新人教版初中物理教材＂问题＂栏目的认知负荷分析和教学建议——以＂运动与力＂部分为例

【原文】

《物理教师》2025年1月第8~12页刊登文章。   

【课标与教材】新人教版初中物理教材"问题"栏目的认知负荷分析和教学建议——以"运动与力"部分为例

作者：江玉，南京师范大学教师教育学院，江苏南京210023；

刘小贤，南京师范大学物理科学与技术学院，江苏南京210023.

通信作者；刘小贤（1978一），女，江苏溧水人，博士，南京师范大学物理科学与技术学院副教授．研究方向：理论物理和中学物理教育．电子邮箱：06170@njnu.edu.cn.

摘要：新人教版初中物理教材在每节节首新增的"问题"栏目是该教材的一大特色．基于认知负荷理论的影响因素构建认知负荷的分析框架，对8年级下册物理教材的"问题"栏目进行认知负荷分析，发现以下特点：把握问题的难度，链接已有经验，关注内在认知负荷；重视问题的呈现，联系背景条件，降低外在认知负荷；构建真实的情境，激发学习动机，增加相关认知负荷．在应用教材进行教学时，可以通过设置问题支架，分解内在认知负荷调整问题呈现方式，降低外在认知负荷；创设真实问题情境，增加相关认知负荷。

关键词：物理教材；"问题"栏目；认知负荷；教材分析

在当前教育改革的背景下，《义务教育物理课程标准（2022年版）》（以下简称"课标"）对教学方式的转变做出了相应的要求，特别强调问题教学对学生科学思维和探究能力的培养．为落实"课标"这一要求，新人教版初中物理教材在每节节首新添了"问题"栏目．该栏目以贴近生活、充满趣味性的问题引入，调动学生的主动性，为后续的教学奠定基础．然而，要使"问题"栏目发挥其最大的作用，应采用科学的理论深入分析和优化。"课标"中提出"教材的内容选择应考虑义务教育阶段学生的心理特点和知识基础".作为心理学领域的重要理论，认知负荷理论关注个体在学习时的认知加工过程以及认知资源的分配情况，因此将该理论应用于教材问题栏目的研究中，能深入剖析学生在面对这些问题时的认知负荷情况，从而提出相应的教学优化策略．本研究以运动和力部分的内容为例，对新人教版初中物理"问题"栏目给学生产生的认知负荷进行分析，提出相应的教学建议．

1  认知负荷理论

认知负荷理论是一种心理学理论，最早由澳大利亚认知心理学家约翰·斯威勒提出，旨在解释个体在进行认知任务时所承受的认知负荷程度．人类认知系统存在有限的认知资源，在处理信息时会面临认知负荷，即认知系统所需的认知资源与可用资源之间的差异.

根据认知的信息加工理论，人类对信息的加工分为3个阶段：长时记忆、工作记忆和感觉记忆．长时记忆系统是对经过工作记忆系统加工处理后的信息赋予意义并将其长久贮存起来的心理结构，其储存信息的容量是无限的．所有的信息在进入长时记忆之前，必须先进入工作记忆中进行加工．工作记忆系统是对认知任务予以加工处理的心理结构，工作记忆对新信息的加工容量是有限的．当同时进行多种认知加工活动时，认知资源不可避免地被分配到各个任务中，而认知资源在分配过程中遵循"此多彼少，总量不变"的原则．当个体在完成某项任务而进行认知加工时，所需的认知资源总量超过了已有的认知资源总量，便会造成认知负荷，影响工作效率.

斯威勒等人根据认知负荷的主要影响因素、来源及性质将认知负荷分为3大类：内在认知负荷、外在认知负荷和相关认知负荷，3者相加为总的认知负荷．［内在认知负荷是指学习材料的内在特征作用于学习者的工作记忆所产生的负荷，内在认知负荷的高低由学习材料的特征和学习者的先验知识所决定；外在认知负荷是指处理与学习目标无关的信息所做的认知努力，通常情况下，外在认知负荷受学习内容的呈现形式和教学的组织形式的影响；相关认知负荷是指在完成学习任务过程中，将剩余的认知资源投入到处理和整合信息的学习中，当学习者的自组织能力和自主学习能力提升、相关学习兴趣和动机出现，相关认知负荷就会增强，有利于促进图示的建构.

在总认知负荷中，外在认知负荷的影响非常大．斯威勒基于认知负荷的影响因素提出了降低学习者外在认知负荷的策略，其中注意力分散效应、想象效应、元素关联效应、冗余效应、通道效应更适用于解读教材问题栏目中问题的组织和呈现形式，如表1所示．

2  "问题"栏目的认知负荷分析设计

2.1  分析维度的确定与编码

对于教材问题栏目的认知负荷分析，本研究基于3类认知负荷影响因素，从问题的难度、问题与图示的相关程度两个维度分析教材问题栏目的内在认知负荷；从问题的呈现形式、问题的结构、问题的类型、问题的关联性、问题与背景信息的结合程度5个维度分析问题对学习者产生的外在认知负荷；从问题情境来源、问题情境的真实性两个维度分析相关认知负荷，如表2所示。

教材"问题"栏目的内在认知负荷从问题的难度（ A ）和问题与图示的相关程度（ B ）两个维度进行分析．按照杜明荣对认知加工的层次划分，将问题的难度依次划分为辨识（A1)、记忆（A2)、发散(A3)、聚合（A4)．辨识水平是识别题目信息即可作答；记忆水平是从长时记忆中直接提取信息作答；发散水平是对提取的信息进行加工拓展后作答；聚合水平是对从长时记忆中提取的多条信息综合加工后作答．其中辨识和记忆水平的问题较为简单，对学生产生的内在认知负荷较低，而发散和聚合水平的问题需要学生投入更多的认知资源，故其导致的内在认知负荷较高．问题与图示的相关程度分为强关联（B1)、弱关联（B2）和无关联（b3)．强关联表示解答问题完全依赖于头脑中已有的图示，需充分理解图示中的内容，将其运用到问题的解答中来；弱关联指解答问题以已有的知识经验为背景，从中获得一些提示；无关联是指解答问题无需用到已有知识经验，或头脑中无相关的图示，问题与图示强关联时，无需在头脑中进行信息加工，该类问题对学习者产生的认知负荷最低，无关联类问题会使学习者感到迷茫，因此认知负荷最高．

教材"问题"栏目的外在认知负荷从问题的呈现形式（ C )、问题的结构（ D )、问题的类型（ E )、问题的关联性（ F )、问题与背景信息的结合程度（ G )5个维度分析．问题的呈现形式分为文本（C1)、文本＋图片（C2）两种．问题的结构分为结构良好问题（D1）和结构不良问题（D2)，结构良好类问题的主要特征：问题的信息清晰完整、目标明确、解题方法唯一；相反，结构不良问题与真实情境相关联，问题界定不清晰、目标界定不明确，问题的答案具有开放性．初级知识的获得需要结构良好类问题的练习巩固，高阶思维的培养依靠结构不良问题的引导．3教材中问题栏目处于一节课的开头，学习者还未获得完备的知识，不良结构的问题会给学习者带来巨大的心理压力，从而产生较高的外在认知负荷．问题的类型包括：选择判断（E1)、描述解释（E2)、论证推理（E3)．问题的关联性分为单一问题（F1）多问题相互联系（F2)、多问题相互独立（F3)．每节问题栏目中的问题数目不等，对于有多个问题的栏目，问题之间的关联程度也会影响学生处理问题时的认知资源投入情况．只有一个问题时，带给学生的外在认知负荷较低；根据认知负荷理论中元素关联效应，问题与背景信息的结合程度分为：分离（G1)、嵌入（G2)、结合（G3)．其中分离是指背景信息的存在无任何意义，不考虑背景信息也可解决问题；嵌入是指背景信息的存在提高了问题的可读性，使问题更清晰明了；结合是指问题的解决需要在充分理解背景信息的情况下才可实现．根据认知负荷的冗余效应，对无关信息进行加工时，会导致外在认知负荷增加．所以当背景信息与问题相分离，背景信息无存在的意义，即为无关信息．

教材"问题"栏目的相关认知负荷从问题情境的来源（ H ）和问题情境的真实性（ I ）两个维度分析．问题情境的来源分为：日常生活（H1)、物理实验（H2)、学科知识（H3)、自然现象（H4)、科技与生产（H5)．来源于日常生活的情境最贴近学习者的已有认知，有利于促进图示的建构；以物理实验创设问题情境易勾起学生的学习兴趣和动机，使之主动投入认知资源加工与学习直接相关的信息。问题情境多数来源于日常生活，有利于激发学生的探究兴趣，缓解畏难情绪，降低心理负荷水平，问题情境的真实性分为真实性情境（I1）和构造性情境（12)．构造性情境是一种忽略现实因素的理想化情境．真实情境有利于激发学生的学习动机，让学生体会到物理来源于生活，从而产生物理学习的兴趣，主动将认知资源投入到与物理学习相关的信息加工活动中，增加相关认知负荷.

2.2  研究样本的确定

研究选取新版人教版8年级物理下册的"问题"栏目进行认知负荷分析，其中包含力、运动和力、压强、浮力、功和机械能、简单机械共6章内容，相较于8年级上册内容，下册知识的难度有较大的提升，如"浮力""压强"等内容，会对学习者的认知加工能力提出较高的要求；并且该部分的知识结构体系较为复杂，需要学习者在头脑中构建完整的体系，此过程消耗大量的认知资源；最后人教版8年级物理下册内容对学习者思维能力的要求从形象思维转变为抽象思维和逻辑思维更为明显，因此对学习者来说无疑是个巨大的挑战，会加重其认知负荷程度．

3  "问题"栏目的认知负荷分析结果

本研究利用上述的认知负荷分析框架对新人教版8年级下册初中物理教材的"问题"栏目进行统计分析，得到了"问题"栏目的认知负荷统计分析结果（如图1所示）。

3.1  把握问题的难度，链接已有经验，关注内在认知负荷

"课标"明确强调：课程要面向全体学生，适应学生个性发展的需要．这就要求教材在设置问题时，应该关注问题的难度、考虑学生已有的知识水平和认知能力、难度过高的问题会给学生的认知带来巨大的挑战，而过低难度水平的问题也会使学习者学习动机下降，产生懈怠．就问题难度层而而盲、近70％的问题都属于聚合层次的水平，整体难度偏高，对于导人环节，高难度问题会让学生在课程起始阶段产生畏难情绪，造成较高的内在认知负荷；从问题与图示的关联角度来看，教材的多数问题都密切联系学生已有的生活经验和知识储备，极少数问题未考虑学生已有认知，由此可见，教材"问题"栏目在问题的设置上总体秉持以学生为中心的理念，较为关注学生的认知状况，但需进一步平衡问题的难度，以满足全体学生的认知需求．

3.2  重视问题的呈现，联系背景条件，降低外在认知负荷

依据认知负荷理论，清晰的问题组织架构、形象的问题呈现方式能减少学习者在问题解决过程中认知资源的投入．新教材在问题的组织呈现上充分考量了这一理论，从各个维度展现出教材编写的合理性与科学性．在问题的呈现方面，多以文本和图片的形式，充分利用了认知负荷理论中的通道效应，避免了单一通道信息过载造成认知资源的耗散；在问题的结构方面，结构良好类问题占比较大．问题信息清晰明了、结构完整能使学生快速把握问题的关键，有效降低学生的认知负担；从问题的类型分布来看，各类问题分布均匀，能满足学生们不同的思维方式的需求，避免因思维方式不匹配而产生的认知负荷；从问题的独立性角度分析，发现新教材"问题"栏目中问题的数目设置大多只有一个，在部分设置多个问题的案例中，各个子问题之间相互关联，根据认知负荷的元素关联效应可知，相互关联的问题更易促进学生头脑中图示的建构，对学生产生的外在认知负荷较低；在问题与背景信息的结合程度方面，仅有15％的问题与背景信息相互分离，多数问题都依赖于背景信息才得以解决．由此可见，教材在设置问题时，重视排除无关信息的干扰，使背景信息与问题相关联，减少信息冗余，降低外在认知负荷．

3.3  构建真实的情境，激发学习动机，增加相关认知负荷

"课标"提出：教材内容应密切联系实际，加强与实际情境的关联，突出基于真实情境的问题解决．经统计发现"问题"栏目中的问题情境多为真实性情境，且其中近一半的问题情境来源于日常生活，是学生熟悉的生活场景，例如，在牛顿第一定律一节以问题"玩滑板车时，滑板车运动一段时间后会停下来，再次蹬地，滑板车又会继续运动下去。你认为运动需要力来维持吗？"引人，滑板车是学生熟悉的情境，在此情境中设置问题，能让学生感知到物理知识与真实世界的联系，激发学生学习物理的内在动机，使学生主动参与学习、建构图示，增加相关认知负荷，推动深度学习的产生.

4  "问题"栏目的教学使用建议

4.1  设置问题支架，分解内在认知负荷

有些问题比较"大"，大问题可以起到举旗定向的作用，让学生明白本节课学习的"终极"任务。但同时也有一定的难度，如果教师教学时不处理好，会让学生思维茫然，给学生带来较高的内在认知负荷．因而教师有必要给学生搭"脚手架"减少思维坡度，将大问题分解，层层递进，才能逐步调动学生进入深度学习状态．例如动能和势能一节设置了如下问题："一辆车停在某高层住宅的楼下，车顶遭到损毁，警察在现场只看到了一些碎的西瓜皮．经过分析，原来'罪魁祸首'正是这些西瓜皮．坚固的车顶居然能被西瓜皮击坏，这是什么原因呢？"对于该问题，要分析现象背后的原因，学生很难联想到"动能和势能"，因此容易找不到方向．此时在教学时通过设置子问题"观察西瓜皮的状态、车顶的损毁程度等，让学生说说自己观察到了什么？""西瓜皮从高楼坠落，与高度有关的物理量大家可以联想到有哪些？""分析西瓜皮下落过程中的能量转化情况"，将这些子问题作为一个"梯子"，让学生经历观察思考、回顾知识、分析推理的过程，从而一步步地解决问题．通过启发性引导，设置问题支架有利于缓解学生的畏难情绪，降低内在认知负荷，使学生更有信心主动投入到学习中．

4.2  调整问题呈现方式，降低外在认知负荷

"问题"栏目的问题呈现拘泥于纸质教科书，仅能以文字或图片的形式呈现，教学在使用该资源时，可以加以调整和优化．具体可以有以下几方面的优化：其一，将文字形式的问题，转变为通过观察演示实验让学生自发地提出问题．学生自发提出的问题与其自身的知识和经验关联密切，学生理解起来会相对容易，需投入理解问题的认知资源相对较少，因此能够有效降低外在认知负荷；其二，用图表、视频或动画辅助呈现问题中的情境或数据比单纯的文字呈现更直观，降低获取信息的复杂性，减轻认知负担；其三，将同种类型的问题归为一组呈现，通过样例问题的解决，实现该类问题的解决．

4.3  创设真实问题情境，增加相关认知负荷

欲增加相关认知负荷，必须确保学习者愿意并能有效投人认知，在教学设计时要设法唤醒、引发学习者的认知投入，同时引领与帮助学习者的认知投入.有趣、新颖的问题情境能够激发学生的学习兴趣和好奇心，使学生更愿意投入认知资源去解决问题．教材"问题"栏目是宝贵的教学资源，其中呈现的问题情境在课程导人环节有巨大的参考价值，教师在使用时需要根据实际情况做出相应的调整．通过丰富情境的来源，调动学生的积极性，例如引人科技前沿、挖掘物理文化内涵等，使问题情境的创设有效促进问题解决；突破文字的限制，优化问题情境的呈现形式，利用虚拟现实（ VR )、增强现实（ AR ）技术等技术资源，促进问题情境的生动性和趣味性，使学生主动参与．例如在液体压强一节设置如下问题："把装在塑料袋中的方形冰块放在地面上，冰块的4个侧面不会挤压塑料袋．冰块熔化成水后，塑料袋就被水撑得鼓鼓的．这说明液体压强具有跟固体压强不同的特点．你知道液体压强有哪些特点吗？"实际教学中可以基于此准备冰、水、塑料袋，让学生通过视觉、听觉和触觉感受液体压强．有利于学生主动参与，增强相关认知负荷。

参考文献：

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7  汪明，曹道平．基于认知负荷理论的有效教学设计研究[ J ]．现代教育技术，2013,23(5):16-19.

（收稿日期：2025-07-11)

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