基于“認(rèn)知負(fù)荷”的試題分析與教學(xué)策略研究
——以2023年高考全國(guó)乙卷物理試題為例

衡 鑫，謝曉雨

1.西寧市第四高級(jí)中學(xué)，西寧 810003

2.北京師范大學(xué)物理學(xué)系，北京 100875

高考試題作為發(fā)揮考查功能的載體，承載著高中學(xué)段對(duì)物理學(xué)科教學(xué)內(nèi)容的考查。要實(shí)現(xiàn)教－學(xué)－評(píng)一體化，發(fā)揮高考引導(dǎo)教學(xué)的核心功能，試題分析是不可缺少的環(huán)節(jié)。認(rèn)知負(fù)荷理論是澳大利亞心理學(xué)家斯威勒基于認(rèn)知學(xué)習(xí)研究成果所提出的理論，旨在幫助人類在從事復(fù)雜認(rèn)知任務(wù)時(shí)進(jìn)行高效的認(rèn)知加工，盡可能減少加工負(fù)擔(dān)，釋放工作記憶容量，提升任務(wù)完成水平［1］。學(xué)生完成高考試題的過(guò)程也可以看作是在有限時(shí)間內(nèi)從外界獲取信息，結(jié)合已有知識(shí)進(jìn)行信息加工和結(jié)果輸出的過(guò)程，需要進(jìn)行多重認(rèn)知操作。

本研究基于認(rèn)知負(fù)荷理論分析2023年全國(guó)乙卷物理試題（以下簡(jiǎn)稱“試題”），以研究“考試如何考”，反思“教師如何教”，從而促進(jìn)“學(xué)生如何學(xué)”，是高考試題分析思路和認(rèn)知負(fù)荷理論應(yīng)用的雙重創(chuàng)新，希望能為促進(jìn)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展提供思路。

1 認(rèn)知負(fù)荷理論簡(jiǎn)介

認(rèn)知心理學(xué)發(fā)現(xiàn)，人類的記憶主要是由容量有限的工作記憶和容量無(wú)限的長(zhǎng)時(shí)記憶組成。長(zhǎng)時(shí)記憶以圖示為單位對(duì)多個(gè)知識(shí)元素進(jìn)行模塊式存儲(chǔ)，在使用時(shí)可隨時(shí)調(diào)用至工作記憶。而人類的認(rèn)知加工包括序列性的流程加工和自動(dòng)化的并行加工。序列性的加工主要發(fā)生在工作記憶中，其速度較慢，需要占用注意資源；自動(dòng)化的并行加工主要是指長(zhǎng)時(shí)記憶的調(diào)用，由于長(zhǎng)時(shí)記憶中的圖示具有概括性，能減少信息加工單元的數(shù)量，故該加工方式不需要有意識(shí)的控制和資源消耗［2］。由此可見(jiàn)，要提高認(rèn)知加工的效率，一方面需要提高長(zhǎng)時(shí)記憶中的圖示數(shù)目和自動(dòng)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(guò)程中所承受的負(fù)荷總量，即認(rèn)知負(fù)荷水平。

認(rèn)知負(fù)荷按照其來(lái)源主要分為內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷、外在認(rèn)知負(fù)荷、關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷三類。三者之和為工作記憶承受的總負(fù)荷［3］。

2 基于認(rèn)知負(fù)荷的試題分析框架

三種認(rèn)知負(fù)荷的來(lái)源各不相同，要了解試題中各個(gè)認(rèn)知負(fù)荷的水平，可以從不同的維度建構(gòu)基于認(rèn)知負(fù)荷的試題分析框架。

內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷是由相對(duì)于學(xué)習(xí)者經(jīng)驗(yàn)水平的學(xué)習(xí)材料復(fù)雜性所帶來(lái)的負(fù)荷，既與材料本身有關(guān)，也與學(xué)習(xí)者現(xiàn)有認(rèn)知水平有關(guān)。這樣的內(nèi)涵決定了需要從試題內(nèi)容本身進(jìn)行內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷的分析。高考評(píng)價(jià)體系中的“四翼”就對(duì)考查內(nèi)容做出了具體的要求，即物理科考試要增強(qiáng)試題的基礎(chǔ)性、綜合性、應(yīng)用性、創(chuàng)新性，結(jié)合學(xué)科特點(diǎn)，將考查要求具體化［4］。這四個(gè)維度能在一定程度上反映試題相對(duì)于學(xué)生的難度，可作為分析內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷的維度。

外在認(rèn)知負(fù)荷是由材料的呈現(xiàn)方式或教學(xué)活動(dòng)帶來(lái)的非必要負(fù)荷。情境是實(shí)現(xiàn)考查內(nèi)容、落實(shí)考查要求的載體，也是題目呈現(xiàn)的主要方式?？梢砸罁?jù)情境的種類、情境與內(nèi)容的關(guān)聯(lián)程度來(lái)綜合分析試題的外在認(rèn)知負(fù)荷。

關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷是促進(jìn)認(rèn)知建構(gòu)的負(fù)荷，聚焦于學(xué)習(xí)者已有經(jīng)驗(yàn)的調(diào)用，外在表現(xiàn)為促進(jìn)學(xué)生關(guān)聯(lián)已有圖示解決問(wèn)題。關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷將任務(wù)與已有的圖示進(jìn)行類比和遷移，不僅能降低工作記憶的負(fù)擔(dān)，更能提高長(zhǎng)時(shí)記憶中圖示的概括性和自動(dòng)化水平，進(jìn)一步提高認(rèn)知效率。

本研究以物理圖像作為分析維度，分析其對(duì)學(xué)生解題和關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷的作用。從圖像的種類、數(shù)目、學(xué)生作答時(shí)發(fā)揮的作用等幾個(gè)方面分析試題的關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷。

對(duì)于考生而言，高考的理想狀態(tài)是試題內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷和外在認(rèn)知負(fù)荷都較低，而關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷較高。這樣有利于學(xué)生進(jìn)行高效的認(rèn)知加工。但由于實(shí)際的試題具備服務(wù)選才的功能，其認(rèn)知負(fù)荷水平并不是理想情況，需要建立框架進(jìn)行分析。

綜上所述，本文構(gòu)建的試題分析框架如圖1所示，依此框架對(duì)試題加以分析。試題共計(jì)16道，以每一題作為分析的最小單元。首先依據(jù)不同指標(biāo)對(duì)題目進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，再對(duì)同一認(rèn)知負(fù)荷維度下不同指標(biāo)的數(shù)據(jù)進(jìn)行交叉分析，進(jìn)一步得到相應(yīng)認(rèn)知負(fù)荷的特點(diǎn)。

圖1 基于認(rèn)知負(fù)荷的試題分析框架

3 基于認(rèn)知負(fù)荷的試題分析結(jié)果

3.1 試題“四翼”難度梯度明顯，試題內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷合理

依據(jù)基礎(chǔ)性、綜合性、應(yīng)用性和創(chuàng)新性對(duì)試題逐一統(tǒng)計(jì)?；A(chǔ)性和綜合性是結(jié)合考查內(nèi)容相對(duì)而言的，每道題目能且只能取其一。應(yīng)用性題目要能引導(dǎo)學(xué)生從“解題”向“解決問(wèn)題”轉(zhuǎn)變，創(chuàng)新性則是創(chuàng)新試題呈現(xiàn)方式和設(shè)問(wèn)方式的類型。當(dāng)題目后兩個(gè)特點(diǎn)均具備時(shí)，選擇其更加突出的性質(zhì)進(jìn)行歸類。若上述特點(diǎn)均不具備，則按照僅具備基礎(chǔ)性或綜合性統(tǒng)計(jì)。

詳細(xì)分析結(jié)果如表1所示，試卷中有7 道基礎(chǔ)性題目、9 道綜合性題目、5 道應(yīng)用性題目、7道創(chuàng)新性題目。但試題的內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷在所有基礎(chǔ)性題目中或所有綜合性題目中是否一樣，可以在基礎(chǔ)性和綜合性的分類前提下進(jìn)一步以應(yīng)用性和創(chuàng)新性進(jìn)行交叉分析，結(jié)果如圖2所示。

表1 從考查要求分析試題的內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷

圖2 試題的考查要求統(tǒng)計(jì)圖

基于表1 的數(shù)據(jù)，圖2 統(tǒng)計(jì)了基礎(chǔ)性和綜合性題目中兼具另外兩個(gè)特性的題目數(shù)量。通過(guò)對(duì)比可知，雖然基礎(chǔ)性題目和綜合性題目在整體數(shù)目上相差不多，但有4 道僅具有基礎(chǔ)性的題目。相較于其他基礎(chǔ)性題目，這4 道題并不涉及應(yīng)用或創(chuàng)新，整體的難度低，內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷水平也低。綜合性試題伴隨著知識(shí)與能力的綜合，更易兼具應(yīng)用性和創(chuàng)新性，其中創(chuàng)新性又比應(yīng)用性的認(rèn)知負(fù)荷更高。可見(jiàn)，高考在“四翼”角度上細(xì)分了不同難度的題目，通過(guò)豐富題目的內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷層次，提高試題的區(qū)分度?？傮w而言，可以得出：試題“四翼”難度梯度明顯，試題的內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷分布合理，可以作為高考服務(wù)選才的保障。

3.2 情境與考查內(nèi)容聯(lián)系增強(qiáng)，試題外在認(rèn)知負(fù)荷較高

從情境維度分析外在認(rèn)知負(fù)荷需要對(duì)情境進(jìn)行更加細(xì)致的分類。根據(jù)情境內(nèi)容可以分為生活實(shí)踐情境和學(xué)習(xí)探索情境。根據(jù)情境與考查內(nèi)容關(guān)聯(lián)性的強(qiáng)弱，可以進(jìn)一步將其劃分為“組合式、結(jié)合式、融合式”3 個(gè)依次遞減的等級(jí)［5］。如表2所示，可直觀地描述情境與考查內(nèi)容的關(guān)系?？刹僮鞯慕缍椋骸皢?wèn)題解決不依靠情境”為組合式試題，“問(wèn)題解決依靠情境，情境的部分描述中隱含解題條件”為結(jié)合式試題，“問(wèn)題解決依靠情境，情境的描述即為探究過(guò)程或物理過(guò)程、物理模型的描述”為融合式試題。

表2 情境與考查內(nèi)容的關(guān)聯(lián)等級(jí)

以情境的類型、情境與內(nèi)容的關(guān)聯(lián)程度作為具體的分析指標(biāo)可得到表3 的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

表3 從情境類型分析試題的外在認(rèn)知負(fù)荷

由表3 可知，從關(guān)聯(lián)程度上看，組合式的題目?jī)H有1 道，結(jié)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(xiàn)與考查內(nèi)容聯(lián)系越發(fā)緊密，學(xué)生越難以用傳統(tǒng)的題海戰(zhàn)術(shù)應(yīng)對(duì)。試題能夠真正考查學(xué)生面對(duì)情境時(shí)的表現(xiàn)，體現(xiàn)學(xué)生核心素養(yǎng)的高低。從情境內(nèi)容上，有13 道學(xué)習(xí)探索情境的題目，3 道生活實(shí)踐情境的題目?？梢?jiàn)，題目情境還是以學(xué)習(xí)探索為主，但也創(chuàng)新加入了國(guó)家科技發(fā)展和體育運(yùn)動(dòng)的生活實(shí)踐。情境來(lái)源和種類的豐富在一定程度上也會(huì)帶來(lái)文字描述、圖像表達(dá)、設(shè)問(wèn)角度的多樣性，為學(xué)生抓住物理問(wèn)題本質(zhì)設(shè)立障礙，增加學(xué)生的外在認(rèn)知負(fù)荷。但這些情境對(duì)于堅(jiān)持立德樹(shù)人，引導(dǎo)學(xué)生全面發(fā)展有重要的作用。

基于表3 的數(shù)據(jù)，圖3 從情境與考查內(nèi)容的關(guān)聯(lián)性出發(fā)統(tǒng)計(jì)情境類型。綜合來(lái)看，學(xué)習(xí)探索題目中情境與考試內(nèi)容結(jié)合更緊密，而生活實(shí)踐情境依具體情境和內(nèi)容而定。無(wú)論是從情境內(nèi)容還是情境與考查內(nèi)容的聯(lián)系看，高考試題都呈現(xiàn)出“用更加靈活的情境進(jìn)行更有深度的考查”的趨勢(shì)。這樣的題目會(huì)增加外在認(rèn)知負(fù)荷，對(duì)學(xué)生的理解能力、模型建構(gòu)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(rèn)知水平的學(xué)生，落實(shí)立德樹(shù)人的根本任務(wù)。

圖3 試題的情境類型統(tǒng)計(jì)圖

3.3 物理圖像在題目和解答中呈現(xiàn)都能夠提高試題關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷

雖然與問(wèn)題深度關(guān)聯(lián)的新穎情境會(huì)給學(xué)生作答增加外在認(rèn)知負(fù)荷，但物理圖像卻常常能幫助學(xué)生進(jìn)行科學(xué)推理，建構(gòu)物理模型。這實(shí)則是在增加試題的關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷，從而促進(jìn)學(xué)生進(jìn)行信息加工。

從每道題目中的圖像個(gè)數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表4所示?？梢?jiàn)，大部分的題目還是以一個(gè)圖像為主，少部分完全沒(méi)有圖像的題目，是因?yàn)槠浔旧黼y度并不大，像22 題、14 題就是學(xué)生非常熟悉的實(shí)驗(yàn)和落體運(yùn)動(dòng)，16 題、33（2）題僅需公式即可解答。由此可見(jiàn)，沒(méi)有圖像的題目整體難度還是較低的。這些題目中出現(xiàn)圖片反倒冗余。其中，出現(xiàn)了一道題目中有4 個(gè)圖像的，是由于其將圖像作為選項(xiàng)，創(chuàng)新了設(shè)問(wèn)角度，并沒(méi)有從圖像角度增加難度。而其他題目中的圖像對(duì)學(xué)生作答起到了哪些作用可以結(jié)合題目中圖像的種類進(jìn)一步分析。

表4 從物理圖像分析試題的關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷

圖4 是在表4 的基礎(chǔ)上又將物理圖像分成了物理情境圖和物理量關(guān)系圖，由于是對(duì)物理圖像進(jìn)行的分類，就略去了沒(méi)有圖像的題目統(tǒng)計(jì)。

圖4 題目中物理圖像數(shù)目和種類統(tǒng)計(jì)圖

圖4 是在表4 的基礎(chǔ)上又將物理圖像分成了物理情境圖和物理量關(guān)系圖進(jìn)行的統(tǒng)計(jì)。由于是對(duì)物理圖像進(jìn)行的分類，就略去了沒(méi)有圖像的題目統(tǒng)計(jì)。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(nèi)容，標(biāo)注物理量，更表現(xiàn)為：在情境圖中補(bǔ)充運(yùn)動(dòng)過(guò)程并尋找?guī)缀侮P(guān)系；在所給圖像中補(bǔ)充已有的物理圖示實(shí)現(xiàn)輔助分析、快速作答；甚至有些情境圖可以啟發(fā)物理量關(guān)系圖的繪制，避免復(fù)雜的計(jì)算過(guò)程，從而直觀、快速地得到結(jié)論。

試題中的物理圖像能夠提高學(xué)生的關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷，促進(jìn)其了解情境，并將其與已有的物理知識(shí)關(guān)聯(lián)起來(lái)。在作答中情境圖多用于分析過(guò)程和尋找?guī)缀侮P(guān)系，對(duì)于學(xué)生科學(xué)推理能力要求較高。如果學(xué)生能有較為多樣的問(wèn)題表征方式，情境圖也能激發(fā)其自主繪制物理量關(guān)系圖，尤其是利用圖像分析相對(duì)運(yùn)動(dòng)中的問(wèn)題，能大幅提高信息處理效率。

4 基于認(rèn)知負(fù)荷的教學(xué)策略

基于上述分析結(jié)果，本研究得到以下教學(xué)策略。

4.1 開(kāi)展單元教學(xué)，以物理概念的整合降低內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷

試題分析發(fā)現(xiàn)，基礎(chǔ)題的內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷較低，而綜合性試題更趨向于兼具創(chuàng)新性和應(yīng)用性，體現(xiàn)了較高的內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷，整體“四翼”難度梯度明顯，但更考驗(yàn)學(xué)生對(duì)物理觀念的完整理解。

單元教學(xué)注重不同知識(shí)間的聯(lián)系，在相同的背景下展開(kāi)單元所有內(nèi)容的教學(xué)，能夠幫助學(xué)生將相關(guān)聯(lián)的內(nèi)容進(jìn)行整合，形成完善的物理觀念。類似于長(zhǎng)時(shí)記憶中的圖式，能對(duì)多個(gè)知識(shí)元素開(kāi)展模塊式存儲(chǔ)，具有減少認(rèn)知資源消耗、提高信息處理效率的優(yōu)點(diǎn)，可有效降低內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷。

4.2 創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，以模型建構(gòu)克服外在認(rèn)知負(fù)荷

高考試題中情境與考查內(nèi)容的聯(lián)系更加緊密，多以結(jié)合式、融合式出現(xiàn)，給學(xué)生作答帶來(lái)了更高的外在認(rèn)知負(fù)荷。為突破這一難點(diǎn)，日常教學(xué)中可以多創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境。平時(shí)的積累有助于提高學(xué)生思維的靈活性和深刻性，從而在高考中克服外在認(rèn)知負(fù)荷的影響。

4.3 重視圖像表征，以科學(xué)推理提高關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷

高考試題中物理圖像在題目呈現(xiàn)和解答中都能提高關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷，促進(jìn)已有經(jīng)驗(yàn)的調(diào)用，提高信息加工效率。在教學(xué)中要指導(dǎo)學(xué)生建立豐富的圖像表征，尤其要加強(qiáng)圖像的分析和應(yīng)用，以達(dá)到深入認(rèn)識(shí)運(yùn)動(dòng)過(guò)程、指導(dǎo)推理論證的作用。培養(yǎng)學(xué)生在物理表征與圖像表征的雙向推理能力，在反復(fù)的科學(xué)推理中增強(qiáng)解決問(wèn)題的靈活性，從而提高關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷，加速問(wèn)題解決。