基于认知负荷理论的《城市轨道交通通信信号》课程内容设计优化研究

引言

《城市轨道交通通信信号》课程作为高职轨道交通专业的核心课程，旨在培养学生掌握通信信号的基本理论和实践技能。然而，课程内容具有技术性强、涉及领域广、理论与实践结合紧密等特点，对学生的理解能力和学习能力提出了较高的要求。实际教学中，学生在学习该课程时感到内容复杂难懂，学习效果不佳，特别是在抽象理论的理解和实践应用能力的培养上存在困难。

认知负荷理论由澳大利亚心理学家约翰·斯威勒提出，强调学习任务设计需避免超过学习者工作记忆的承载能力[1]。通过调整教学内容的呈现方式和优化教学设计，可以有效减轻学生的认知负荷，提升学习效率，将认知负荷理论应用于《城市轨道交通通信信号》课程的内容优化设计中，有助于构建更符合学生认知特点的教学体系[2]，从而提高学生的学习效果和实践能力。

一、研究内容

本研究以认知负荷理论为指导，通过优化《城市轨道交通通信信号》课程内容与教学方法构建符合学生认知规律的教学体系，具体包括结合文献调研与学生问卷分析课程内容及教学中导致认知负荷过重的因素，基于认知负荷理论调整内容组织结构与呈现方式、简化难点并增强模块逻辑性与连贯性，结合课程特点采用分层教学、互动式教学、任务分解与反馈等策略减轻外在认知负荷，以及通过实验组与对照组对比评估优化设计对学生学习效果的影响。

二、研究过程

本研究以“列车自动控制系统（CBTC）”章节为例，说明课程优化设计的实施路径及具体研究过程。通过问卷调查与课堂观察，发现学生学习该章节存在三方面主要问题：一是 CBTC 涉及多学科知识，学生易觉得内容琐碎且难以建立联系；二是学生对专业术语陌生，信号传输机制等抽象概念难理解；三是传统教学偏重理论，缺乏可视化工具辅助，实践环节弱。

（一）优化目标确定

依据问题分析，确定优化目标：简化复杂概念，分解知识模块，降低内在认知负荷；借助多媒体和图示化手段，将抽象概念形象化，减轻外在认知负荷；增加互动和实践环节，提升学生对知识的理解与应用能力。

（二）课程内容优化设计

基于认知负荷理论，对该章节内容进行模块化设计：模块1“CBTC 基本原理”增加信号传输动画演示和实物图片展示设备组成；模块2“移动闭塞系统”拆解为“信号采集-数据传输-安全决策-反馈执行”四步流程，配合案例分析；模块 3“CBTC 应用场景”通过轨道交通实景视频，模拟信号系统作用。

（三）教学策略选择

结合内容优化设计，依据学生认知水平设置不同难度学习任务，采取互动式教学引导学生思考实际应用，将复杂任务分解为小任务分阶段完成并提供即时反馈。

（四）教学实验设计

实验组用优化后的内容和策略，对照组沿用传统教学。选取 80名高职轨道专业二年级学生，两组各 40 人。收集测试成绩（概念

理论理解和实践能力）、问卷反馈、课堂观察记录等数据，分析验证优化效果及学生满意度和建议。

三、研究结果

（一）测试成绩数据

两组学生的学习效果通过一份涵盖概念理解（40 分）与实践应用（60 分）的测试题进行评估。从成绩来看，优化组在概念理解部分的平均分为 35.8 分，实践应用部分的平均分为 52.4 分，总分均值为 88.2 分，标准差为 5.6；对照组在概念理解部分的平均分为30.2 分，实践应用部分的平均分为 45.1 分，总分均值为 75.3 分，标准差为8.3。

数据分析表明：优化组的总分均值显著高于对照组，这充分说明课程优化设计切实提高了学生的整体学习效果；尤其在实践应用部分，优化组成绩提升更为明显，进一步印证了优化设计在助力学生将理论知识转化为实际应用能力方面成效突出。

（二）问卷数据分析

对两组学生的问卷反馈均值进行对比，在内容难度控制维度，优化组均值为 4.3，对照组均值为 3.5，差异为 +0.8 ；在教学方法适应度维度，优化组均值为 4.6，对照组均值为 3.2，差异为 +1.4 ；在课堂参与度维度，优化组均值为 4.5，对照组均值为 3.7，差异为+0.8 。

数据显示，优化组对“教学方法适应度”的评价显著高于对照组，差值达 1.4，这表明互动与多媒体手段的运用显著降低了学生的外在认知负荷；“课堂参与度”的提高则反映出优化设计更能够激发学生的学习兴趣。

（三）课堂观察数据

通过课堂观察记录两组学生的学习行为，优化组的提问次数为20 次，对照组为8 次；优化组的小组讨论次数为12 次，对照组为5 次；优化组的任务按时完成率为 90% ，对照组为 70% 。

数据分析发现：优化设计增强了课堂互动与参与氛围，让学生参与学习任务的积极性显著提升，按时完成任务的比例也有明显提高。

四、结论与展望

学生成绩和问卷反馈均显示，优化设计显著提高了学习效果。特别是在实践应用能力上的提升尤为突出。多媒体演示和分层教学减轻了学生的外在与内在认知负荷，使复杂概念更加易于理解，有效提升了教学效果。教学策略的调整（如任务分解、即时反馈）增强了学生的课堂参与度和学习兴趣。

未来，在后续课程优化中，应进一步加强案例教学和实践训练，提升学生的综合应用能力，同时要注重增加教学反馈机制，根据学生的学习进展动态调整教学内容和方法，确保优化设计的可持续性。

参考文献：

[1] 胡定磊 . 基于认知负荷理论的计算机网络课程教学优化研究[J]. 学周刊 ,2025,(10):41-44.

[2] 龚凤宇 , 张桥英 , 周露萍 , 等 . 认知负荷理论视角下的大情境教学设计 [J]. 中学地理教学参考 ,2024,(21):23-27.

作者简介：吴文杰（1996.11-）男，汉族硕士，助教，研究方向：交通运输工程。