基于認知負荷理論的高中化學必修教材調查研究

摘要:本文以認知負荷理論為研究基礎，以問卷調查為研究方法，從學習者的角度來探測和比較我國兩版高中化學必修教材對于學生學習的影響，以期為化學教材的修訂和研究提供一些可供借鑒的建議。

關鍵詞:認知負荷理論;高中化學必修教材;教材調研

文章編號:1005-6629(2010)07-0031-04 中圖分類號:G633.8 文獻標識碼:B

認知負荷理論(Cognitive Load Theory)[1]由澳大利亞心理學家約翰·斯威勒(John Sweller)在1988 年首次提出。所謂的認知負荷是指同時被要求施加在工作記憶上的智力活動的全部數量[2]，即工作記憶必須注意和處理的內容總和。認知負荷理論提出了三種基本類型的認知負荷:內部認知負荷、外部認知負荷和相關認知負荷。 由于元素間交互形成的認知負荷稱為內部認知負荷(Intrinsic Cognitive Load)， 它取決于所要學習材料的本質與學習者的專業知識之間的交互程度。外部認知負荷(Extraneous Cognitive Load)是超越內部認知負荷的額外負荷，它主要是由設計不當的教學引起。相關認知負荷(Germane Cognitive Load)是指與促進圖式構建和圖式自動化過程相關的認知負荷。三種類型的認知負荷是相互疊加的。為了促進有效學習的發生，在教學過程中應盡可能減少外部認知負荷，增加相關認知負荷，并且使總的認知負荷不超出學習者能承受的認知負荷范圍，否則，就會產生較低的認知效率[3]。認知負荷理論的提出和發展為“以生為本”地研究教材和教學問題開辟了一個嶄新的領域。

1研究問題

化學教學的理想狀態是，每個學生都能根據自己的興趣和目標，利用各種各樣豐富的化學學習和實驗資源來獲得知識和培養能力，并能隨時得到有效的指導。但時下化學教育資源匱乏，學生在很多時候只能利用有限的學習材料進行自學來實現自身發展。目前我國的高中化學必修教材質量如何?它們適合學生自學嗎?還有哪些地方需要加以改進?這些都是人們常問卻又沒有根本解決的問題。根據認知心理學的最新研究成果，學習材料是否有利于學生自學，可以從它們引起學生認知負荷的角度來加以比較與分析。

對于化學教材來說，它們主要能夠引起學生的“內部”和“相關”兩個方面的認知負荷。一般來說，化學教材主要在內容指導語、內容線索、核心知識提示、內容前后聯系、文字與圖表間的空間距離、文字與圖表的匹配程度、圖表內容的比例、實驗探究操作性等方面影響學生學習時的“內部認知負荷”[4];而教材內容的時代性、實踐性、趣味性、與日常生活的聯系、對日常生活的指導意義、關注人類未來發展和學法指導等方面則會影響到學生學習時的“相關認知負荷”。本研究基于化學教材引起學生學習時不同類型“認知負荷”的特點，并以這些特點為評價指標，設計和編制了一份調查問卷，通過調查學習者對“蘇教版”和“人教版”化學必修教材的內容選擇和呈現方式的認識和反饋，從認知負荷理論的角度對兩個版本的化學新教材(必修)進行比較研究，以期獲得化學新教材在“學生自學”方面的整體水平和具體的改進建議。

2 研究設計

本研究中使用的調查問卷主要從“內部認知負荷”和“相關認知負荷”兩個維度分別設計評價項目，每個評價項目都有五個不同的選項供調查者選擇，這些選項為:“完全不同意”(賦值為1)、“基本不同意”(賦值為2)、“基本同意”(賦值為3)、“非常同意”(賦值為4)和“完全同意”(賦值為5)。其中，用于檢測化學必修教材給學習者帶來的內部認知負荷大小的評價項目共十項(總分為50分)，十項得分之和越接近于50，說明教材引起的學生內部認知負荷越小，越有利于學生學習;用于檢測教材給學習者帶來的相關認知負荷大小的評價項目也為十項(總分也為50分)，十項得分之和越接近于50，說明教材引起的學生相關認知負荷越大，就越能調動學生的學習積極性，即教材受學生的歡迎程度就越高。

為了增強研究結論的信度，本研究隨機選取了江蘇省兩所普通高級中學(其中一所學校使用“蘇教版”高中化學教材，另一所學校使用“人教版”高中化學教材)作為調查對象選取的來源學校。為了避免學生自身的知識水平對調查結果造成的影響，在每所學校任意選擇兩個高一普通班作為調查班級，每個班級50人，調查對象共200人，經過篩選后的有效問卷177張。177名調查對象中有男生88人(占被調查者總數的49.7 %)， 女生89人(占被調查者總數的50.3 %)， 男女生的比例相當。同時，這些調查對象中有79人使用“人教版”化學教材(占被調查者總數的44.6 %)， 有98人使用“蘇教版”化學教材(占被調查者總數的55.4 %)， 也就是說使用兩個版本化學教材的被調查者數量也是大體相當的。問卷調查所獲得的數據，利用教育統計軟件包SPSS 11.5進行統計與分析。

3研究結論

通過對收集到的有效問卷的相關評價項目中學生的作答情況進行數據統計和分析，可以得到以下一些主要結論。

3.1高中化學必修教材整體上利于學生自學

教材引起學生的認知負荷總量可以被用來從整體上說明它們利于學生自學的程度。調查結果顯示，現行的兩套高中化學必修教材都較有利于學生的自學。兩套教材在引起學生總認知負荷方面的得分情況如圖1所示。

由圖1可以看出，兩個版本的化學教材在引起學生認知負荷總量方面及格率分別達到63 %和65 %，都較有利于學生學習和使用。

通過獨立樣本的T檢驗，“蘇教版”和“人教版”化學必修教材在認知負荷總量方面的檢驗結果顯示，P=0.726>0.05，這表明對引起學生認知負荷總量來說，教材版本之間的差異沒有顯著性意義。既然兩版教材在引起認知負荷總量方面沒有顯著差異，那么它們在幫助學生自學時，會因性別差異而引起不同的認知負荷總量嗎?由表1中的獨立樣本的T檢驗結果可以看出，男生和女生使用化學教材時，在認知負荷總量方面的檢驗結果顯示，P=0.794>0.05，這表明對引起學生認知負荷總量來說，不同性別之間也沒有顯著性意義。也就是說，兩版高中化學必修教材不論對男生，還是對女生，都較有利于他們自學。

雖然兩版教材在整體上沒有顯著性差異，但它們在引起學生不同類型的認知負荷方面有沒有具體的差異呢?

3.2兩版必修教材各有所長，應相互借鑒

具體來看，教材的認知負荷總量主要由其引起的“內部”認知負荷和“相關”認知負荷兩個部分組成。從這兩個部分出發來具體分析兩個版本的教材，結果發現它們有以下特點(見圖2和圖3所示):

從圖2可以看出，“蘇教版”教材在引起學生內部認知負荷方面比“人教版”教材的及格率要高，這說明“蘇教版”教材在內容組織方面較“人教版”教材更有利于學生認知和自學。而圖3則顯示，“人教版”教材在內容呈現方面優于“蘇教版”教材，它能夠在更大程度上調動學生學習化學的積極性。

基于以上分析，我們可以看出，兩版化學教材各有所長。因此，“蘇教版”教材在精心組織內容的同時，需要吸收“人教版”教材在內容呈現方面的優勢;而“人教版”教材則需更加關注知識內容的組織思路。只要二者相互借鑒，取長補短，就能更加有利于全體高中學生的自學和發展。

在分析調查數據的過程中，研究也發現兩版化學必修教材中尚存一些需要解決的共性問題，值得加以研究和思考。

3.3兩版教材存在尚需解決的共性問題

為了更加充分地反映兩版教材引起學生認知負荷的具體情況，本文利用“偏度”來反映學生的作答情況，具體內容見表2。對于某一個評價指標來說，如果“偏度”值越接近于+1，那么選擇中間值3以前選項的學生比例就越高;而如果“偏度”值越接近于-1，那么選擇中間值3以后選項的學生比例就越高。在本研究中，學生對某一評價指標作答的“偏度”值越接近于-1，那就說明在該指標方面，教材引起他們的認知負荷是有利于他們自學的;反之，教材在該指標方面是不利于學生自學的。

從表2的對比中可以看出，對于不同的評價指標，兩版化學必修教材表現出不同的優缺點，而它們存在的共性問題主要表現在“教材的內容主線”、“章節的核心知識點”和“教材中學生探究的內容比例”等三個方面。

(1)教材的內容主線

內容主線的清晰程度將直接影響化學教材引起學生內部認知負荷的大小。內容主線越明晰易見，教材給學生自學時帶來的認知負荷就越小，從而越有利于學生自學。當問到“在閱讀化學教材時能否很快發現教材內容的主線”時，調查結果如表3所示。

由表2和表3看出，對于該指標來說，被調查者針對兩版本必修教材，選擇1、2和3的累積百分數分別為82.3 %和74.5 %，數據的直方圖都呈正偏態(偏度分別為+0.373和+0.233)。這表明有相當數量的被調查者認為兩版教材的內容主線他們并不是很容易就能發現，也即學生在閱讀教材時產生了較高的內部認知負荷，教材不太利于他們自學。因此，化學教材在修訂時，應該充分考慮這一因素，讓教材內容的主線更加清晰，從而幫助學生更好地利用教材學習。

(2)章節的核心知識點

內容組織良好的化學教材，應該能夠幫助學生很容易從中找到章節內容的核心知識點，從而引起學習者較小的內部認知負荷。當問及“找到章節核心知識點的難易程度”時，被調查者的回答結果如表4所示。

由表2和表4可知，對于章節中的核心知識點，被調查者針對兩版必修教材，選擇1、2和3的累積百分數分別為79.7 %和67.3 %，數據的直方圖也呈正偏態(偏度分別為+0.453和+0.263)。由此可見，許多調查者并不能很好地在教材中找到章節內容的核心知識點，也就是說，教材呈現給學生的內容重點并不是很突出，造成了學生較大的認知負荷，從而不利于他們高效地學習新知識。因此，化學教材應該改變內容呈現的主次，突出并引導學生發現章節內容的核心知識點。

(3)教材中學生探究的內容比例

學生探究的內容比例越大，化學教材引起學習者的相關認知負荷就越大，也就越有利于激發他們的學習興趣。被調查者對“教材中學生探究內容的比例”調查項的反饋結果如表5所示。

對于該內容主題的調查，被調查者針對兩版本必修教材，選擇1、2和3的累積百分數分別為84.8 %和77.6 %，數據的直方圖呈正偏態(偏度分別為+0.628和+0.304)。這表明超過七成的被調查者都認為教材中供他們動手探究的內容比例過小，即教材在關注個體探究活動的內容呈現方面引起了學生較小的相關認知負荷，這將不利于學生學習積極性的發揮。因此，兩版化學必修教材應該適當增大學生探究的內容比例，以激發他們的化學學習興趣和學習動力。

4 研究啟示

在化學新課程不斷推進的過程中，教材的發展水平將會直接影響到課程實施的成效。基于以上研究，我們可以得出以下一些啟示。

4.1 基于學習者需求研究化學教材問題

作為教師教和學生學的重要資源和工具，化學教材在新課程實施過程中扮演著非常重要的角色。我們在思考“給”學生什么樣教材的同時，不妨換一種視角，也許只有在充分考慮了學生“要”什么樣教材的基礎上，才能編寫出更加有利于他們學習的教科書。也就是說，從學生認知的角度研究教材的編寫水平和存在問題是一種重要的教材研究方法。通過以上研究可以發現，兩版高中化學必修教材在整體上是較利于學生自學的，但它們也在一些方面沒有很好地滿足學生的自學需求(具體內容見表2)。因此，為了提高化學教材輔助學生自學的水平，我們在思考和研究教材問題時，要充分考慮學生的需求，特別是不同層次學生的具體需求，這樣才能讓化學教材更具針對性，從而促進每一個學生的基礎發展和個性發展。

4.2精心組織化學教材的內容體系

化學課程標準給出了中學階段學生應知、應會的具體學習內容，但沒有規定這些內容應該在教材和教學中以怎樣的線索加以組織。從認知負荷理論的角度來看，教材內容體系的組織線索是否明晰，教材內容的核心知識點是否明確，教材內容前后是否連貫等方面都會影響學習者在自學時的認知負荷。因此，現行的高中化學新教材應多添加一些學習引導和核心知識點的提示，適當提高化學實驗活動的可操作性，并注意與初中化學教材內容的過渡與銜接，這些策略都有助于降低學生學習時的內部認知負荷，從而有利于他們利用化學教材進行自學。

4.3合理設計化學教材的呈現方式

好的教材呈現方式既可以降低學生自學時的難度，同時也能激發他們的學習興趣。認知負荷理論認為，圖表可以有效地降低學生在自學教材時的內部認知負荷，而生動的圖片、有趣的活動、教材內容與社會生活的聯系等方面都能增加學生自學時的相關認知負荷，從而轉化為他們學習的動力。因此，化學教材在編寫和修訂的過程中應該適當增加圖片和表格的比例，多用鮮活的圖片和精彩的活動為內容載體，將較多的社會生活元素融入教材內容之中，向學生呈現他們易懂、愛看的學習內容，從而促進他們的化學學習。

參考文獻:

[1]John Swller.Cognitive Load During Problem Solving: Effects on Learning[J].Cognitive Science，1988，12:257～285.

[2]Graham Cooper.Research into Cognitive Load Theory and Instructional Design at UNSW [A].School of Education Studies [C].The University of New South Wales， Sydney， Australia. 1998， 11.

[3]Fred Paas，Alexander Renkl John Sweller.Cognitive Load Theory and Instructional Design:Recent Developments[J].Educational Psychologist， 2003， 38(1):1～4.

[4] 吳先強，韋斯林.國外認知負荷理論與有效教學的研究進展及啟示[J].全球教育展望，2009(2):28～31.