題目、7道創新性題目。但試題的內在認知負荷在所有基礎性題目中或所有綜合性題目中是否一樣，可以在基礎性和綜合性的分類前提下進一步以應用性和創新性進行交叉分析，結果如圖2所示。

表1 從考查要求分析試題的內在認知負荷

圖2 試題的考查要求統計圖

基于表1 的數據，圖2 統計了基礎性和綜合性題目中兼具另外兩個特性的題目數量。通過對比可知，雖然基礎性題目和綜合性題目在整體數目上相差不多，但有4 道僅具有基礎性的題目。相較于其他基礎性題目，這4 道題并不涉及應用或創新，整體的難度低，內在認知負荷水平也低。綜合性試題伴隨著知識與能力的綜合，更易兼具應用性和創新性，其中創新性又比應用性的認知負荷更高?？梢?，高考在“四翼”角度上細分了不同難度的題目，通過豐富題目的內在認知負荷層次，提高試題的區分度。總體而言，可以得出：試題“四翼”難度梯度明顯，試題的內在認知負荷分布合理，可以作為高考服務選才的保障。

3.2 情境與考查內容聯系增強，試題外在認知負荷較高

從情境維度分析外在認知負荷需要對情境進行更加細致的分類。根據情境內容可以分為生活實踐情境和學習探索情境。根據情境與考查內容關聯性的強弱，可以進一步將其劃分為“組合式、結合式、融合式”3 個依次遞減的等級［5］。如表2所示，可直觀地描述情境與考查內容的關系?？刹僮鞯慕缍椋骸皢栴}解決不依靠情境”為組合式試題，“問題解決依靠情境，情境的部分描述中隱含解題條件”為結合式試題，“問題解決依靠情境，情境的描述即為探究過程或物理過程、物理模型的描述”為融合式試題。

表2 情境與考查內容的關聯等級

以情境的類型、情境與內容的關聯程度作為具體的分析指標可得到表3 的統計結果。

表3 從情境類型分析試題的外在認知負荷

由表3 可知，從關聯程度上看，組合式的題目僅有1 道，結合式和融合式成為主流，其中又以融合式最多。題目情境呈現與考查內容聯系越發緊密，學生越難以用傳統的題海戰術應對。試題能夠真正考查學生面對情境時的表現，體現學生核心素養的高低。從情境內容上，有13 道學習探索情境的題目，3 道生活實踐情境的題目?？梢?，題目情境還是以學習探索為主，但也創新加入了國家科技發展和體育運動的生活實踐。情境來源和種類的豐富在一定程度上也會帶來文字描述、圖像表達、設問角度的多樣性，為學生抓住物理問題本質設立障礙，增加學生的外在認知負荷。但這些情境對于堅持立德樹人，引導學生全面發展有重要的作用。

基于表3 的數據，圖3 從情境與考查內容的關聯性出發統計情境類型。綜合來看，學習探索題目中情境與考試內容結合更緊密，而生活實踐情境依具體情境和內容而定。無論是從情境內容還是情境與考查內容的聯系看，高考試題都呈現出“用更加靈活的情境進行更有深度的考查”的趨勢。這樣的題目會增加外在認知負荷，對學生的理解能力、模型建構能力提出了更高的要求。但正因如此，題目才能篩選出不同認知水平的學生，落實立德樹人的根本任務。

圖3 試題的情境類型統計圖

3.3 物理圖像在題目和解答中呈現都能夠提高試題關聯認知負荷

雖然與問題深度關聯的新穎情境會給學生作答增加外在認知負荷，但物理圖像卻常常能幫助學生進行科學推理，建構物理模型。這實則是在增加試題的關聯認知負荷，從而促進學生進行信息加工。

從每道題目中的圖像個數進行統計，結果如表4所示?？梢?，大部分的題目還是以一個圖像為主，少部分完全沒有圖像的題目，是因為其本身難度并不大，像22 題、14 題就是學生非常熟悉的實驗和落體運動，16 題、33（2）題僅需公式即可解答。由此可見，沒有圖像的題目整體難度還是較低的。這些題目中出現圖片反倒冗余。其中，出現了一道題目中有4 個圖像的，是由于其將圖像作為選項，創新了設問角度，并沒有從圖像角度增加難度。而其他題目中的圖像對學生作答起到了哪些作用可以結合題目中圖像的種類進一步分析。

表4 從物理圖像分析試題的關聯認知負荷

圖4 是在表4 的基礎上又將物理圖像分成了物理情境圖和物理量關系圖，由于是對物理圖像進行的分類，就略去了沒有圖像的題目統計。

圖4 題目中物理圖像數目和種類統計圖

圖4 是在表4 的基礎上又將物理圖像分成了物理情境圖和物理量關系圖進行的統計。由于是對物理圖像進行的分類，就略去了沒有圖像的題目統計。總體而言，試題中的物理圖像還是以物理情境圖為主。作答中情境圖的作用不僅是解釋文字內容，標注物理量，更表現為：在情境圖中補充運動過程并尋找幾何關系；在所給圖像中補充已有的物理圖示實現輔助分析、快速作答；甚至有些情境圖可以啟發物理量關系圖的繪制，避免復雜的計算過程，從而直觀、快速地得到結論。

試題中的物理圖像能夠提高學生的關聯認知負荷，促進其了解情境，并將其與已有的物理知識關聯起來。在作答中情境圖多用于分析過程和尋找幾何關系，對于學生科學推理能力要求較高。如果學生能有較為多樣的問題表征方式，情境圖也能激發其自主繪制物理量關系圖，尤其是利用圖像分析相對運動中的問題，能大幅提高信息處理效率。

4 基于認知負荷的教學策略

基于上述分析結果，本研究得到以下教學策略。

4.1 開展單元教學，以物理概念的整合降低內在認知負荷

試題分析發現，基礎題的內在認知負荷較低，而綜合性試題更趨向于兼具創新性和應用性，體現了較高的內在認知負荷，整體“四翼”難度梯度明顯，但更考驗學生對物理觀念的完整理解。

單元教學注重不同知識間的聯系，在相同的背景下展開單元所有內容的教學，能夠幫助學生將相關聯的內容進行整合，形成完善的物理觀念。類似于長時記憶中的圖式，能對多個知識元素開展模塊式存儲，具有減少認知資源消耗、提高信息處理效率的優點，可有效降低內在認知負荷。

4.2 創設真實情境，以模型建構克服外在認知負荷

高考試題中情境與考查內容的聯系更加緊密，多以結合式、融合式出現，給學生作答帶來了更高的外在認知負荷。為突破這一難點，日常教學中可以多創設真實情境。平時的積累有助于提高學生思維的靈活性和深刻性，從而在高考中克服外在認知負荷的影響。

4.3 重視圖像表征，以科學推理提高關聯認知負荷

高考試題中物理圖像在題目呈現和解答中都能提高關聯認知負荷，促進已有經驗的調用，提高信息加工效率。在教學中要指導學生建立豐富的圖像表征，尤其要加強圖像的分析和應用，以達到深入認識運動過程、指導推理論證的作用。培養學生在物理表征與圖像表征的雙向推理能力，在反復的科學推理中增強解決問題的靈活性，從而提高關聯認知負荷，加速問題解決。