認知負荷理論在儀器分析教學設計中的應用

吳 蓉，程樂華

（巢湖學院 化學與材料科學系,安徽 巢湖 238000）

認知負荷理論在儀器分析教學設計中的應用

吳 蓉，程樂華

（巢湖學院 化學與材料科學系,安徽 巢湖 238000）

在儀器分析教學中，由于對認知負荷的考慮不足，常常使學生在學習過程中發生認知超載，一定程度上影響了學生的學習效率。根據認知負荷理論，從降低外在認知負荷、降低內在認知負荷及增加相關認知負荷三方面對儀器分析課程教學設計展開研究，提出相應教學設計策略。

認知負荷理論；儀器分析；教學設計

儀器分析課程是高?；瘜W、化工類專業一門重要的實踐性極強的專業基礎課。在傳統的教學過程中，儀器分析課程多數缺乏對學生認知負荷的考慮，從而導致了學生在學習過程中經常發生認知超載，嚴重影響了學習效率。因此在儀器分析教學過程中有機融合認知負荷理論，深入分析認知負荷產生的原因，能使我們更深刻地理解學習過程，為課程的教學設計提供科學的理論指導。

1 認知負荷理論

認知負荷是指在完成任務過程中進行信息加工所需要的認知資源的總量。認知負荷理論是由澳大利亞教育心理學家John Sweller等人提出，該理論的基本觀點是任何教學都會引起3種認知負荷，即外在認知負荷、內在認知負荷和相關認知負荷。外在認知負荷與學習材料的組織和呈現方式有關，是由學習過程中對學習沒有直接貢獻的心理活動引起的。學習任務設計不合理，教學活動設計不當，都會導致工作記憶產生不必要的認知，引起外在認知負荷。內在認知負荷是指工作記憶對學習任務本身所包含的信息元素的數量及其交互性進行認知加工所承受的認知負荷，與學習材料的復雜性和學習者專長之間的關聯程度有關。如果學習材料較為復雜，且學習者在該領域的專業知識較為欠缺，就會增加工作記憶的負擔，產生較高的內在認知負荷。相關認知負荷，是指工作記憶對學習任務進行實質性認知而承受的負荷。它產生于學習者在學習某一個任務未用完所有的認知資源時，這時學習者便可以把剩余的認知資源用到與學習有直接相關的加工(比如圖式構建)中去。[1]

2 認知負荷理論在儀器分析教學設計中的應用

由于認知負荷是建立在工作記憶容量基礎之上的，所以3種負荷之間是一種此消彼長的關系。教師在教學過程中，應當考慮到3種負荷之間的相互關聯，進行最優化的教學設計。由于內在和外在認知負荷對學習都有阻礙作用，而相關認知負荷對學習有促進作用，所以教學設計中，應考慮降低外在認知負荷和內在認知負荷，增加相關認知負荷。

2.1 降低外在認知負荷

降低外在認知負荷主要是減少學習者所需要加工的與學習目標無關的信息，最大限度地呈現直接達到學習目的的內容。盡管外在認知負荷都來自于材料的組織和呈現方式，但具體的來源有所區別，比如，有的外在認知負荷是由于過多額外的與學習目標無關的材料引起的；有時候則是由于材料安排混亂，導致學習者要花費大量認知資源用于整理材料。Kester等人認為建立信息適時呈現模型，能有效降低外在認知負荷，[2]Mayer等人以認知負荷理論為基礎，提出并驗證了多媒體教學設計的5個原則為多樣化的呈現原則、接近原則、一致性原則、通道原則和冗余原則。[3]這些研究對儀器分析課程的教學設計有著較好借鑒價值。

2.1.1 信息適時呈現

信息適時呈現就是指當學習者在問題解決中剛好需要某個信息時呈現該信息。在教學中，可在每一章節內容介紹完后，提出一些問題讓學生完成，減少學生在完成習題時的認知負荷?；蛟诮榻B完某一知識點后安排一些問題讓學生獨立思考，來進一步提供有關操作的知識。例如在介紹完原子光譜的內容后，提出“測定血清中的Zn、Cr，礦石中的Ha、Ce、Pr、Nd 以及廢水中的 Fe、Mn、Al、Cr， 應選用哪一種原子光譜法？”，該問題的回答需要應用原子熒光、原子發射及原子吸收光譜分析法來解決，通過這一問題的解答，可讓學生對原子光譜的幾種方法的特點及應用有更清楚的認識。

2.1.2 圖表的使用

多媒體教學在當前的儀器分析教學中是一種很好的輔助手段，但常會由于一些不合理的操作造成學生的認知超載，嚴重影響了學習的效率。而恰當使用圖表，可有效降低外在認知負荷。在圖表中所有的視覺元素都可以同時看到，這樣減少了在包括多個空間元素的協調任務中的視覺搜索。如在介紹原子發射光譜中的不同激發光源時，可通過列表比較不同光源的溫度、放電特性、火焰特點及應用范圍等，而不需要學生消耗更多的認知資源對其進行整理和建構，從而減輕了學習者的認知負擔。再者，儀器分析內容涉及許多數據、圖譜和儀器結構，通過圖表的形式，把儀器結構、部件特征和測定過程中的作用原理、工作流程圖等制作成圖片讓學生直觀感覺認識，一目了然。

2.1.3 消除冗余材料

冗余發生在相同信息以不同的方式呈現或呈現不必要的額外信息時。如教學中，為了激發學生學習的動機，教師會在設計課件時增加一些有趣鮮艷的插圖、聲音等裝飾性的無關材料。但這一做法常會分散學生對關鍵內容的注意，干擾他們對學習內容的組織和整合，實際上是增加了學生的外在認知負荷，影響教學效果。消除冗余材料的方法包括：在自我解釋的圖像上不要添加文字；不要用文本和聲音同時描述圖像；避免呈現相同的文字和圖像；整合視、聽信息，一次只呈現一種方式等，這些都可以有效地降低學生的外在認知，提高學習效率。

2.2 減少內在認知負荷

由于內在認知負荷是由元素之間復雜的交互活動引起的，因而減少內在認知負荷的主要方法就是減少元素間這樣的交互活動。Pollock等人認為，恰當的呈現順序對于學習者在學習特別復雜的信息時可以減少認知負荷，[4]Gerjets等人提出，模塊化的樣例對降低學習者的內在認知負荷有很好的效果，[5]Renkl等人研究表明，在學習不完整樣例的過程中，隨著學習者知識水平的不斷提高，采用漸減方式呈現不完整樣例的解答步驟，到最后演變成問題解決是一個較好的途徑。[6]將這些研究應用于儀器分析教學中，對課程的優化設計有著重要的指導作用。

2.2.1 按順序和分塊呈現課程內容

在儀器分析課程中，需要學生掌握各種儀器分析方法的基本理論、儀器的基本結構，要求學生具有選擇適宜分析方法的能力。依據所測物理量的原理不同，教學內容主要分為光學分析、電化學分析、色譜分析3大部分。在教學設計過程中，主要考慮內容的呈現方式。如在“光學分析”章節中，先介紹3種原子光譜，然后比較原子光譜與分子光譜的異同，再介紹可見、紫外、紅外3種常見的分子光譜法。對于原子光譜，包括原子發射、原子吸收和原子熒光光譜法，課程內容安排時可分成幾個模塊依次呈現，先介紹3種原子光譜法的基本原理，再依次介紹各方法的特點和儀器裝置及應用，最后比較3種的異同。將核磁及質譜法與可見、紫外、紅外3種分子光譜法作為一個模塊整體學習，一方面可把物質結構與波譜信息結合起來，另一方面也讓學生在學習光學分析法的同時掌握儀器分析中主要的定量分析方法。按順序和分塊呈現課程內容，整個過程內容緊湊、邏輯性強，學生易于接受和掌握，從而能有效降低內在認知負荷。

2.2.2 用漸減的方式呈現樣例

內在認知負荷不僅與學習材料的復雜性有關，還與學習者在該領域的專業水平有關。在實際教學中，教師可先對典型樣例進行分析和講解，讓學生通過樣例學習，歸納解題思路和學習方法。教師在提供樣例時可以逐步減少樣例的解答步驟，最終以問題解決的形式呈現，這樣能有效地減輕學習中的認知負荷。如在講解紅外光譜定性分析法時，最重要的是讓學生掌握如何對譜圖進行正確的解析。

2.3 增加相關認知負荷

增加相關認知負荷主要是通過激發學生的動機或努力讓學生將更多的資源放在與學習有直接相關的加工中去，從而促進學習。Paas等人的研究表明提供樣例的變式可有效的增加相關認知負荷。[7]龔德英認為，歸納是增加學習者相關認知負荷的較好方式。[8]這些研究成果為儀器分析課程教學設計中增加相關認知負荷提供了指導。

2.3.1 注重提供樣例的變式

問題情境的變式可以鼓勵學習者發展圖式，因為它使學習者更能把相似特征和相關特征與無關特征區分開來，可以更好地促進學生的學習和遷移。如在講述了紅外光譜法原理及紅外光譜的應用后，讓學生判斷幾種未知物質能否通過紅外光譜法區別開來。解決這一問題的途徑，首先可以通過對理論的學習及物質結構的分析得到正確的答案。另外，教師在教學設計中，還可通過找出這些未知物質的紅外譜圖，比較分析譜圖，來得出問題的答案。通過解決同一問題的兩種不同方式的比較，進而加深學生對該知識點的掌握。

2.3.2 要求學生能適時歸納所學內容

在學習過程中對學習內容進行歸納不僅有利于梳理錯綜復雜的關系，還有利于學生對知識的理解。實際教學過程中，教師在完成每章節的講述后，設計一定數量的填空或問答練習，以作業的形式要求學生對所學內容進行歸納，以使學生對課程內容有一個宏觀的了解。

3結 語

認知負荷理論是在現代認知心理學的研究成果中提出的一種先進的教學設計理論，它豐富了教學設計的研究，也為實際教學工作提供了理論參考。本文將認知負荷理論融合到儀器分析教學設計中，提出信息適時呈現、恰當使用圖表、避免注意分散和消除冗余材料，可有效降低學生的外在認知負荷。教學設計中按順序和分塊呈現課程內容及用漸減的方式呈現樣例等，可減少內在認知負荷。同時課程設計中提供樣例的變式，要求學生適時歸納所學內容等，能有效增加相關認知負荷。實踐證明將認知負荷理論應用到儀器分析教學設計中，可有效的促進教學效果，提高學生的學習效率。

[1]Sweller J,Merrienboer J J G,Paas G W C.Cognitive architecture and instructional design[J].Educational Psychology Review,1998,10(3):251-296.

[2]Kester L,Kirschner P A,Van Merrienboer J J G,Baumer A.Justin-time information presentation and the acquisition of complex cognitive skills[J].Computers in Human Behavior,2001,17(4):373-391.

[3]Mayer R E,Mereno R.Aids to computer-based multimedia learning[J].Learning and Instruction,2002,12(1):107-119.

[4]Pollock E,Chandler P,Sweller J.Assimilating complex information[J].Learning and Instruction,2002,12:61-86.

[5]Gerjets P,Scheiter K,Catrambone R.Designing instructional examples to reduce intrinsic cognitive load:Molar versus modular presentation of solutionprocedures[J].InstructionalScience,2004,32:33-58.

[6]Renkl A,Atkinson R K,Gunther C.How fading worked-out solution steps works-A cognitive load perspective[J].Instructional Science,2004,32(1,2):59-82.

[7]Pass F,Van Merrienboer J J G.Variability of worked example and transfer of geometrical problem solving skills:A cognitive load approach[J].Journal of Education Psychology,1994,86:122-133.

[8]龔德英.多媒體學習中認知負荷的優化控制[D].重慶：西南大學碩士論文,2009.

The Application of Cognitive Load Theory in the Teaching Design of Instrumental Analysis

Wu Rong,Cheng Lehua
(Department of Chemistry and Materials Science,Chaohu University,Chaohu 238000,China)

In the teaching of instrumental analysis,due to the lack of consideration about cognitive load,cognitive overload often occurs,which then affectsthestudents'learningefficiency.Based on Cognitive Load Theory,a study on the teaching design of instrument analysis has been carried out from the perspectives of reducing extraneous cognitive load,reducing intrinsic cognitive load and increasing germane cognitive load.The appropriate teaching design strategies have been proposed.

Cognitive Load Theory;instrumental analysis;teaching design

G642.3

A

1672-447X（2011）03-0121-003

2011-03-02

安徽省教育廳教學研究重點項目（20100969）；巢湖學院教學研究項目（jyxm201114)

吳蓉（1977-），安徽巢湖人，巢湖學院化學與材料科學系講師，碩士，研究方向為分析化學。

胡德明