基于認知負荷理論的中學化學實驗教學研究

一直以來，我們都在思考這樣一個問題，許多學生對化學實驗的興趣很大，可為什么化學實驗的教學效果卻常常不盡如人意呢？通過對已有文獻的分析，我們發現，現有的許多有關化學實驗的研究往往只關注如何“教”，而忽視從學生的視角去研究如何“學”。筆者認為這是導致化學實驗教學低效的一個重要原因。基于以上思考，新近發展起來的、關注學生個體認知特征的認知負荷理論為我們提供了一個嶄新的化學實驗教學研究視角。

一、認知負荷理論簡介

所謂的認知負荷就是在一定學習情境下施加到學習者工作記憶中的智力活動的總和。認知負荷理論是由澳大利亞心理學家約翰·斯威勒(John Sweller)在總結和借鑒前人有關“注意”和“工作記憶”相關研究成果的基礎上，于1988年創造性地提出的。根據認知負荷理論，認知負荷主要可以分為三類：內部認知負荷、外部認知負荷和關聯認知負荷。

由于學習材料的本質與學習者專業知識之間的交互而產生的認知負荷稱為內部認知負荷。外部認知負荷是超越內部認知負荷的額外負荷，主要是由不當的教學設計引起。關聯認知負荷是指與促進圖式構建和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，增加關聯認知負荷，并且使總的認知負荷不超出學習者個體能承受的認知負荷。

二、化學實驗與認知負荷的關系

從某種意義上說，化學實驗的教學目的主要分為兩大塊：一是鞏固所學知識，二是訓練實驗技能。由于這樣的雙重教學目標，化學實驗教學的環境較常規課堂教學更加復雜。而化學實驗教學的內容又具有很強的實踐性，由認知負荷理論可知，學生在進行化學實驗的過程中，內部認知負荷和外部認知負荷都較大。同時，學生對化學實驗的興趣和熱情也會增大相關認知負荷。這樣很容易使得他們的認知負荷總量超標，從而降低化學實驗教學的效果。

因此，為了提高化學實驗教學的效果，對學習者在化學實驗教學過程中產生的認知負荷總量進行控制和調整就顯得尤為重要。為了更好地調控學習者在化學實驗過程中產生的認知負荷總量，避免因負荷超標而影響實驗教學的效果，同時也促進他們實驗技能和理論水平的同步提高，以下幾個方面值得我們加以思考。

三、認知負荷理論在化學實驗教學中的應用

研究表明，在充分考慮學生已有知識的情況下，圖表等整合性的內容呈現方式可以在一定程度上降低學生學習時的認知負荷。因此，我們可以在加強課前預習、合理設計試驗手冊和適時借助模擬前實驗等方面來提高化學實驗教學的效果。

1. 密切聯系學生的前知識

學習者是從已有知識中建構概念的。他們利用已有知識從各種外部呈現方式中選擇相關信息，然后將所選信息與已有知識相結合，并最終形成自己的知識結構。因此，研究學習者已有知識的差異對于提高實驗教學的效果尤為重要。

由于學生在化學實驗的過程中會同時產生較高的內部、外部和相關認知負荷，從而使得認知負荷的總量很容易超標。然而，學生對化學實驗普遍存在著較強的學習熱情，我們很難降低他們在實驗過程中產生的相關認知負荷，因此，使得總認知負荷不超標的最好辦法就是降低內部和外部認知負荷。

加強實驗課前預習就是幫助學生通過強化已有知識和完善知識結構來降低他們在實驗過程中產生的內部和外部認知負荷。例如，有研究發現，包括理論回顧和技能提示的實驗前預習可以明顯降低實驗過程中提出低水平問題的學生比例，同時有助于改善他們在后續實驗中的表現（Jonstone，1997）。由此可見，我們可以通過加強實驗前的預習和練習來提高化學實驗的教學效果。

2. 合理設計實驗手冊

在化學實驗室中，學生不但要在短時間內學習概念及其應用，同時還要學習新技能、新設備，并進行實驗操作。對于一般學習者來說，這種要求同時理解化學實驗活動的理論意義并精通化學實驗操作的各種技巧的教學目標幾乎是不可能實現的。為了完成這樣的教學目標，我們設計了一些實驗手冊來幫助學習者提高在化學實驗中的學習效率。但是，常規的以文本說明為主的化學實驗手冊由于呈現給學生太多不加整合的新信息，從而使得學生的認知負荷處于超載狀態，降低了它對學生實驗的指導和幫助作用。為了盡可能降低實驗手冊給學生帶來的認知負荷，我們可以利用圖表等視覺表征來整合信息。

Precharn Dechsri等人曾經對不同類型的化學實驗手冊的教學效果進行過對比研究。研究發現把課文與圖表整合在一起的整合圖表型實驗手冊（包括用圖片和表格描述新設備、儀器結構的正確使用過程與實驗先后步驟）有助于學生在學業成就測試和操作技能測試中取得高分，同時，也能夠激活學生對化學實驗活動的積極態度。

由此可見，在文本中整合圖片和表格等視覺表征形式來輔助設計出的化學實驗手冊可以通過降低學生工作記憶中的信息量來降低學生的外部認知負荷，這樣學生就可以從化學實驗中獲得更多的知識和能力。

3. 適時借助模擬前實驗

由于化學實驗過程中，學生的各種認知負荷都較大，而在實驗室復雜的條件下，外部認知負荷通常很難操作，因此在實驗的理論方面降低內部認知負荷可以改善學習效果，這是因為內部認知負荷主要依賴于學習者圖式的結構。很多時候，由于繁重的教學任務，我們很少有時間在實驗前訓練相關的實驗技能，而模擬就是一個很好的改變這種現狀的方法。T. Mikael Winberg 等人曾對電腦模擬前實驗對化學實驗教學的輔助效果進行過研究。

研究結果表明，模擬前實驗組在提出與實驗相關問題的數量和質量，以及實驗技能的提升方面都優于對照組。由此可見，模擬前實驗可以幫助學生整合知識圖式。這將有利于他們有更多的認知空間去思考，同時也能為他們在實驗過程中找到學習和思考的方向。

而與此同時，整合多種表征形式的電腦模擬也可以引起學生在實驗中更多地關注理論問題。也就是說，用電腦模擬前實驗將有助于學生形成更多的結構性圖式，降低他們在實驗過程中產生的認知負荷，從而提高化學實驗教學的實踐和理論效果。

四、啟示

認知負荷理論自從其誕生以來，就對教育教學產生了深遠的影響。由于化學教育自身的“實驗”性，很容易讓學習者在學習時產生較高的認知負荷水平，從而影響我們教學效果。那么，如何將二者有機結合呢？

我們在化學實驗教學的組織過程中，首先要充分考慮每一個學習者已有的，與實驗相關的前知識水平和結構。這將在很大程度上幫助我們從宏觀上充分了解和控制學生在化學實驗教學過程中產生的認知負荷，以免出現負荷超標而影響實驗教學的效果。

其次，要讓學生通過預習和實地參觀等方式在實驗前充分熟悉即將參與實驗學習的環境，從而盡量減少復雜實驗環境給他們帶來的過量外部認知負荷。也就是說，在實驗開始時，引起學生注意的應該是實驗內容本身，而非其他的東西。

最后，我們可以通過整合有圖表的整合型實驗手冊的設計和通過前實驗的計算機模擬來幫助學生在實驗過程中盡可能減少產生的與理論知識有關的內部認知負荷。只有這樣，化學實驗教學才能真正實現既訓練學生動手能力，又能讓他們通過實驗檢驗和發展理論知識的目的。

責任編輯潘孟良