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  • 负荷

    负荷,是人类社会中的一种专业词语,指机器或主动机所克服的外界阻力,对某一系统业务能力所提出的要求(如电路交换台,邮政,铁路),又指物体所承载的重量。引申为资源被占用的比例。

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    负荷的分类/负荷 编辑

    电力负荷

    负荷指的是导线、电缆和电气设备(变压器,断路器等)中通过的功率和电流。该负荷不是恒定值,是随时间而变化的变动值。因为用电设备并不同时运行,即使同时运行,也并不是都能同时达到额定容量。另外,各用电设备的工作制也各有不同,有长期、短时、重复短时之分。在设计时,如果简单地把各用电设备的容量加起来作为选择导线、电缆截面和电气设备容量的依据,结果并不科学。要么过大,使设备欠载,不经济;要么过小,出现过载运行,导致过热绝缘损坏、线损增加,影响导线、电缆或电气设备的安全运行,严重时,会造成火灾事故。为避免这种情况的发生,设计时采用一个假定负荷即计算负荷来表征系统的总负荷应。用计算负荷来选择导线、电缆截面和电气设备比较接近实际,因为计算负荷的热效应与变动负荷的热效应是相等的。

    计算负荷也称需要负荷或最大负荷。计算负荷是一个假想的持续负荷,其热效应与某一段时间内实际变动负荷所产生的最大热效应相等。在配电设计中,通常采用30分钟的最大平均作为按民热条件选择电器工导体的依据。

    求得计算负荷的手段称为负荷计算。我国普遍采用的确定计算负荷的方法有需要系数法和二项式法。需要系数法的优点是简便,适用于全厂和车间变电所负荷的计算,二项式法适用于机加工车间,有较大容量设备影响的干线和分支干线的负荷计算。但在确定设备台数较少而设备容量差别悬殊的分支干线的计算负荷时,采用二项式法较之采用需要系数法合理,且计算也较简便。[1]

    火灾负荷

    火灾荷载数值 火灾荷载数值

    火灾负荷是衡量建筑物室内所容纳可燃物数量多少的一个参数,是研究火灾全面发展阶段性状的基本要素。简单一点,就是建筑物容积所有可燃物由于燃烧而可能释放出的总能量。在建筑物发生火灾时,火灾荷载直接决定着火灾持续时间的长短和室内温度的变化情况。因而,在进行建筑结构防火设计时,很有必要了解火灾荷载的概念,合理确定火灾荷载数值。


      建筑物内的可燃物可分为固定可燃物和容载可燃物两类。固定可燃物是指墙壁、顶棚、楼板等结构材料及装修材料所采用的可燃物以及门窗、固定家具等所采用的可燃物。容载可燃物是指家具、书籍、衣物、寝具、摆设等构成的可燃物。固定可燃物数量很容易通过建筑物的设计图纸准确地求得。容载可燃物数量很难准确计算。一般由调查统计确定。

    建筑物内的可燃物

    建筑物中可燃物种类很多,其燃烧发热量也因材料性质不同而异。为便于研究,在实际中常根据燃烧热值把某种材料换算为等效发热量的木材,用等效木材的重量表示可燃物的数量,称为等效可燃物的量。一般地说,大空间所容纳的可燃物比小空间要多,因此等效可燃物的数量与建筑面积或容积的大小有关。为便于研究火灾性状,一般把火灾范围内单位地板面积的等效可燃物木材的数量定义为火灾荷载。

    火灾负荷的确定

    火灾负荷和火灾的严重程度之间的关系是很明显的,没有可燃物就没有火灾;燃物越多,火灾越严重。因此火灾负荷的计算非常重要。然而,不只是可燃物的数量重要,而且单位空间里的可燃材料的类型也很重要。因为有些材料在燃烧时每单位质量比其他单位材料释放更多的能量。这就是为什么火灾荷载经常用MJ而不是kg来表示的原因。有时,采用一些我们热悉的数据,如通过把一个空间内所有的可燃材料的热能等值地转化成当量的木材数量来表示该区间内的火灾荷载。

    火灾负荷密度

    即Fire Load Density,单位建筑面积上的火灾负荷 。[2]

    生理负荷

    肌肉在收缩之前所遇到的负荷或阻力称为前负荷。它是肌肉在收缩之前具有一定的初长度。在一定范围内,肌肉收缩产生的张力与收缩前肌肉的初长度成正比,超过某一限度,则又呈反变关系。即在初始阶段,随着初长度的增加,肌张力亦增加;肌肉在最适初长度(最适前负荷)时,收缩产生最大张力。再增加初长度,肌张力反而减小。在肌肉处于最适初长度时若开始等长收缩,则缩短速度最快、缩短的程度最大,做工效率最高。

    后负荷是指肌肉开始收缩之后所遇到的负荷或阻力。当肌肉在后负荷的条件下进行收缩时,先产生张力增加,然后再出现肌肉的收缩。在一定范围内,后负荷越大,产生的张力就越大,且肌肉开始缩短的时间推迟,缩短速度就越慢。当后负荷增加到某一数值时,肌肉产生的张力达到它的最大限度,此时肌肉可完全不出现缩短,初速度等于零,肌肉所产生的张力和它收缩时的初速度呈反变关系。因此,肌肉只有在适度的后负荷时,才能获得肌肉做功的最佳效果。

    认知负荷

    认知负荷是指人在信息加工的过程中所需要的心理资源总量。 认知负荷理论是由澳大利亚新南威尔士大学的认知心理学家约翰·斯威勒(John Swdler)于1988年首先提出来的,它以Miller等人早期的研究为基础,其目的就是在教学材料设计上和教学过程中最大降低阻碍学习的认知负荷,优化促进学习的认知负荷,使学习者合理地使用有限的认知资源,达到最大的学习效果。

    认知负荷理论认为,某种学习材料所能引起的“认知负荷”水平主要由三个基本因素决定:学习材料的复杂性、学习材料的组织和呈现方式、学习者的知识经验。由此,也构成了三种类型认知负荷:外在认知负荷、内在认知负荷和相关认知负荷。

    1988年,澳大利亚新南威尔士大学的心理学家J.Sweller在现代认知心理学研究成果的基础上,从认知资源分配的角度正式提出“认知负荷理论”(CognitiveLoadTheory,简称CLT)。随后认知负荷理论开始在实践教学领域被广泛研究,并取得了一定的研究成果。诸多研究证明,认知负荷理论为研究教学过程中的认知处理提供了一种新的理论框架,对教学实践具有极其现实的指导意义。正如Alexander(1997)所论证,认知负荷被看作是教学活动设计的一个重要因素,教学活动是否有效取决于(或部分取决于)它能否减少不必要的认知负荷。

    一、认知负荷理论的基本观点

    认知负荷理论是基于人脑工作记忆(workingmemory)的有限性发展起来的。在人的信息加工系统中,短时记忆(short-termMemory)是一种工作记忆,主要处理从感觉记忆(sensorymemory)和长时记忆(long-termmemory)中提取出来的信息,在整个信息加工系统中起着支配信息加工系统中信息流的作用,对认知活动的顺利开展有着至关重要的作用。认知负荷理论十分关注学习过程中的工作记忆的作用,其基本观点可概括为:(1)工作记忆的容量是极其有限的,长时记忆的容量在本质上是无限的,所有的信息在进入长时记忆之前,必须在工作记忆中进行信息加工;(2)学习过程要求将工作记忆积极地用于理解(和处理)材料并对即将习得的信息进行编码以储存在长时记忆中;(3)如果学习者所要加工的信息容量超出了学习者的工作记忆所能加工的信息容量,那么学习将变得无效。在此基础上,J.Sweller等人认为,问题解决和学习过程中的各种认知加工活动均需消耗认知资源,产生一定的认知负荷,若所有活动所需的资源总量超过了工作记忆的容量,就会引起资源分配的不足,从而影响个体学习或问题解决的效率,这种情况被称为认知超载(cognitiveoverload)。

    二、认知负荷的概念及其结构

    自20世纪80年代认知负荷理论问世以来,人们对认知负荷(cognitiveload)概念的理解一直是众说纷纭。如Cooper(1990)认为认知负荷是指加工特定数量信息所要求的心理能量水平;J.Sweller等(1998)认为认知负荷就是将特定工作加之于学习者认知系统时所产生的负荷;辛自强等(2002)认为认知负荷可被视作是加工特定数量信息所要求的脑力劳动,随着加工的信息数量的增加,认知负荷也增加;林崇德等(2005)认为认知负荷指的是一个事例中智力活动强加给工作记忆的数量;赖日生等(2005)认为认知负荷指的是在某种场合施加到工作记忆中的智力活动的总的数量;杨心德等(2007)认为认知负荷是完成某项任务而在工作记忆上所进行的心智活动所需的全部心智能量。结合以上不同解释,笔者认为,认知负荷是人们为顺利完成特定工作任务,实际投入到工作记忆中去的认知资源的总和,包括必需的和不必需的。

    从结构上来看,认知负荷由内在认知负荷(IntrinsicCognitiveLoad)、外在认知负荷(ExtraneousCognitiveLoad)和相关认知负荷(GermaneCognitiveLoad)组成:(1)内在认知负荷由材料本身的固有特性(如难度和复杂度)和学习者原有的知识水平,以及这两者的交互作用决定,一般认为内在认知负荷是相对固定的,不能被教学设计(InstructionDesign)所改变,但近来也有学者认为内在认知负荷是可以改变的(Pollocketal,2002;Peteretal,2004);(2)外在认知负荷来源于教学材料的呈现方式和教学设计,一般与教学内容的不合理组织和设计有关,能通过教学内容的重新组织和设计进行调整;(3)相关认知负荷是与学习者主观领域相关的信息,指学习者在图式(Schema)建构和自动化过程中意欲投入的认知资源的数量[2],它与学生的认知努力有关,提高学生的相关认知负荷,可以引导学生利用剩余认知资源进行深层次的图式建构,因此,Bannert(2002)将其看作图式建构和自动化的工具[3]。

    三、认知负荷理论对教学工作的启示

    为避免教学中学生认知负荷总量超过其工作记忆容量,认知负荷理论的教学原理就是:尽可能降低学生的内在认知负荷和外在认知负荷;并在确保工作记忆资源有所盈余的前提下,适当引导学生投入更多的心理努力(MentalEffort),提高其相关认知负荷,实现图式的获得与规则的自动化。如前所述,教学活动中学生内在认知负荷与教学材料的特点和学生的认知水平有关,外在认知负荷与教学材料的呈现方式和教学设计水平有关,相关认知负荷与学生的认知努力(MentalEffort)有关。为此,我们可以从以下几个方面来优化教学活动中学生的认知负荷结构,提高教学效果。

    (一)控制内在认知负荷:充分考虑教材特点与学生认知水平及其交互作用

    一般认为内在认知负荷是由学习材料的本质所决定的,不能通过教学设计的改变而改变,但Pollocketal(2002)和Peteretal(2004)的实验提出了异议。[4]两个实验共同点在于利用材料的信息排序原理降低内在认知负荷。Pollocketal首先向学生分批展示学习材料,然后一次性地全部展示,这种学习材料排序法,尤其是对初学者而言,能更好地促进对学习材料的深层次理解(引自Bannert,2002)。而Peteretal改变了传统样例教学(ExampleInstruction)方式,把样例分解成几个能单独理解的成分,他的五个实验最终结果一致表明,新的样例呈现方式降低了材料给学生带来的内在认知负荷。

    TracyClarke,PaulAyres与JohnSweller也在他们的“TheImpactofSequencingandPriorKnowledgeonLearningMathematics:ThroughSpreadsheetApplications”一书中研究了一种改变固有认知负荷的渐进方法。他们使用Spreadsheet软件来形成学生的数学技能。学生被分为两类。一类学生对Spreadsheet不怎么熟悉,另一类学生对Spreadsheet有较好的了解。每一类学生又一分为二,分别接受两种先训练:一种训练是先使用Spreadsheet软件,再训练利用这种软件发展数学技能;另一种训练是练习Spreadsheet软件技能与练习数学技能同时进行。结果显示对于事先不熟悉Spreadsheet的学生来说,顺序呈现优于并发呈现,测验成绩也更高;但对于事先已了解Spreadsheet的学生来说,情况正好相反。这说明,对于知识技能水平低的学生来说,采用“先学习技能后学习特定内容领域的概念”这种策略能提升他们的学习;对他们来说,技术内容很可能具有高元素交互性,如果同时学习技术技能和特定学科领域的概念,内在认知负荷可能会增加[5]。而对技能水平低的学生来说,技术内容不具备高元素交互性,同时学习技术技能和特定学科领域的概念,内在认知负荷不会增加。在决定顺序策略时,学生的技术技能水平以及内容的元素交互性水平,是至为关键的变量(Kalyuga等,2003;VanMerrienboer,Kirschner&Kester,2003)。

    (二)降低外在认知负荷:优化教学材料呈现方式,提高教学设计水平

    降低外在认知负荷是“教学的认知负荷理论研究”重点关注的对象。对降低教学中学生外在认知负荷的途径,众多的研究者纷纷从不同的角度提出了自己的看法。笔者在参阅众多文献的基础上,认为可以总结为一句话,即优化教学材料呈现方式,提高教学设计水平。下面试举几例,以资说明。

    1、按邻近原则呈现教学材料,减少注意分散和表征保存。即教学中的教学材料呈现应尽可能在时空上保持邻近。凡涉及多来源的信息应该在物理上被整合,以降低对有限的工作记忆的压力,并释放出认知容量进行其他的信息处理。[6]以图像和解释性文本的呈现为例。在空间上,解释性文本应尽可能被整合到图像中去;在时间上则应该同时而非连续呈现,形成一个整体。这样,学习者就可以以最短的视觉搜索找到相应的视觉与语词信息,容易在它们之间建立联系而促进信息整合。否则,图像和解释性文本分离呈现,“学习者倾向于先看文字部分,接着看对应的图表”(Hegart&Judt,1989),在看完文本后,一方面需要一部分认知资源来保存文本表征,形成表征保存;另一方面还要耗费一定认知资源来搜寻对应的图像信息,形成注意分散,从而带来额外的认知负荷。因此,“文字和图像的完整呈现比文字和图像分离呈现更有利于学习者的学习(Moreno&Mayer,1999;Mayer,2001)”。

    2、清除多余信息,避免冗余效应(RedundancyEffects)发生。多余信息,就是对教学目标达成来说是没有必要的那些信息,也称为冗余信息。PaulChandler和JohnSwe11er用实验证明:冗余的信息并非中性的,它们会对学习和理解造成消极的效应。[7]冗余信息的存在往往迫使学生不得不去关注一些本可以不去关注的信息,从而浪费宝贵的工作记忆资源。因此,它会给工作记忆带来额外的负担,从而增加学生的外在认知负荷。Moreno和Mayer也认为“当文字以叙述方式单独呈现时,学习者对呈现材料的理解要比同时以叙述和屏幕文本方式呈现要好”[8],这里以屏幕方式呈现的文本信息就是多余的,应该被清除掉。

    3、运用先行组织者(AdvanceOrganizer)策略,改变学生的认知准备状态。人们对新知识的理解总是建立在自身原有的认知结构(CognitiveConstruction)的基础上的,当原有认知结构对新知识有支撑作用时,人们就相对容易理解新知识;相反,如果原有认知结构中缺乏支撑新知识的内容或原有认知结构中的相关知识未被激活,人们对新知识的理解将变得相对困难。教师应该通过先行组织者策略,在新的学习任务开始之前,呈现给学生比当前学习任务更高一层的抽象性和包摄性的引导性材料,从而激活其认知结构中与新知识相关的知识内容,为学习新知识做好认知准备,这样就避免了在学习新知识的同时,还要到长时记忆中去搜索相关知识的认知负担,从而减轻外在认知负荷。

    此外,通过分离视听信息,拓展工作记忆容量;信息呈现条理化,减少学生认知搜索;抽象信息形象化,降低学生认知难度;复杂信息简单化(如使用图表),简化学生认知加工;控制教学材料呈现速度,留给学生足够的认知加工时间;教给学生认知策略(cognitivestrategies),提高学生认知效率;分化复杂任务,防止学生认知负荷超载;采用样例(worked-example)教学,简化认知技能获取过程等都能从不同角度减轻学生的外在认知负荷。

    (三)提高相关认知负荷:激发学生学习动机,引导其加大认知努力

    相关认知负荷是指学习者在图式建构和自动化过程中意欲投入的认知资源的数量,它有利于图式的获得和规则的自动化,实现学生认知结构的优化,把大量复杂无序的信息组合成简单有序的知识体系,有效降低了工作记忆的认知负荷,从而节省有限的工作记忆资源;规则的自动化还允许我们以最少的工作记忆容量去处理信息,降低工作记忆负担。不仅如此,相关认知负荷的增加还有利于意义的建构,帮助学生更好的理解和掌握所学知识。由此可见,在确保总的认知负荷不超载的情况下,适当增加学生的相关认知负荷对教学是有益的。

    提高学生的相关认知负荷,关键是要激发学生的学习动机(尤其是内部动机),使学生加大自身的认知努力。为此,教育者要通过多种途径和手段,把社会和教育者向学生提出的学习要求转化为学习者内在的学习需要。比如:培养和激发学生的学习兴趣;进行学习目的性教育;采用启发式教学;建立合理的奖励机制等等。

    相关文献

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    参考资料
    [1]^引用日期:2018-02-05
    [2]^引用日期:2018-02-05

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