数学课件设计中降低认知负荷的有效策略——以初中数学PPT课件设计为例，本文主要内容关键词为：为例论文,负荷论文,认知论文,课件论文,初中数学论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
数学新课程标准指出：“现代信息技术的发展对数学教育的价值、目标、内容以及学与教的方式产生了重大影响。”[1]课件作为现代信息技术对课堂教学产生重大影响的重要载体，其设计理念、方式、方法均会不同程度地对学生学习产生影响。由于图像和文本信息同时呈现，容易导致认知负荷的超载状态，因而不适当的课件设计将会对学生的认知学习产生不必要的负面影响，这种影响最突出的表现之一是增加学生的认知负荷，降低学生学习效能。因此，从课件设计这一视角去研究降低认知负荷问题，从源头上解决课件对学习者的负面影响，是一个非常具有现实意义的重要课题。
一、认知负荷理论
认知负荷理论(cognitive load theory)起源于欧美的人体工学或人机工效学领域，从心理、生理与认知层面，探讨工作与任务对执行者的影响与适合性。在早期“认知负荷”被称作“心智工作负荷”，用于军事与各种企业上，直到澳大利亚心理学家斯威勒(Sweller)1988年将此观念引入学习效果研究，才开始聚焦于从认知层面探讨学生学习的影响，并命名为“认知负荷”。认知负荷的概念是建立在以下理论假设之上的[2]：(1)人类的工作记忆容量是很有限的，若需一次处理多个信息，且待处理的信息本身的内部要素互动性很高，必须相互参照才能了解，会更耗费短期记忆容量，因此产生更大的认知负荷，造成学习困难。(2)人类对于长期记忆并没有直接的意识，且长期记忆没有容量的限制，它所储存的知识内容，是区别专家和生手的主要来源。(3)根据基模理论，知识是以基模的形式储存在长期记忆中的，基模在长期记忆中可以发挥组织与储存知识的功能，并减低工作记忆的负荷。(4)人类所有的信息都是透过控制式或自动式的处理。控制式的处理发生在意识层面，占用许多工作记忆空间，而自动式的处理较少为意识所监控，使用极少的工作记忆容量。
认知负荷是指在执行某种作业的过程中，因作业特性所需的认知能量或认知资源所造成认知系统（特别是工作记忆）的负载状态。斯威勒将认知负荷区分成：内部认知负荷、外部认知负荷和相关认知负荷，并将其对学习影响的效应分为注意分散效应、冗余效应、图表效应、形式效应、简化搜索效应等。
二、认知负荷理论对数学课件设计的意义
初中数学教师普遍对课件设计的教育学、心理学的认识不是很到位，这样就容易引发教师不适当地设计和运用多媒体的手段，造成信息过载现象。了解认知负荷理论对教师设计数学课件有积极的指导意义和实践价值。
1.有利于树立正确的课件设计观
迈尔(Mayer)曾经指出，任何多媒体信息都不是平等有效的，因此我们的目标是怎样设计多媒体信息来促进有意义的学习。这就告诉我们，任何多媒体信息只有在恰当的时候用在恰当的对象上，这些多媒体信息才能成为有价值的、有效的信息。忽视这一点，就会犯课件设计“技术至上”的错误。过分强调课件本身，本末倒置，将多媒体课件的辅助性、科学性、数学性抛弃，忽视学习者特征，为课件而课件，降低教学的有效性。认知负荷理论时刻提醒教师在设计数学课件时，必须树立正确的课件设计观，一切为了学习，一切为了学生，适当设计多媒体信息，充分发挥课件辅助作用，促进教师的教和学生的学。同时，课件设计作为教学系统设计的重要环节，其设计理念和方法会不同程度地影响整个教学设计。树立正确的课件设计观，有利于教师改变教学观念，以学生为主体，重视学生的学习、社会经验，设计高效的学习环境，提高课堂教学的针对性和有效性。
2.有利于实现教学过程的最优化
教学过程最优化是前苏联著名教育家巴班斯基教育思想的核心。他指出：“教学过程最优化是在全面考虑教学规律、原则、现代教学的形式和方法、该教学系统的特征以及内外部条件的基础上，为了使过程从既定标准看来发挥最有效的（即最优的）作用而组织的控制。”[3]在现代课堂教学中，教学媒体设计是准备课堂教学的非常重要的任务之一。教学媒体绝大多数要贯穿整个数学教学过程，因而其设计与整个教学过程的最优化息息相关。认知负荷理论能指导教师充分利用数学课件辅助教师进行课堂教学，实现课堂教学效益的最大化，提高教和学的有效性。
3.有利于多媒体课件素材的选取及组合
许多数学教师将教材搬上课件时，不作适当加工，课堂信息量过大，课堂教学中认知超载现象严重，或者多媒体素材组织方式不当，造成学习干扰。了解和掌握认知负荷理论有助于教师在数学课件设计中，适当选取多媒体课件素材，并加以合理组合，规避因课件不当带来的教学风险。因此，教师在设计数学课件时，应尽量考虑选取单一而紧密的表达方式，选取有利学习的素材，并进行合理剪辑，不要出现过多需要学习、思考的信息，并移动简单重复的内容，降低认知负荷的可能性。
三、有效降低认知负荷的课件设计策略
台湾学者黄柏勋综合众多学者的观点，将认知负荷的来源归纳出3个方面[2]：(1)工作任务。包括新型态任务与否、时间压力、奖赏类型、激励程度、期望、噪音及温度等因素。(2)学习材料。主要包含学习材料的结构复杂程度、成份间关联程度的高低以及信息材料呈现的方式等因素。(3)个体本身。涵盖个体的先备知识或经验、心智运作自动化程度、组织信息的方式、认知能力、认知风格、动机等因素。当然，与课件设计相关最大的是学习材料和个体本身，本文也主要从这两方面考查其对课件设计的影响及对策。有效降低认知负荷的课件设计策略也应该由此衍生。结合我们数学教学经验，有效降低认知负荷的课件设计策略至少应该包括如下几方面：
1.通过数学样例技术降低认知负荷
斯威勒曾通过一系列实验证明了样例技术对促进以数学为基础的内容的广泛领域内的学习非常有效。[4]初中数学的学习主要通过数学样例来呈现解决不同问题类型所需的程序，包括等同于图式和自动化的清晰信息，学生在学习这些样例过程中，获得知识和技能。当然，选取的数学样例必须有明确的解决方案，便于学生了解相关学习情景，从解决程序中学会相关知识，掌握相关技能。
在设计课件时，要尽量选取有多种解决方案的样例，并分解解决问题的程序。以八年级上册《轴对称》的内容为例，笔者选取下面的样例：
如图1，已知：△ABC中，∠C=2∠B，AH⊥BC于H，D是AC中点，DE∥AB，求证EH=AC/2。
图1
这道几何证明题至少有4种以上的解法，主要包括几何和代数两大类，每类有2种方法。这个数学样例能调动学生利用此题用全部初中知识来解决数学问题，多角度分析问题。为了让学生了解这个样例的思维过程，课件设计时通过构建“相关知识链接”“题目解析”“解决过程”“相关问题”4个模块来引导学生解决问题的程序和方法，并以样例A，问题A，样例B，问题B……的形式呈现样例，告诉学生成对材料的特征，并要求认真学习每个样例。
2.通过导航归类技术降低认知负荷
为了提高学习的有效性，针对复杂学习任务，要将其分解成小的知识模块，并结合学生已经解决的数学样例。为此，课件设计要注意其易操作性，简化课件操作程序，保持软件操作的一致性。在课件设计实践中，尽量将数学知识与概念分成小模块呈现，并将其归好类，设计好易操作的导航链接，避免“迷航”现象，从而提高课件辅助教学的效率。
以初中数学《实数》为例，在设计PPT课件时，将实数分为有理数和无理数，有理数又分为正、负有理数，无理数也分为正、负无理数。为了让学生对“实数”有个很好的整体概念，笔者特意用概念图软件制作了“实数”概念图，并做好了超级链接，将它们分别链接至相关概念呈现页面。同时，将课件设置了导航界面，以“实数”概念图为纲（如下页图2），将课件设置为5个模块：“概念学习”“样例区分”“课堂训练”“课后作业”“探究活动”，每个模块下又细分成小模块，而且每个模块都有上面5个大模块的导航链接，方便教师随时选取某个模块讲解，既避免了“迷航”现象，又增加教学的灵活性和易操作性。
图2
3.通过简单合理的组织方式降低认知负荷
在初中数学课件设计中，有些教师喜欢将有趣而与教学关联不大的动画或声音放在课件中，或者将教材内容堆放在PPT课件中，或者为了课件美观将喜欢将声音、图片、文字放在一起，课件组合的方式非常不合理，提高了学习者的认知负荷的强度。实际上，数学课件对声音、图片或文字等美观性要求不是很高，重点是强调科学性、准确性。因此，必须通过简单合理的组织方式，降低认知负荷强度。
认知负荷理论中有简单搜索效应、注意分散效应、冗余效应等各种效应，主要告诉我们必须注意课件素材的组织方式。在课件设计过程中，必须依据时间接近性和空间接近性一一呈现相关信息，并以系列化、整体化的课件界面呈现给学习者。同时，必须将复杂的学习任务以简洁的、清晰的、统一的界面呈现已经分析细化的任务模块，通过听觉和视觉双通道增加学生有效学习记忆的空间，降低认知负荷的强度。
认知负荷理论告诉我们，在屏幕上搜索相关信息对认知有很高要求，并且损耗宝贵的认知资源。[4]因此，在课件设计过程中，不要把太多的信息放在同一课件界面上，而是要整合相关信息，通过色彩、字体等突出重要信息，以统一的样式确保学习者快速高效地查看信息，提高课件辅助的效果。
4.通过学习者设计技术降低认知负荷
在课件制作与运用的实践中，许多教师有这样的经历：同样的教师、同样的课件、同样的教学方法，在不同的班级教学会获得不一样甚至差异巨大的效果。其原因是课件设计中缺乏学习者设计这个重要而极易被忽视的环节。教学实践课件的设计必须考虑学习对象的实际，了解学习者已有的认知水平和知识经验甚至学习动机，做到有的放矢。以笔者任教的两个班级为例，一班数学基础好，非常喜欢数学这门学科，学习主动性和积极性很高；五班则数学尖子少，差生多，对数学学科兴趣不大，缺乏学习的主动性。因此，在设计课时，在数学内容上，一班学习样例多且有一定难度，作业布置相对较多，难度也稍大，而五班则选取比较浅显易懂的样例，布置的作业也是基础性的，难度和量都不大。因此，设计数学课件时，必须了解学习者原有知识结构、理解水平、学习风格、兴趣态度，特别在设计地市级课堂教学比赛课件时，面对陌生的班级、陌生的环境，更需要了解学习者，针对学习者的学习背景、经验、习惯等，及时调整所选取的样例或多媒体素材以及界面、呈现时间长短，增加课堂突发事件机动环节设计的内容。
总而言之，从样例、导航等角度去规避课件设计带来的学习风险（增加认知负荷），显然是行之有效的。当然，光有这些仍不够，还需要教师在课件应用过程中，根据教学需要和课堂实际，及时调整、控制课件播放的速度、内容，灵活处理教学意外，增强课件的有效性和针对性，将课件的辅助效能达到最大化，实现教学过程的最优化。