李迎 范文翔 張一春

摘 要：問題式教學有利于增強學生的問題意識、培養(yǎng)學生解決問題的能力，被廣泛應用于教學實踐中。認知負荷理論為問題式教學的有效實施提供了新的理論指導。在分析認知負荷理論的核心觀點與問題式教學特點的基礎上，構(gòu)建了基于認知負荷理論的問題式教學模式。該模式運用了一定的教學策略控制內(nèi)部認知負荷，減少外部認知負荷，提高相關認知負荷，將問題式教學過程中可能產(chǎn)生的認知負荷總量控制在學習者的認知負荷范圍內(nèi)，保證了問題式教學的高效實施。將該教學模式應用于教學實踐中，發(fā)現(xiàn)認知負荷理論對問題式教學的實施確實有積極的促進作用。基于實踐反思，文章總結(jié)了基于認知負荷理論的問題式教學的優(yōu)勢及建議，以期為開展問題式教學提供一些有益的參考。

關鍵詞：認知負荷理論;問題式教學;模式設計

中圖分類號：G434 文獻標志碼：A 文章編號：2096-0069（2019）04-0017-07

波普爾曾說：科學和知識的提升始于問題，終于問題。[1]愛因斯坦進一步指出：發(fā)現(xiàn)問題比解決問題更為重要。[2]因為學生的思維發(fā)展、知識增長，往往是從提出問題開始的，能夠提出問題對于學生而言是一項終生需要的能力?；诖吮尘?，問題式教學應運而生。問題式教學圍繞“問題”開展，致力于培養(yǎng)學生的問題意識。自1980年《關于行動的議程》文件中提出應將“問題解決”作為學校的一種教學模式以來，問題式教學就被廣泛應用于各級各類教育的教學實踐中。[3]既往的大量研究雖然證實了問題式教學確實有利于培養(yǎng)學生的問題意識，提升教學成效，但其有效性是以“問題”是適切的為前提。不少教師在創(chuàng)設問題情境與組織教學活動過程中忽略了學習者認知負荷的情況，“問題”的難度超出了學生的認知水平，致使學生在學習的過程中出現(xiàn)認知超負荷，從而嚴重影響教學成效。鑒于此，本文擬在認知負荷理論的指導下，構(gòu)建基于認知負荷理論的問題式教學模式，將任務產(chǎn)生的認知負荷盡量控制在學習者的認知負荷范圍內(nèi)，以期更好地促進問題式教學的有效開展。

一、概念框架

（一）認知負荷理論

美國心理學家米勒（Miller）從1956年開始進行腦力負荷和心理負荷方面的研究，并從信息加工角度提出了工作記憶容量的有限性。[4]之后，隨著布魯納對人類思維的研究、皮亞杰圖式理論的興起以及奈瑟《認知心理學》的出版等，認知心理學得到了極大的關注。[5]澳大利亞心理學家約翰.斯威勒（John Sweller）以信息加工理論為背景，以資源有限論和圖式理為基礎較為系統(tǒng)地闡述了認知負荷理論（Cognitive Load Theory，CLT）。認知負荷理論自提出后便得到了廣泛研究，主要包括學習者的認知結(jié)構(gòu)、教學效應以及認知負荷測量等內(nèi)容。[6]諸多研究證明，認知負荷理論為教學設計提供了新的理論框架，為教學實踐提供了積極有效的指導。由此，認知負荷理論逐步成為指導教學的一種重要的心理學理論。

認知負荷是指外部信息進入個體工作記憶中所需的心理活動總量[7]。學習者進行認知加工活動要消耗心理活動總量和相應的認知資源，當任務需要消耗的心理活動總量超出學習者自身的心理活動總量時，就會導致認知超負荷。超出部分的任務將不會被學習者有效加工。為避免出現(xiàn)認知超負荷，應設法促使學習者頭腦中圖式的構(gòu)建及自動化的形成。學習者一旦形成了圖式結(jié)構(gòu)，經(jīng)過訓練后便可實現(xiàn)自動化，從而省去任務的加工過程，突破工作記憶有效性的限制，實現(xiàn)降低認知負荷的效果[8]。

Sweller將認知負荷分為三類：內(nèi)在認知負荷、外部認知負荷和相關認知負荷[9]，認知負荷的分類及其主要影響因素如表1所示：

通過對認知負荷分類中內(nèi)在認知負荷、外部認知負荷以及相關認知負荷的內(nèi)涵及影響因素的梳理，可以得出運用認知負荷理論指導教學設計和教學實踐的核心思想是：通過控制認知負荷的各影響因素，進而控制內(nèi)部認知負荷，降低外部認知負荷，提高相關認知負荷，最終使任務產(chǎn)生的認知負荷總量在學習者的承受范圍內(nèi)，促使學生實現(xiàn)高效學習。

（二）問題式教學

問題式教學起源于20世紀50年代，可追溯至蘇格拉底的“產(chǎn)婆術”?！爱a(chǎn)婆術”指出通過引導學生自主探索達到學習的目的，是問題式教學思想的初步體現(xiàn)[12];杜威的“五步教學法”是問題式教學的進一步發(fā)展，包含發(fā)現(xiàn)問題、明確問題、提出假設、驗證假設、得出結(jié)論的完整的問題解決過程[13]。隨著教學模式和教學實踐研究的不斷深入，美國學者唐娜.奧格爾（Donna Ogle）于1986年提出K-W-L模式。K-W-L模式的流程是：首先明確學生頭腦中已有的知識結(jié)構(gòu)（what I know），然后通過小組協(xié)作探究確定解決問題所需的其他信息（what I want to know），最后學生對整個學習過程進行總結(jié)和反思（what I learnt）[14]。解決問題的過程都由表格記錄，因此可以觀察到學生的整個學習過程。

問題式教學又可稱為基于問題的教學?，F(xiàn)普遍認為，問題式教學是主張學生在創(chuàng)設的問題情境中，通過小組協(xié)作式學習方式解決問題，掌握既定知識與技能的教學模式[15]。問題式教學模式有三個要素，分別是問題情境、學生和教師[16]。問題情境是開啟教學活動的鑰匙，也是實施教學活動的基礎。問題情境是否恰當有趣、能否激發(fā)學生的學習興趣，將直接影響教學的成效;學生是學習活動的主體，學生通過教學活動獲取知識，同樣問題式教學需要學生的參與才能發(fā)揮作用，學生的積極性和主動性是教學活動能否成功開展的關鍵;教師是教學活動的組織者和引導者，教師負責問題情境的設計與統(tǒng)籌，學生解決問題的啟發(fā)、引導及評價等活動中至關重要，教師的專業(yè)素質(zhì)將會對問題式教學的效果產(chǎn)生直接影響。

二、基于認知負荷理論的問題式教學模式設計

（一）經(jīng)典問題式教學模式分析

具有代表性的問題式教學模式有“陳嚴模式”。首先教師設置問題，學生進行自主探索，然后在找到解決問題的其他信息之后進行組內(nèi)討論，發(fā)現(xiàn)新問題繼續(xù)進行探究。另一個具有代表性的問題式教學模式是由杜雪艷提出的，具體流程為：發(fā)現(xiàn)問題—整理和歸納問題—板書和梳理問題—分析問題進而解決問題—復習和鞏固問題[17]。

上述問題式教學模式相對比較典型，也被廣泛應用于教學實踐中，并取得了很好的教學效果?！瓣悋滥Ｊ健辈粌H包含問題式教學的整個問題解決過程，還注意引導學生不斷發(fā)現(xiàn)新問題，不將學生局限于教師設計的問題情境，不阻礙學生的積極探索，學生在學習過程中更自由和自主;杜雪艷提出的教學模式相對“陳嚴模式”更加完整和系統(tǒng)，包括了整個問題解決的流程，使問題式教學模式更加完整。但它們具有以下共同特點：教學活動都是以問題開始，以問題解決結(jié)束;都以問題為主線，包含提出問題、發(fā)現(xiàn)問題并解決問題的完整流程;都注重引導學生在解決問題的過程中發(fā)現(xiàn)問題，并逐步形成問題意識;都致力于使學生經(jīng)過問題解決在頭腦中形成完整的圖式結(jié)構(gòu)。

（二）基于認知負荷理論的問題式教學模式設計

根據(jù)上述經(jīng)典問題式教學模式的共同特點以及認知負荷理論的理念，問題式教學模式不僅應包含創(chuàng)設問題情境、解決問題、總結(jié)復習在內(nèi)的完整問題解決流程，還應將學習者的認知結(jié)構(gòu)及認知規(guī)律考慮在內(nèi)。因此，本研究以認知負荷理論為指導，構(gòu)建基于認知負荷理論的問題式教學模式如圖1所示。此模式包含四個環(huán)節(jié)：創(chuàng)設問題情境、解決問題、展示成果和總結(jié)匯報、反思評價。基于認知負荷理論的問題式教學模式增加了反思評價環(huán)節(jié)，反思評價是問題式教學模式設計中不可或缺的一部分，對教師調(diào)整問題情境、教學活動設計以及學生進行自我反思等都有積極的指導作用。

1.創(chuàng)設問題情境

問題情境是指在一定的情境中為實現(xiàn)某一目標所面臨的狀態(tài)。問題情境是設計和實施問題式教學的第一步，也是問題式教學是否成功開展的關鍵因素之一。問題情境的創(chuàng)設需要完成問題的選擇、描述及難度設置。從認知負荷的角度分析，問題的描述如果帶有很多無關信息，學習者就需要耗費有限的工作記憶容量去加工這些無關信息，這無疑增加了學習者的外部認知負荷。因此，應設法將問題描述清晰，盡可能降低學習者的外部認知負荷;由于內(nèi)部認知負荷和問題的難易程度有關，問題越復雜，需要占用的認知資源就越多，內(nèi)在認知負荷就會越大，但是如果學習者已有的圖式結(jié)構(gòu)與新信息的交互性越強，工作記憶加工新信息的速度及準確度就會越高，解決問題的效率也會隨之提高，內(nèi)部認知負荷相應地就會減少。所以，可從降低問題的復雜程度和完善學習者的認知結(jié)構(gòu)兩個方面來降低內(nèi)部認知負荷。

2.解決問題

解決問題是問題式教學實施的主要環(huán)節(jié)。此環(huán)節(jié)學生歷經(jīng)分析問題、解決問題、發(fā)現(xiàn)新問題的循環(huán)探究過程。此環(huán)節(jié)可能產(chǎn)生由學習資源或問題任務引起的外部認知負荷。問題及資源的呈現(xiàn)方式、呈現(xiàn)形式、呈現(xiàn)順序等都有可能產(chǎn)生外部認知負荷。因?qū)W生尋求問題答案需要經(jīng)歷對比、驗證等一系列的認知活動，這些過程都會占用學習者的認知資源，當認知資源被完全占用時，就無法進行有效的認知活動。因此，如果呈現(xiàn)問題形式混亂、資源呈現(xiàn)分散，整合分散資源和分析問題結(jié)構(gòu)就需要占用一定的認知資源，工作記憶總量不變導致加工有用信息的容量就會減少，從而產(chǎn)生更多的無意義學習。因此，此環(huán)節(jié)要盡可能地降低學習任務帶來的外部認知負荷，可從優(yōu)化問題呈現(xiàn)方式、呈現(xiàn)形式、呈現(xiàn)順序等方面盡可能降低外部認知負荷;教師還可以在學生解決問題的過程中進行積極有效的引導、合理運用強化策略來提高學習者的相關認知負荷。

3.展示成果和總結(jié)匯報

展示成果和總結(jié)匯報是問題式教學的重要部分，也是學生形成圖式結(jié)構(gòu)的主要環(huán)節(jié)。在認知負荷理論的指導下，問題式教學模式的匯報總結(jié)環(huán)節(jié)的重點是有效控制內(nèi)部認知負荷。學習者如果具備與學習任務相關聯(lián)的圖式結(jié)構(gòu)，內(nèi)在認知負荷就會相應減少[18]。圖式結(jié)構(gòu)由概念圖式（描述問題）和問題圖式（描述解法）組成，掌握一類問題的解答就相當于掌握了這類問題的解決圖式[19]。而專家和新手的區(qū)別就在于專家掌握了解決一類問題的圖式，當問題包含較多的已知條件或已知條件之間關系復雜時，新手和專家在問題解決的過程及效率方面就會產(chǎn)生明顯差異，新手需要歷經(jīng)由問題目標尋找已知條件、整合已有信息的逆向過程，而專家已經(jīng)具備相應的圖式結(jié)構(gòu)，可以直接由已知條件順序解決問題。很顯然，與專家解決問題相比，新手需要消耗更多的認知資源。因此，本環(huán)節(jié)要盡量完善學生的圖式結(jié)構(gòu)，從而降低內(nèi)部認知負荷。

4.反思評價

反思評價不僅可以指導優(yōu)化教學活動的設計及實踐，還可促進學習者進行反思，對問題式教學中的每一個環(huán)節(jié)都有一定的指導作用。從認知負荷理論出發(fā)，此環(huán)節(jié)可從提高相關認知負荷和降低外部認知負荷的角度控制認知負荷總量。從學生的角度分析，反饋的結(jié)果可以讓學生查漏補缺，激發(fā)學生的學習動機，使學生產(chǎn)生內(nèi)在的學習需求，從而提高其相關認知負荷，對下一次的學習活動有很好的奠基和指導作用;從教師的角度分析，評價貫穿于問題式教學的整個過程，教師可以根據(jù)學生課堂協(xié)作探究的情況優(yōu)化調(diào)整學生分組結(jié)構(gòu)，還可根據(jù)學生解決問題的情況對問題情境進一步優(yōu)化等，從而有效降低學習者的外部認知負荷。

三、基于認知負荷理論的問題式教學案例

通過對基于認知負荷理論的問題式教學模式每一個環(huán)節(jié)認知負荷情況的分析，以及怎樣使問題任務的認知負荷總量在學習者的認知負荷范圍內(nèi)的進一步論述，本研究從理論上闡明了在認知負荷理論的指導下，怎樣達到優(yōu)化問題式教學、實現(xiàn)學生高效學習的目的。但還需結(jié)合具體的教學內(nèi)容進行實踐論證，因此，本研究將基于認知負荷理論的問題式教學模式應用于教學實踐并進行效果分析。

（一）實踐流程

本研究將基于認知負荷理論的問題式教學模式應用于四年級數(shù)學的教學實踐中，以下將以四年級數(shù)學上冊的課程“神奇的莫比烏斯帶”為例，具體闡述實踐的過程。教學實踐按上述的創(chuàng)設問題、解決問題、展示成果和匯報總結(jié)、反思評價四個階段展開，在每一階段中都會運用一定的教學策略調(diào)控每一個階段可能產(chǎn)生的認知負荷。

1.創(chuàng)設問題情境階段

教師首先進行學習者分析，了解學生頭腦中已有的知識結(jié)構(gòu)，并對全班同學進行分組;進一步分析教學內(nèi)容，并結(jié)合認知負荷理論，確定本節(jié)課的教學目標為在學習者認知負荷范圍內(nèi)，通過動手實踐，了解“莫比烏斯帶”及其特征，激發(fā)學生學習數(shù)學的熱情;然后分析學生已有的圖式結(jié)構(gòu)與問題任務間的關聯(lián)程度，在確保完成教學目標的前提下，設置和學習者已有的認知結(jié)構(gòu)關聯(lián)度最高的問題任務;最后依據(jù)各類認知負荷的影響因素，用最簡潔明了的語言描述任務題目，創(chuàng)設符合學生認知規(guī)律的問題情境。

2.解決問題階段

首先將問題設置為由易到難的序列，上一個問題的答案可以輔助解決下一個問題，并且借助多媒體或是其他工具合理設置多種問題呈現(xiàn)方式，利用視頻或動畫等形式引入問題從而有效降低外部認知負荷。例如針對怎樣將長方形紙條對折，實現(xiàn)只有一個面的問題，教師可安排學生觀看過山車的動畫或視頻，引導學生觀察過山車運行的軌跡，嘗試對問題提出假設;然后小組通過實踐驗證假設，進而找到解決問題的方法。通過實踐將錯誤方法排除，通過討論交流整合信息，可降低學習者的外部認知負荷;教師采取恰當適時的強化措施，合理安排合作和競爭，盡可能幫助學生通過解決問題增強自信心，提高學習興趣，從而提高相關認知負荷。

3.展示成果和總結(jié)匯報階段

問題解決之后，學生代表進行總結(jié)匯報，匯報展示的小組重新梳理問題解決的過程，通過復習和鞏固問題完善解決問題的圖式結(jié)構(gòu)，并通過聽取其他小組的匯報，進行組間交流，學習解決問題的新思路、新方法，進一步整合知識圖式，有效控制內(nèi)部認知負荷，為下一次的學習活動打下良好的基礎;教師在匯報階段注意總結(jié)學生匯報過程中的問題并及時解決、強化重點，幫助學生梳理知識結(jié)構(gòu)，完成圖式的構(gòu)建及自動化，有效控制內(nèi)部認知負荷，以使下一次的問題解決更加高效。

4.反思評價階段

綜合多方面對整個學習活動進行多元評價，包括學生制作莫比烏斯帶的情況、在小組探究活動中的表現(xiàn)以及匯報的情況等。教師根據(jù)小組表現(xiàn)適當調(diào)整分組結(jié)構(gòu)，以最大化發(fā)揮小組協(xié)作學習的優(yōu)勢;根據(jù)學生在問題解決過程中的認知負荷情況，調(diào)整優(yōu)化問題情境，包括問題任務的復雜程度、呈現(xiàn)方式等多個方面;根據(jù)學生在問題解決的具體情況優(yōu)化教學設計，控制問題任務產(chǎn)生的認知負荷在學習者的認知負荷總量范圍內(nèi)，讓問題式教學在認知負荷理論的指導下更高效地實施。

（二）效果分析

經(jīng)過實踐探索，基于認知負荷理論的問題式教學取得了良好的實踐效果。具體體現(xiàn)在以下幾個方面：首先，學生的學習效率得到了有效提高，學生在進行符合認知規(guī)律的探究活動時，自身的積極投入以及教師及時有效的指導使學習效率得到了有效提高;其次，學生通過積極參與實踐活動，其學習質(zhì)量也得到了提高，觀察學生在問題解決過程中的表現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)學生已經(jīng)形成了完整的知識圖式結(jié)構(gòu)，這就意味著當再次遇到同類問題時，學生可以快速調(diào)取頭腦中已有的圖式結(jié)構(gòu)解決問題;最后，學生的學習興趣也得到提升，學生通過積極參與問題解決探究活動，在完成與自身認知和能力相匹配的學習任務后，自身成就感也得到加強，大多數(shù)學生對數(shù)學保持了較高的學習熱情。因此，我們認為認知負荷理論對問題式教學的實施有積極意義。

四、優(yōu)勢及建議

（一）優(yōu)勢分析

通過上述對基于認知負荷理論的問題式教學理論及實踐的論述，發(fā)現(xiàn)認知負荷理論為問題式教學的發(fā)展帶來了新的思路，基于認知負荷理論的問題式教學相比傳統(tǒng)意義的問題式教學存在一定的優(yōu)勢。

1.以認知負荷理論作為指導，為問題式教學發(fā)展提供新視角

問題式教學模式的構(gòu)建和實施都已相對成熟，現(xiàn)有問題式教學模式都是以建構(gòu)主義為指導，倡導以學生為學習活動的中心，通過解決問題來完成知識的建構(gòu)。而認知負荷理論的理念是通過控制認知負荷總量，盡可能使學生實現(xiàn)自適應學習，不產(chǎn)生額外的學習負擔。由此，認知負荷理論從一個新的視角為問題式教學的發(fā)展提供了指導。

2.學生通過解決問題掌握知識圖式，實現(xiàn)高效學習

問題式教學本身就是圍繞問題開展教學活動的一種教學模式，問題設置是問題式教學非常重要的部分。運用認知負荷理論指導問題情境設計，不僅可以使學習者獲取知識技能，還可以使學習者掌握一系列問題的解決方法，即掌握一類問題的解決圖式。學習者再次遇到同類問題時，不需要耗費認知資源來加工問題信息間的關系，可以直接調(diào)取問題解決圖式解決問題，從而實現(xiàn)高效學習。

3.課堂活動以問題為主線，注重培養(yǎng)學生的問題意識

問題式教學以問題序列為主線開展課堂活動，其目的不僅要培養(yǎng)學生解決問題的技能，還要學生在不斷解決問題的過程中發(fā)現(xiàn)問題，逐步培養(yǎng)問題意識，這才是問題式教學的重要意義。在認知負荷理論指導下，在教學過程中教師會通過不斷引導、合理安排獎懲以及學生之間的合作競爭關系，使學習者在認知負荷范圍內(nèi)完成一系列學習任務，獲得較良好的學習體驗。因此，以認知負荷理論為基礎構(gòu)建的學習活動，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)培養(yǎng)學生問題意識的目的，還能在一定程度上提高學生的學習興趣。

（二）建議

為使基于認知負荷理論的問題式教學更加完善和成熟，此處從問題式教學的三要素教師、學生、問題情境出發(fā)，對基于認知負荷理論的問題式教學的實施提出以下建議：

1.問題情境設計要有“方”

問題情境創(chuàng)設的好壞會直接影響問題式教學的質(zhì)量。因此，設計問題情境要注意一定的方式方法。比如，問題選取要和教學內(nèi)容密切相關，問題闡述要清晰明了，問題設置難度要適宜，問題序列要由簡單到復雜循序漸進等。以認知負荷理論為指導，探討優(yōu)化問題情境的方法和實施路徑，方能使基于認知負荷理論的問題式教學進一步發(fā)展。

2.強化教師的指導

教師在問題式教學中的作用是不容忽視的，不論是前期問題情境的設計，還是教學活動的組織安排、貫穿始終的教學評價都強調(diào)教師的引導作用，尤其是教學活動的組織安排。小組探究過程中教師適時引導、恰當提示問題解決的方向等，可以降低學習者的認知負荷，從而提高學習效率。

3.提高學生的參與意識

問題式教學相對傳統(tǒng)教學模式而言，對學生的自主性有更高的要求。學生也是整個學習活動的中心，提高學生的參與意識對問題式教學的成功實施是非常關鍵的，學生的高度參與會直接提升其解決問題的效率和質(zhì)量，也會間接提高學生的學習興趣。如果學生能夠積極認真參與學習活動，就可以很快掌握知識結(jié)構(gòu)，從而提高自信心。

五、結(jié)語

基于認知負荷理論的問題式教學模式立足于學生本身的認知過程，在培養(yǎng)學生形成問題意識、促進學生形成完整圖式結(jié)構(gòu)的同時，還能提高學生的學習效率和學習興趣。基于認知負荷理論的問題式教學符合教育改革及素質(zhì)教育對人才培養(yǎng)的要求，不僅為問題式教學的變革提供了一個新的方向，也為教育教學理論和實踐的發(fā)展提供了有益的參考和借鑒。在理論方面，基于認知負荷理論的問題式教學模式從學習者的認知結(jié)構(gòu)和認知規(guī)律出發(fā)，從信息加工的角度分析學生的認知加工過程，通過調(diào)控各類認知負荷的影響因素，進而控制任務產(chǎn)生的認知負荷總量在學習者的認知負荷范圍內(nèi)。在實踐方面，基于認知負荷理論的問題式教學模式為教學實踐提供了更具操作性的指導，運用一定的教學策略降低問題式教學實施的每個階段中可能出現(xiàn)的內(nèi)、外認知負荷，并提高相關認知負荷，使學生實現(xiàn)了認知負荷范圍內(nèi)的高效學習。

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（責任編輯 喬磊）