认知负荷理论对技术“学困生”转化的实践研究

马功平

（浙江省慈溪市杨贤江中学，315300）

摘要：认知负荷理论是一种现代教育心理学理论，关注的是学生如何分配其认知能力以达到最佳的学习效果，它为“学困生”的教学研究提供了新视角。依托认知负荷理论，探讨在技术教学中如何减少学习任务中不必要的认知负荷，从而提高“学困生”的学习效率。

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关键词 ：认知负荷理论 通用技术 “学困生”

随着新课程改革的不断深入，“学困生”的学习愈加成为横亘在现代教学中的难题。对于技术“学困生”来说，一则学习时间紧，学业压力重；二则学科基础知识薄弱，没有形成健全的知识结构或自动化的图式。由此造成一个共同的显著问题，就是难以将通用技术知识建立起内在的联系，在解决实际问题时对通用技术概念和原理缺乏迁移，以至总的认知负荷超出了其认知承载能力。认知负荷理论对于优化通用技术教学有着重要的启示，教师在教学中应充分考虑认知负荷，最大限度地降低阻碍学习的外在认知负荷，优化内在认知负荷，增加相关认知负荷，使“学困生”合理地利用有限的认知资源，提高学习效率。

一、认知负荷理论及其对技术“学困生”转化的启示

（一）什么是认知负荷理论

认知负荷理论是由澳大利亚著名教育心理学家John Sweller及同事于1988年首次提出的。人的记忆系统主要包括工作记忆与长时记忆，认知负荷意指针对某一特定的认知任务，工作记忆系统对其进行加工和保持信息过程中所承受的负荷总量。John Sweller等的认知负荷理论的主要观点是：(1)工作记忆容量是有限的，使人们很难同时加工多种来源的信息。(2)长时记忆本身没有限制，知识以图式的形式存储于长时记忆中。(3)图式自动化是图式建构的重要过程，图式的构建能降低工作记忆的负荷。(4)当某种知识（或图式）含有多种相互作用的元素时，这些知识将加重认知负荷。

研究发现，认知任务所引发的认知负荷量主要取决于该认知任务的组织、呈现方式，内在本质特性以及认知者的专长水平这三个因素，缘此也就产生了外在认知负荷、内在认知负荷以及相关认知负荷这三种类型的认知负荷。其中，外在认知负荷主要是由于认知任务的设计与呈现方式不科学所引起的，这些与实质性认知加工过程无关的活动会额外引发工作记忆的认知操作，从而挤占一定的认知资源。因此，外在认知负荷也常常被称为无效认知负荷。内在认知负荷是工作记忆在加工处理认知任务本身所蕴含的信息内容时所产生的负荷，高低主要取决于认知任务本身及认知者固有的相关知识经验背景。相关认知负荷是指在新的图式建构或图式自动化过程中所占用的认知资源。

（二）认知负荷理论对技术“学困生”转化的启示

认知负荷理论认为，外在认知负荷、内在认知负荷以及相关认知负荷这三种类型的认知负荷是相互叠加的。它们的总和如果超过了工作记忆的总体承载能力，就会使学习陷入困境。这从理论层面上回答了技术“学困生”为什么会产生学习困难：在该生一定的原有认知结构下，要认知的技术信息总负荷超过了其工作记忆资源的总体承载能力。因此，有效的教学就是要充分考虑“学困生”有限的认知负荷，使“学困生”满负荷而不是超负荷的心理资源获取最多的知识。

外部认知负荷与相关认知负荷都受到教学设计的影响。但外部认知负荷对学习起干扰作用，而相关认知负荷能够对学习起促进作用。教学设计的本质就是由外部认知负荷向相关认知负荷转变，降低学生的外部认知负荷，增加学生的相关认知负荷，同时保证总的认知负荷在工作记忆承受负荷的“最近发展区”内。为此，笔者提炼了三种认知负荷的影响因素以及在课堂教学涉及的教学要素（如图1），希望能够提升教学设计的创造性，帮助“学困生”用相关认知负荷代替外部认知负荷，减少额外的认知加工活动，提高“学困生”的学习效率和自我效能感。

二、用认知负荷理论转化技术“学困生”的实践

（一）分离关联负荷，实行任务策略，降低内在认知负荷

内在认知负荷的高低主要取决于认知任务本身及认知者固有的相关知识经验背景，但对具体的认知主体来说，内在认知负荷的高低主要取决于认知任务本身，即元素数量及各元素间的交互性。因此，在教学设计中要降低内在认知负荷，必须设法降低认知任务本身的元素数量及各元素间的交互性。鉴于此，我们可以采用任务“先分后整”逐步呈现策略与任务“先简后繁”二次呈现策略的方法来降低内在认知负荷。“先分后整”逐步呈现策略是将复杂材料分为两个阶段呈现：第一阶段，将复杂材料分解成若干个信息单元并依次呈现，每次只需加工一个单元；在完成每个独立单元的学习之后进入第二阶段，同时呈现全部信息，并关注信息单元之间的关联。“先简后繁”二次呈现策略是指首先从学生在真实情境中所能遇到的最简单任务开始，逐渐增加任务难度，其本质就是“整体任务”，它从一开始就关注任务各个成分之间的协调和整合，强调让学生快速形成对任务的初步整体印象。

【案例1】控制系统方框图的复习。

通过设计并制作一个水温控制系统，了解闭环控制系统的组成特点和工作过程。教师可以向学生提出以下问题：(1)说出该控制系统中的输入量、输出量、控制器、执行器、被控对象分别是什么。(2)画出控制系统的方框图。(3)分析控制系统存在哪些干扰。(4)如果要提高控制系统的精确度应该对哪些部分进行改进。

控制系统的应用题就整体而言知识点比较零碎，各知识点的关联度较低。当以画出控制系统方框图等形式从整体上考虑时，对于“学困生”来说信息负荷较大，解题时很容易因荷载大而无从下手，一般要采取一定的方式将其简化。对于处于低水平的“学困生”来说，宜采取“先分后整”的方法，首先复习输入量、输出量和干扰因素等各个基本知识点并使其达到图式自动化，然后再综合起来复习该类型的题。而对于中等水平的学生而言，宜采取“先简后繁”的方法，即从整体上把握，从相对简单的开始然后逐步深入，让其通过练习使这些建构的图式进入长时记忆并较快地达到图式自动化，由此可以降低解答控制系统应用题时的信息负荷，同时也为将来解题时提取相关知识提供线索。

（二）优化教学内容的组织和呈现方式，降低外在认知负荷

由于外在认知负荷主要是由学习材料的组织和呈现方式引起的，所以应重新组织信息和材料来降低外在认知负荷。下述方法和原则都能从不同角度降低学生的外在认知负荷：按邻近原则呈现材料，避免注意力分散；清除多余信息，避免冗余效应发生；通过双通道效应分离视听信息，拓展工作记忆容量；信息呈现条理化，减少学生认知搜索；抽象信息形象化，降低学生认知难度；复杂信息简单化（如使用图表），简化学生认知加工；分化复杂任务，防止学生认知负荷超载。

1．利用多媒体提升教学效果。

在技术教学中，教师要为学生搭建问题解决的脚手架，实行“小步走”的原则，把大问题逐层分解成多个对解决大问题起决定性作用的小问题，从而减轻外在认知负荷，让学生把认知资源更多地用在本质知识的学习过程中。利用多媒体教学时，呈现的信息量大，但认知负荷也相应较大，若能依据技术学科的特点优化设计，借助多媒体技术合理呈现教学内容便能更高效地传递信息，达到预期的效果。

【案例2】“桥梁结构承重测试”教学片段。

(1)给每一个小组提供一座教学用桥梁结构，要求小组合作，设计制作桁架桥。提出问题：明确桁架桥采用什么材料？桁架桥的结构如何？桁架桥采用何种连接方式？此阶段主要是通过问题明确设计要求。根据邻近原则和双通道效应，把3个问题依次呈现在同一个屏幕上，并逐一用语言文字说明。

(2)根据提供的材料和工具，请各组完成桁架桥的设计方案和制作。

展示：请个别小组解说方案，展示构思草图或示意图及优秀的设计方案（如图3）。

(3)桁架桥的测试、评估及优化。

把试验过程分解成若干个子问题，通过导学案引导学生合作验证。把问题分解后，可以使不同的元素分离呈现，从而减少单位时间内需要付出的认知。

John Sweller指出，利用多媒体教学时，要注意将文字、声音和图像整合起来。教师要积极使用现代教育技术手段来降低外在认知负荷，从而增大课堂容量，提高教学效率。

2．利用样例效应帮助学生有效迁移。

在教学技术试验时，可以采用解答样例的办法来降低认知负荷，构建解题图式并形成解题技巧。

在处理复杂认知任务时，如果向“学困生”提供已经解答的问题样例，则能有效地提升其问题解决水平，解答样例能明确呈现解决问题所需的程序，凸显出关于图式特征的清晰信息让“学困生”只须注意与图式获得有关的信息，减少尝试错误，从而降低其工作记忆负荷，促进图式的获得和规则自动化。

【案例3】技术试验题解题样例。

浙江省2011年9月通用技术高考试卷中的一道题：国家标准规定中学生使用的跨栏架支撑脚长度约≤700mm，当跨栏架高度调到最低(1060mm)，在栏板中央受到16～20N的水平方向的力时应翻倒。如图4所示是某学校制作的跨栏架，请设计简易试验方案，检验该跨栏架是否符合要求，并回答问题（现提供跨栏架一个，滑轮、钩码若干，其余辅助材料自定）。

(1)选择合适的试验场地______（从①草坪；②操场跑道；③大理石地面；④玻璃台面中选择一项，将序号填在“______”处）。

(2)在给定的示意图上表示试验方法，并用文字说明主要步骤。

在教学这种类型的题时，可以借助解题样例建立这类题的解题模型并找出相应替换对象进行解答——

试验名称：研究对象的稳定性和强度的测试。

试验目的：测试研究对象的稳定性和强度。

试验准备：待测研究对象、不同重量的负载物及若干其他物理量。

试验过程及记录：(1)稳定性。将研究对象在平地上站立放稳，在研究对象的一侧逐一悬挂不同质量的负载（或前后左右摇晃研究对象），观察并记录研究对象是否翻倒。(2)强度。将研究对象在平地上站立放稳，在研究对象的两侧逐一悬挂不同质量的负载，观察并记录研究对象结构是否遭到破坏，记录破坏前的负载质量。

这种方法与常规教学方式相比，有效减轻了“学困生”的认知负荷，易化了认知技能的获得，提高了解题效率，利于“学困生”对原理和规则进行正确归纳和分类，极大地调动了学生的积极性。

（三）深化变式教学，唤醒认知投入，增加相关认知负荷

相关认知负荷可以促使认知主体把剩余的认知资源投入实质性认知加工活动中。学习的本质就是施加精确水平的认知，促使无关认知负荷向有效认知负荷转化。在技术教学中用到的增加有效认知负荷的策略有任务变异设计和唤醒认知投入等策略。任务变异设计即在学习任务时，变换任务本身和呈现方式，通过改变设问角度和层次或改变题设的情境进行变式教学。唤醒认知投入指的是教学中对于一些复杂任务，外在认知负荷降低可以短暂提高“学困生”学习的效率，但有些情况下即便外在认知负荷降低到了很低水平，但短期内成绩和问题解决并没有得到明显改善，这时就需要激发唤醒“学困生”投入认知和有效投入认知，增加相关认知负荷。

【案例4】设计应用题的教学。

在浙江省高考试卷中常采用设计应用题的形式考查学生的技术设计能力、创新能力和分析问题、解决问题的能力。由于“学困生”的知识储备相对匮乏，生活经验少，对结构设计所需的材料、连接方式、制作工艺等知之甚少，设计能力较弱，即使对题型进行了梯度设计，降低了外在认知负荷，“学困生”还是不愿或不能将多余的认知资源投入设计题的学习中。

认知心理学认为，如果相邻任务的解决依赖相同的技能，则干扰程度较低。所以，有效地增加相关认知负荷，必须引导“学困生”科学地建构知识网络结构，学会对典型例题进行变式运用，做到举一反三，熟能生巧。例如，根据草图设计的基本组成图形，归纳出一般的设计草图有三种零部件（箱子、轮子、架子）和三种“连接方式”（套接、合页、螺丝螺栓）（如图5）。让“学困生”采用模块化的“打包”方式去理解记忆基本图式，可以促进或增强图式发展和迁移，将这些连接方式与零部件应用到作品制作中（如图6）。

John Sweller等人认为，提供样例的变式是增加相关认知负荷的一个有效途径。他们认为，问题情境的变式可以鼓励学生发展图式，因为它能使学生把相似特征、相关特征与无关特征区分开来，从而有利于问题图式的建构。另一方面，为学生提供辨认相似特征的机会，扩展样例适用范围，从而促进或增强图式发展和迁移。因此，提供变式可以更好地促进“学困生”学习的迁移，有利于在变化的条件下把握原问题所要体现的知识点和思想方法，从而促进“学困生”的有意义学习。