基于“认知负荷”的试题分析与教学策略研究——以2023年高考全国乙卷物理试题为例.pdf

2023 年第1 1 期+义义义义+考试研究*基于“认知负荷 的试题分析与教学策略研究物理教学探讨Vol.41 No.11以2 0 2 3 年高考全国乙卷物理试题为例衡鑫1,谢晓雨2*1.西宁市第四高级中学,西宁8 1 0 0 0 32.北京师范大学物理学系,北京1 0 0 8 7 5摘要：基于认知负荷理论分析高考试题，从创新角度分析试题特点，有效反馈教学。从考查要求、情境类型、物理图像三个维度构建了高考试题分析框架，以此分析了2 0 2 3 年全国乙卷物理试题，得到试题的三种认知负荷特点。基于分析结果提出了相应的教学策略：开展单元教学，以物理概念的整合降低内在认知负荷；创设真实情境，以模型建构克服外在认知负荷；重视图像表征，以科学推理提高关联认知负荷。关键词：试题分析；认知负荷；教学策略中图分类号：G633.7高考试题作为发挥考查功能的载体，承载着高中学段对物理学科教学内容的考查。要实现教-学-评一体化,发挥高考引导教学的核心功能，试题分析是不可缺少的环节。认知负荷理论是澳大利亚心理学家斯威勒基于认知学习研究成果所提出的理论，旨在帮助人类在从事复杂认知任务时进行高效的认知加工，尽可能减少加工负担，释放工作记忆容量，提升任务完成水平。学生完成高考试题的过程也可以看作是在有限时间内从外界获取信息，结合已有知识进行信息加工和结果输出的过程，需要进行多重认知操作。本研究基于认知负荷理论分析2 0 2 3 年全国乙卷物理试题（以下简称“试题”）,以研究“考试如何考”，反思“教师如何教”，从而促进“学生如何学”，是高考试题分析思路和认知负荷理论应用的双重创新，希望能为促进学生物理学科核心素养发展提供思路1认知负荷理论简介认知心理学发现，人类的记忆主要是由容量有限的工作记忆和容量无限的长时记忆组成。长时记忆以图示为单位对多个知识元素进行模块式存储，在使用时可随时调用至工作记忆。而人类的认知加工包括序列性的流程加工和自动化收稿日期：2 0 2 3-0 6-2 8作者简介：衡鑫（1 9 9 7-），女，中学二级教师，研究方向为中学物理教学论。*通信作者：谢晓雨（1 9 9 5-）,女，讲师，研究方向为项目学习、物理教育测量与评价。-38-文献标识码：A文章编号：1 0 0 3-6 1 4 8(2 0 2 3)1 1-0 0 3 8-5的并行加工。序列性的加工主要发生在工作记忆中,其速度较慢，需要占用注意资源；自动化的并行加工主要是指长时记忆的调用，由于长时记忆中的图示具有概括性，能减少信息加工单元的数量，故该加工方式不需要有意识的控制和资源消耗 2 。由此可见,要提高认知加工的效率，一方面需要提高长时记忆中的图示数目和自动化水平，另一方面也要尽量减少工作记忆在信息加工和保持过程中所承受的负荷总量，即认知负荷水平。认知负荷按照其来源主要分为内在认知负荷、外在认知负荷、关联认知负荷三类。三者之和为工作记忆承受的总负荷 3 。2基于认知负荷的试题分析框架三种认知负荷的来源各不相同,要了解试题中各个认知负荷的水平，可以从不同的维度建构基于认知负荷的试题分析框架。内在认知负荷是由相对于学习者经验水平的学习材料复杂性所带来的负荷，既与材料本身有关，也与学习者现有认知水平有关。这样的内涵决定了需要从试题内容本身进行内在认知负荷的分析。高考评价体系中的“四翼”就对考查内容做出了具体的要求,即物理科考试要增强试题的基础性、综合性、应用性、创新性，结合学科特Vol.41 No.11点，将考查要求具体化 4 。这四个维度能在一定程度上反映试题相对于学生的难度，可作为分析内在认知负荷的维度。外在认知负荷是由材料的呈现方式或教学活动带来的非必要负荷。情境是实现考查内容、落实考查要求的载体，也是题目呈现的主要方式。可以依据情境的种类、情境与内容的关联程度来综合分析试题的外在认知负荷。关联认知负荷是促进认知建构的负荷，聚焦于学习者已有经验的调用，外在表现为促进学生关联已有图示解决问题。关联认知负荷将任务与已有的图示进行类比和迁移，不仅能降低工作记忆的负担,更能提高长时记忆中图示的概括性和自动化水平，进一步提高认知效率。本研究以物理图像作为分析维度，分析其对学生解题和关联认知负荷的作用。从图像的种类、数目、学生作答时发挥的作用等几个方面分析试题的关联认知负荷。对于考生而言,高考的理想状态是试题内在认知负荷和外在认知负荷都较低，而关联认知负荷较高。这样有利于学生进行高效的认知加工。但由于实际的试题具备服务选才的功能，其认知负荷水平并不是理想情况，需要建立框架进行分析。物理教学探讨综上所述,本文构建的试题分析框架如图1所示，依此框架对试题加以分析。试题共计1 6道，以每一题作为分析的最小单元。首先依据不同指标对题目进行统计，再对同一认知负荷维度下不同指标的数据进行交叉分析，进一步得到相应认知负荷的特点。3基基于认知负荷的试题分析结果3.1试题“四翼”难度梯度明显，试题内在认知负荷合理依据基础性、综合性、应用性和创新性对试题逐一统计。基础性和综合性是结合考查内容相对而言的,每道题目能且只能取其一。应用性题目要能引导学生从“解题”向“解决问题”转变，创新性则是创新试题呈现方式和设问方式的类型。当题目后两个特点均具备时，选择其更加突出的性质进行归类。若上述特点均不具备，则按照仅具备基础性或综合性统计。详细分析结果如表1 所示，试卷中有7 道基础性题目、9 道综合性题目、5 道应用性题目、7道创新性题目。但试题的内在认知负荷在所有基础性题目中或所有综合性题目中是否一样，可以在基础性和综合性的分类前提下进一步以应用性和创新性进行交叉分析，结果如图2 所示。2023年第1 1 期基础性综合性应用性内在认知负荷从考查要求分析创新性一生活实践情境按情境内容分一学习探索情境高考试题的外在认知负荷：从情境类型分析认知负荷分析按情境与内容一组合式的关联程度分一融合式一物理量关系图题目中物理图像的种类一物理情境图关联认知负荷从物理图像分析作答中物理图像的作用图1 基于认知负荷的试题分析框架一结合式-39-2023年第1 1 期表1 从考查要求分析试题的内在认知负荷题号基础性14,15,16,20,22,33(1),34(1)综合性17,18,19,21,23,24,25,33(2),34(2)应用性14,18,19,20,33(2)创新性16,17,21,23,24,25,34(2)10987吾聚目6543210基于表1 的数据,图2 统计了基础性和综合性题目中兼具另外两个特性的题目数量。通过对比可知，虽然基础性题目和综合性题目在整体数目上相差不多，但有4 道仅具有基础性的题目。相较于其他基础性题目，这4 道题并不涉及应用或创新，整体的难度低，内在认知负荷水平也低。综合性试题伴随着知识与能力的综合，更易兼具应用性和创新性,其中创新性又比应用性的认知负荷更高。可见，高考在“四翼”角度上细分了不同难度的题目,通过丰富题目的内在认知负荷层次，提高试题的区分度。总体而言，可以得出：试题“四翼”难度梯度明显，试题的内在认知负荷分布合理，可以作为高考服务选才的保障。3.2情境与考查内容联系增强，试题外在认知负荷较高从情境维度分析外在认知负荷需要对情境进行更加细致的分类。根据情境内容可以分为生活实践情境和学习探索情境。根据情境与考查内容关联性的强弱，可以进一步将其划分为“组合式、结合式、融合式 3 个依次递减的等级 5 。如表2 所示，可直观地描述情境与考查内容的关系。可操作的界定为：“问题解决不依靠情境”为组合式试题，“问题解决依靠情境，情境的部分描述中隐含解题条件”为结合式试题，“问题解决依靠情境，情境的描述即为探究过程或物理过程、物理模型的描述”为融合式试题。-40-物理教学探讨表2 情境与考查内容的关联等级题目关联度几乎无关联性紧密关联高度关联总数题目类型795797基础性图2 试题的考查要求统计图Vol.41 No.11组合式结合式考查情境结构图情境内容以情境的类型、情境与内容的关联程度作为具体的分析指标可得到表3 的统计结果。表3 从情境类型分析试题的外在认知负荷分析分析维度指标仅有本身单一特性组合式15目兼具应用性兼具创新性综合性融合式情境考套考查内容内容题号数量1关联结合式16,18,19,22,33(1),34(1)程度14,17,20,21,23,24,25,33(2),融合式34(2)生活实14,16,33(2)情境践情境内容学习探15,17,18,19,20,21,22,23,24,索情境25,33(1),34(1),34(2)由表3 可知，从关联程度上看，组合式的题目仅有1 道，结合式和融合式成为主流，其中又以融合式最多。题目情境呈现与考查内容联系越发紧密，学生越难以用传统的题海战术应对。试题能够真正考查学生面对情境时的表现，体现学生核心素养的高低。从情境内容上，有1 3 道学习探索情境的题目，3 道生活实践情境的题目。可见，题目情境还是以学习探索为主，但也创新加人了国家科技发展和体育运动的生活实践。情境来源和种类的丰富在一定程度上也会带来文字描述、图像表达、设问角度的多样性,为学生抓住物理问题本质设立障碍,增加学生的外在认知负荷。但这些情境对于坚持立德树人，引导学生全面发展有重要的作用。基于表3 的数据,图3 从情境与考查内容的关联性出发统计情境类型。综合来看，学习探索题目中情境与考试内容结合更紧密，而生活实践情境依具体情境和内容而定。无论是从情境内容还是情境与考查内容的联系看,高考试题都呈现出“用更加灵活的情境进行更有深度的考查”的趋势。这样的题目会增加外在认知负荷,对学生的理解能力、模型建构能力提出了更高的要求。但正因如此，题目才能筛选出不同认知水平的学69313Vol.41No.11生，落实立德树人的根本任务。10998765432103.3物理图像在题目和解答中呈现都能够提高试题关联认知负荷虽然与问题深度关联的新颖情境会给学生作答增加外在认知负荷,但物理图像却常常能帮助学生进行科学推理，建构物理模型。这实则是在增加试题的关联认知负荷，从而促进学生进行信息加工。从每道题目中的图像个数进行统计，结果如表4 所示。可见,大部分的题目还是以一个图像为主，少部分完全没有图像的题目，是因为其本身难度并不大，像2 2 题、1 4 题就是学生非常熟悉的实验和落体运动，1 6 题、3 3(2)题仅需公式即可解答。由此可见，没有图像的题目整体难度还是较低的。这些题目中出现图片反倒允余。其中，出现了一道题目中有4 个图像的，是由于其将图像作为选项，创新了设问角度，并没有从图像角度增加难度。而其他题目中的图像对学生作答起到了哪些作用可以结合题目中图像的种类进一步分析。表4 从物理图像分析试题的关联认知负荷题目中的图像个数014,16,22,33(1)118,19,20,21,24,25,33(2),34(2)234(1)317,23415图4 是在表4 的基础上又将物理图像分成了物理情境图和物理量关系图，由于是对物理图像进行的分类，就略去了没有图像的题目统计。物理教学探讨98876564口学习探索情境3团生活实践情境210组合式结合式图3 试题的情境类型统计图题号2023年第1 1 期两者兼具物理量关系图2口物理情境图1112单个题目中物理图像数目融合式图4 题目中物理图像数目和种类统计图图4 是在表4 的基础上又将物理图像分成了物理情境图和物理量关系图进行的统计。由于是对物理图像进行的分类,就略去了没有图像的题目统计。总体而言，试题中的物理图像还是以物理情境图为主。作答中情境图的作用不仅是解释文字内容，标注物理量，更表现为：在情境图中补充运动过程并寻找几何关系；在所给图像中补充已有的物理图示实现辅助分析、快速作答；甚至有些情境图可以启发物理量关系图的绘制，避免复杂的计算过程，从而直观、快速地得到结论。试题中的物理图像能够提高学生的关联认知负荷，促进其了解情境,并将其与已有的物理知识关联起来。在作答中情境图多用于分析过程和寻找几何关系，对于学生科学推理能力要求较高。如果学生能有较为多样的问题表征方式，情境图也能激发其自主绘制物理量关系图,尤其是利用图像分析相对运动中的问题，能大幅提高信息处理效率。4基于认知负荷的教学策略基于上述分析结果,本研究得到以下教学策略。题目总数4812134.1开展单元教学，以物理概念的整合降低内在认知负荷试题分析发现,基础题的内在认知负荷较低，而综合性试题更趋向于兼具创新性和应用性，体现了较高的内在认知负荷,整体“四翼”难度梯度明显，但更考验学生对物理观念的完整理解。单元教学注重不同知识间的联系，在相同的背景下展开单元所有内容的教学，能够帮助学生将相关联的内容进行整合,形成完善的物理观念。类似于长时记忆中的图式，能对多个知识元素开展模块式存储，具有减少认知资源消耗、提高信息处理效率的优点，可有效降低内在认知负荷。(下转第4 6 页）-41-42023 年第 1 1 期3.2培养学生高阶思维能力，注重知识应用试题的新情境还重点考查了学生在思维上的举一反三、知识的灵活应用能力，物理学习离不开培养学生对于物理概念、习题分析能力的强化，这将决定学生的高阶思维能力认知层次中的“分析、评价、创造”三个指标 5-6 1 。从丰富学生的经历和体验人手，在相关事实上获得抽象结论，由感性到理性，再落实到新情境下相同问题中,列举“换汤不换药”的例子，由理性再到感性。如此反复，实现从具体现象的发现逐步升华至物理观念的建构和科学思维的认知。例如,从“阿基米德测金王冠密度”的故事中可以获得浮力大小的影响因素，教师可以引导学生学以致用，利用类似的方法测出铁块、铜块的密度，并将此内容设置为STEM主题的课后调查作业以增加学生实际体验，可再获得新的感性认识，这时学生自然就会开始思考实验过程的设置、结论的收集整理等一系列科学探究过程。根据2 0 2 2 年物理中考试题分析可知，教师可以在工程技术为背景、科学为重点、数学知识为基础的模式下编制试题。在日常练习中有意识地培养学生利用STEM表格的分析方式研究试题,将试题的设问、背景从“科学、技术、工程、数学”四个角度剖析，排除干扰的文字，将核心知识物理教学探讨点慢慢剥离出来，找到“科学”部分内容作为核心知识检索找到解题思路。经过有意识地多次训练后，学生能自已归纳出考点信息，在后期的复习课中学生也会自主加强对相关章节内容的重点复习。以上是基于STEM理论，对2 0 2 2 年全国多地市浮力中考及模拟题分析和提升学生解决问题能力的一点教学启示,以期能在未来的初中物理教学中提供一点参考。参考文献：1中华人民共和国教育部.关于进一步减轻义务教育阶段学生作业负担和校外培训负担的意见 EB/OL.2021-07-24J.http:/ 0 2 2年版)S.北京：北京师范大学出版社，2 0 2 2.3余胜泉，胡翔.STEM教育理念与跨学科整合模式J.开放教育研究,2 0 1 5,2 1(4)：1 3-2 2.4JSevim Asiroglu,Sevda Koc Akran.The Readiness Levelof Teachers in Science,Technology,Engineering and Mathe-maticsJ.Universal Journal of Educational Research,2018,6(11):2461-2470.5陈林桥，贾苏荣.把握数学表征特点，提升建模解决物理问题能力 J.物理教师,2 0 2 1,4 2(1 2):6 7-6 8,7 1.6林勤.在物理概念、规律教学中培养学生的高阶思维能力 J.物理教学,2 0 1 5,3 7(4):1 3-1 6,5.Vol.41 No.11(栏目编辑陈洁)(上接第4 1 页)4.2创设真实情境，以模型建构克服外在认知负荷高考试题中情境与考查内容的联系更加紧密，多以结合式、融合式出现，给学生作答带来了更高的外在认知负荷。为突破这一难点，日常教学中可以多创设真实情境。平时的积累有助于提高学生思维的灵活性和深刻性，从而在高考中克服外在认知负荷的影响。4.3重视图像表征，以科学推理提高关联认知负荷高考试题中物理图像在题目呈现和解答中都能提高关联认知负荷，促进已有经验的调用，提高信息加工效率。在教学中要指导学生建立丰富的图像表征，尤其要加强图像的分析和应用，以达到深人认识运动过程、指导推理论证的作用。培养学生在物理表征与图像表征的双向推理能力,在反复的科学推理中增强解决问题的灵活性，从而提高关联认知负荷，加速问题解决。参考文献：1沈正杰.基于认知负荷理论的高中物理教学评价与策略 J.物理教学,2 0 1 8,4 0(1):6-9.2庞维国.认知负荷理论及其教学涵义 J.当代教育科学,2 0 1 1(1 2):2 3-2 8.3李兰，李春密.基于认知负荷理论设计课后问题的策略探讨 J.湖南中学物理,2 0 2 0,3 5(9)：5-8.4程力，李勇.基于高考评价体系的物理科考试内容改革实施路径 J.中国考试，2 0 1 9(1 2):3 8-4 4.5张红洋，张婧婧.高考物理试题的情境化特征研究 J.物理教师,2 0 2 2,4 3(3):7 5-7 9.（栏目编辑陈洁）-46-