1 引言

翻转课堂（flipped classroom）最早起源于美国。2007年，美国科罗拉多州落基山“林地公园”的两位高中老师Bergmann和Sams对传统课堂进行了颠覆性尝试，形成了一种“学习知识在课外，内化知识在课堂”的新型教学模式。翻转课堂就是将大部分信息传输式教学转移到课外，课堂时间则进行积极、有效的学习活动，学生只有充分完成课前和课后活动，才能从中受益（Abeysekera & Dawson, 2015）。在翻转课堂的教学模式下，学生直接获取知识，老师则更加关注学生获取知识的效果与能力（乔纳森·伯格曼，亚伦·萨姆, 2015）。王珺和俞佳君（2016）认为，教师的行为导向是促进学，体现“为学而教”，最终要落实到学生的“学”。从这个意义上说，翻转课堂教学模式适应了时代发展。

认知负荷理论是一种促进学习与教学设计的理论框架，主要围绕学习时经历不同类型的“负荷”而构建的，包括内在认知负荷、外在认知负荷和相关认知负荷等。内在认知负荷主要受学习材料的复杂性和学习者先前知识的影响，与材料涉及的元素和图式有关。长时记忆中如果有现成的图式可用，个体就会感受到较低的内在认知负荷。对于某个问题或概念而言，如果不进行学习和训练，学习任务所诱发的内在认知负荷在本质上是不可变的，是相对恒定的。外在认知负荷是额外的，与学习材料的呈现方式有关，如果呈现方式不利于学习，就会使学习任务变得更加困难，从而产生较高的外在认知负荷。相关认知负荷也是由信息呈现方式和学习活动引起的额外的认知负荷，但不会阻碍学习，反而能通过产生的图式促进学习。有效教学会降低认知负荷，提升学习效率（Clark, Nguyen, & Sweller, 2007）。Abeysekera和Dawson（2015）认为，翻转教学法可以提高学生的动机并帮助学生管理认知负荷，因而有必要考察该法对学生学习、认知负荷水平与学习动机的影响。翻转课堂强调课前学习者对相关知识的探索与理解，可以在一定程度上调节学习者的内在认知负荷（赵东华, 2016）。Musallam（2010）在一项研究中发现，与没有接受课前训练的学生相比，接受过课前训练的学生心理努力明显减少。学习者的心理努力程度是测量其认知负荷的重要变量，而翻转课堂教学模式强调学生课前的自主学习与训练，Musallam的研究又表明课前的自主学习与训练能降低心理努力程度，因而本研究推测翻转课堂教学模式有助于降低学习者的认知负荷。

综合目前关于翻转课堂的研究，主要集中在两个方面：其一是基于翻转课堂的教育教学理念，探索翻转课堂的不同教学模式；其二是通过一些教学实验探讨翻转课堂教学模式对于学生学习成绩的影响。Musallam（2010）提出了翻转课堂的一种典型教学模式。该模式将学习分为知识的传递与知识的同化两部分，这种教学设计在国内外均有成功的案例（宋艳玲, 孟昭鹏, 闫雅娟, 2014; Koo et al., 2016）。关于翻转教学法对学生学习成绩的影响还存在一定的争议。有研究发现，翻转教学法能提高学生学习成绩（Baepler, Walker, & Driessen, 2014; Granero Lucchetti, da Silva Ezequiel, de Oliveira, Moreira-Almeida, & Lucchetti, 2018），在课堂上增加学生练习的时间（O’Flaherty & Philips, 2015），减轻学习压力（Marlowe, 2012），提升学习动机和自我效能感（Aşiksoy & Özdamli, 2016）；能把认知负荷分布在各环节学习活动中，从而有利于学习（乐会进, 蔡亮文, 2019）。一些研究则发现，翻转教学法对学生成绩没有显著影响（Bishop, 2013; Dayton, 2019; Howell, 2013）。还有研究发现，翻转教学法在教学中既有积极作用，也有消极作用（Hung, 2015）。研究结果的不一致可能和翻转课堂实施的方式或课程的性质与特点有关，还可能与被试的先前经验、学习自我调节能力、满意度、动机等相关。如有的教师在课前让学生观看多个较为复杂的教学视频，这容易给学生造成信息过载或过高的认知负荷（车敬上, 孙海龙, 肖晨洁, 李爱梅, 2019）。学习者的先前经验、自我调节水平、满意度与动机均是预测学习效果的重要变量（Kalyuga, 2007; Yilmaz, 2017）。对于具有不同先前经验与熟练程度的学习者来说，教学与学习效果可能不一致，甚至会出现知识反转效应（expertise reversal effect）。

知识反转效应是指一种学习方式在学习初期对所有学习者都能起到促进作用，但在学习后期，对熟练、有经验的学习者来说，不但起不到促进作用，反而会降低学习效果；或表现为知识水平较低的学习者学习效果好于知识水平较高的学习者（赵立影, 2014）。Homer和Plass（2010）在一项研究中发现，高中生的知识反转效应比较明显，但初中生不太明显。可见，知识反转效应会受到学习者认知发展水平的影响，具有一定的年龄差异。就目前的研究现状而言，知识反转效应在多媒体学习领域的多个方面都得到了证实，包括图文表征（Lee, Plass, & Homer, 2006）、静态与动态的可视化呈现（Kalyuga, 2007）、学习任务设计与指导（Chen, Kalyuga, & Sweller, 2017）、动画与交互学习（赵立影, 2014）、动画教学代理学习（李文静等, 2016）等。那么，翻转课堂作为一种新的教学模式，在对学生学习效果的影响过程中也有可能会出现知识反转效应。当然，这需要进一步的研究加以验证。

尽管翻转课堂教学方法比较受欢迎，有一定的合理性，但还缺乏足够的证据支撑（Pierce & Fox, 2012）。一些研究认为，该方法缺乏可靠的且严谨的研究设计，其理论基础不够坚实，研究还有待于进一步完善（Abeysekera & Dawson, 2015; Chen, Wang, Kinshuk, & Chen, 2014）。目前很少有研究从心理学角度探讨翻转课堂取得优异学习效果的心理机制，以及翻转课堂中学习者的心理活动过程（宋艳玲等, 2014）。严格意义上说，翻转课堂目前还只是一个教育理念，尚缺乏严密、清晰的理论框架与固定的模式，从而造成实施方式的多样性及其不同的结果，这可能是造成当前争议的重要原因。邱莉、陆迎迎和施国青（2016）认为，任何一种教学模式的产生与发展都必须符合一定的心理规律并有其实现的理论依据。总的来说，目前关于翻转课堂研究的数量与深度皆提示该领域的研究还处于起始阶段，有必要对翻转课堂教学模式的作用机制做进一步深入、细致的考察。

本研究的目的首先是探讨翻转课堂教学模式影响学生学习效果的心理机制；其次是探讨翻转课堂对学生认知负荷及学习效果影响的内部差异。根据Musallam（2010）关于翻转课堂的理论与研究，提出假设1：翻转课堂教学模式能降低学生的认知负荷，提高学习成绩，其心理机制是通过影响学生认知负荷而影响其学习成绩的。根据Kalyuga（2007）与赵立影（2014）的研究结果，提出假设2：翻转课堂教学模式对学生认知负荷及学习效果的影响有个体差异，存在知识反转效应。

2 方法 2.1 实验设计

采用不等组实验组、控制组前测后测的准实验设计。

2.2 被试

从吉林某省级重点中学高二年级12个平行班（非实验班）中随机选取2个班，共121人参加实验，其中一个班设为实验组，另一个班设为控制组。实验组60人，其中男生28名，女生32名；控制组61人，其中男生27名，女生34名。被试平均年龄为16.35±1.21周岁。所有被试均自愿参加实验，视力或矫正视力正常，均为右利手，以前都没有体验过翻转课堂教学法。

2.3 测试材料

测试材料包括前测与后测试题、认知负荷测量量表。

前、后测试题均根据被试所使用的人教版高中数学必修系列教材编写。其中，前测试题根据必修4编写，包括三角函数、平面向量、两角和与差的正弦、余弦等知识。后测试题根据必修5编写，包括解三角形之正弦定理与余弦定理、数列等知识。两者内容上有衔接，前者可以看作是后者的基础知识。前、后测材料均由上课教师一人编写，并负责阅卷评分。题型均包括选择题（10题，40分）、填空题（4题，20分）与解答题（10题，40分），满分为100分。测试时间均为100分钟。

认知负荷测量采用PAAS量表（Paas & van Merriënboer, 1994）。该量表内部一致性信度α系数为0.74，包括心理努力和任务难度两维度，均采用9级评分制，要求被试在完成学习任务后，根据自己的感受从1～9中选择一个合适的数字，从1到9程度递增。其中，心理努力维度是指被试对完成学习任务过程中所付出的心理努力程度的评价，任务难度维度是指被试对完成的学习任务难度的评价。认知负荷指数为两维度评分的均值。所有测试均在纸质材料上填写。

2.4 实验程序

本研究共进行了为期8周的教学实验，均安排在正常的教学时间内，每周5学时，每学时45分钟。实验在两间普通教室进行，内部环境保持一致。实验开始第1周的第一次课，对两组被试的数学基础知识进行前测。授课教师相同，男性，高级职称，所教班级数学科目成绩排名均稳定在全年级前五名之内。

实验组采用Musallam（2010）提出的翻转课堂教学模式。具体操作如下：每次上课的前一天晚上，要求被试用学习机观看教师提前录制的视频资料，内容为第二天上课将要学习的基础知识与基本概念等。被试可以调节视频播放的进度，如倒退、快进、暂停、思考、记笔记等，时长为1小时左右。上课时教师先解答被试观看视频过程中的若干疑问，并归纳其要点；然后，教师布置一些作业题，要求被试当堂完成，独立完成或与他人协作均可；最后，针对本节课内容与作业，开展课堂讨论，教师进行个别辅导，总结反馈等。控制组教学内容相同，但采用传统授课的教学方式。上课的前一天晚上，要求被试先独立完成当天教师布置的家庭作业，其内容与实验组当堂完成的作业相同；然后预习第二天将要学习的新内容，时长为1小时左右。上课时教师先讲解上一次的家庭作业；然后系统讲授新学习内容中的基础知识与基本概念；最后，教师归纳其要点，并布置家庭作业。

每次课结束后，进行认知负荷测量。认知负荷指数为每次测试的平均数。第8周最后一次课进行后测，范围为这8周新学习的内容。实验完毕后，所有被试均获得一份小礼物。

2.5 统计分析

采用SPSS20.0统计软件建立数据文件，并进行描述统计、t检验、非参数检验中Mann-Whitney U检验等。

3 结果 3.1 被试前、后测学习成绩比较

实验组与控制组的前测与后测学习成绩的平均数与标准差见表1。独立样本t检验结果表明，实验组与控制组的前测成绩差异不显著（p>0.05）。实验组与控制组的后测成绩差异显著，t(119)=2.15，p<0.05，Cohen’sd=0.51，其中，实验组后测成绩显著高于控制组。配对样本t检验结果表明，实验组的前测与后测成绩差异显著t(59)=–4.12，p<0.01，Cohen’sd=0.56，其中，后测成绩显著高于前测成绩。控制组的前测后测成绩差异不显著（p>0.05）。

3.2 被试认知负荷比较

实验组与控制组8次认知负荷见表2，总的认知负荷为其平均数。独立样本t检验结果表明，实验组与控制组认知负荷的差异极显著，t(119)=–7.41，p<0.01，Cohen’sd=1.35，其中，实验组的认知负荷（4.56±1.18）显著低于控制组（6.10±1.10）。

3.3 被试前、后测学习成绩增值量比较

黄希庭和张志杰（2010）认为，不等组实验组、控制组前测后测准实验设计的数据分析一般采用参数检验中的t检验，即通过对两组前测与后测差异分数的平均数进行检验，来推测出实验处理的效应。统计结果表明，两组学习成绩增值量之间的差异极显著，t(119)=5.74，p<0.01，Cohen’sd=1.05，其中，实验组的学习成绩增值量（3.81±3.62）显著高于控制组（0.92±1.45）。

3.4 实验组内高分组与低分组认知负荷及学习成绩情况

根据测量学标准，实验组按被试的前测成绩分为高分组（前27%）与低分组（后27%），分别比较其认知负荷与学习成绩前后测的增值量。考虑到两个组均为小于30的小样本（n=16），本研究采用非参数检验中的Mann-Whitney U检验法。结果显示，两个组的认知负荷差异显著（Z=–2.02,p<0.05），其中，高分组的认知负荷显著低于低分组；两个组的学习成绩增值量差异显著（Z=–3.13,p<0.01），其中，高分组（前：87.78±4.01，后：89.94±3.40）的学习成绩增值量显著低于低分组（前：57.31±9.26，后：62.94±9.44）（见表3）。

4 讨论 4.1 翻转教学法对高中生认知负荷与学习效果的影响分析

本研究表明，翻转教学法的运用能有效降低中学生的认知负荷。虽然以往几乎没有研究直接探讨翻转教学法对中学生认知负荷状况的影响，但本研究结果验证了Abeysekera和Dawson（2015）关于翻转课堂的一个假设，即翻转教学法能降低认知负荷，促进学生学习。在翻转课堂背景下，学生能有较多时间进行自我调节的学习，而自我调节学习进程可以帮助学生管理认知负荷（Clark et al., 2007）；学生可以根据自己的负荷状况调整信息呈现时间与学习进度，从而减轻认知负荷，促进工作记忆的信息加工效率（杨丽恒, 原文志, 马建宏, 2015）。本研究结果也与Musallam（2010）的研究相一致。Musallam认为，在翻转课堂的学习模式下，学生课前看相关的视频资料，可以改变学习者头脑中的图式，促进学习材料间的元素互动，能有效降低内在认知负荷。本研究测量认知负荷的工具为PAAS量表，包括心理努力与任务难度评价两维度，两者都属于主观评价，而主观评价对内在认知负荷敏感（Ayres, 2006）。DeLeeuw和Mayer（2008）也认为，心理努力评价对内在认知负荷敏感。因此，本研究倾向于认为，翻转教学法降低的主要是内在认知负荷。当然，受当前认知负荷测量技术所限，还无法完全区分出各种类型的认知负荷，所以，也不排除翻转教学法对外在认知负荷与相关认知负荷有影响。

本研究发现，翻转教学法确实能提高中学生的学习成绩，这与以往部分研究是一致的（Baepler et al., 2014; McGivney-Burelle & Xue, 2013）。Wuellner（2013）认为，一种教学方法如只改变传统授课的信息传递方式，而在其他方面不做出改变是不太可能产生学习上的显著增效。翻转课堂教学模式从根本上改变了课堂与学校，尽量满足每一位学生的需要，并为其制定个性化学习。翻转课堂中，学生在课前自定步调、学习时间与地点，对学习过程中进行监控，对学习结果进行评价，能充分利用学生的元认知，促进知识的内化（王勇, 2016）。翻转课堂模式中，知识的传递过程提前完成，课堂时间主要用于解决图式形成过程中存在的问题，并吸收内化知识，大大降低了学生的内在认知负荷（宋艳玲等, 2014）。对于本研究与以往研究结果不一致的原因，可能是因为本研究严格参照了Musallam（2010）提出的翻转课堂教学模式，没有让学生观看太多的教学视频，课前提供的材料难度也比较适中，因而没有给学生带来信息超载以及过高的认知负荷。另外，本研究选择的数学学科知识逻辑性较强，前后之间的联系紧密，可能比较适合使用翻转课堂教学模式。可见，翻转课堂虽然是一个比较好的教育教学理念，但在实施的过程中也应顺应学生学习的心理规律，才能产生好的学习效果。从这个角度而言，本研究将有助于解决之前的研究争议。

4.2 翻转课堂背景下的认知负荷效应分析

本研究发现，在翻转课堂背景下，高分组与低分组的认知负荷与学习成绩前后测增值量之间均有显著差异，虽然高分组的认知负荷显著低于低分组，但其成绩增值量也显著低于低分组，这表明翻转课堂教学法会导致知识反转效应的出现。这也印证了Roelle和Berthold（2013）的研究。关于知识反转效应的理论解释，可能与认知过载和冗余效应两种学习情境有关（张冬梅, 路海东, 祖雅桐, 2016; Jiang, Kalyuga, & Sweller, 2018）。知识水平较低的学习者由于缺少有效的外部支持信息，加工信息的效率低，容易造成认知过载。知识水平较高的学习者内部知识结构与外部支持信息之间可能存有重叠，容易造成认知资源的浪费，产生冗余效应（孙崇勇, 李淑莲, 2017）。赵立影（2014）认为，知识水平较高的学习者还因为闲置的认知资源较多，容易疏忽，反而不能进行有效的认知加工，因此可能会在第三种情境即认知空载下出现知识反转效应。本研究中，高分组已经具有一定的内部知识，需要耗费宝贵的认知资源处理因内部知识与外部知识重叠而产生的冲突，从而不利于学习。另外，高分组的认知负荷显著低于低分组，表明高分组空余的认知资源多于低分组，但学习者可能没有很好地加以利用，无形中浪费了宝贵的认知资源，从而导致学习成绩增值量低于低分组。所以，本研究中出现的知识反转效应更接近于上述的第二、第三种情境。一般来说，知识反转效应与材料呈现方式、任务性质与难度、问题情境以及学习者的个体差异等因素有关（孙崇勇, 李淑莲, 2019）。

本研究发现，翻转课堂取得优异学习效果的心理机制主要在于，它是通过有效降低学习者的内在认知负荷而影响其学习成绩的。值得注意的是，翻转教学法对学习成绩的影响不是短期的、立竿见影的，而是一个需要较长时间的潜移默化过程，学生需要花费一定时间来适应这种新的教学模式。为此，O’Flaherty和Philips（2015）提出，只有通过长期的纵向研究才能精确考察翻转课堂教学模式的影响。另外，翻转课堂教学法作为一种新生事物，虽然具有众多优点，但不能保证对所有的学生都是同等有效的。知识反转效应提示，在翻转课堂教学过程中，教师还需要不断地关注学生的认知负荷状态及其对学习效果带来的影响，以便随着学习者知识经验的不断变化适时调整教学策略。

5 结论

本研究揭示了翻转课堂取得优异学习效果的心理机制，即翻转教学法通过有效降低学习者的内在认知负荷而影响其学习成绩；但同时存在认知负荷的知识反转效应，相对于高分者而言，该法对低分者的学习更加有效。所以，翻转教学法的运用过程中须考虑学生认知负荷的变化及其学习效果，以便采取相应的教学策略。