基于認(rèn)知負(fù)荷理論的中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究

一直以來(lái)，我們都在思考這樣一個(gè)問(wèn)題，許多學(xué)生對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的興趣很大，可為什么化學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果卻常常不盡如人意呢？通過(guò)對(duì)已有文獻(xiàn)的分析，我們發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的許多有關(guān)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的研究往往只關(guān)注如何“教”，而忽視從學(xué)生的視角去研究如何“學(xué)”。筆者認(rèn)為這是導(dǎo)致化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)低效的一個(gè)重要原因?；谝陨纤伎?，新近發(fā)展起來(lái)的、關(guān)注學(xué)生個(gè)體認(rèn)知特征的認(rèn)知負(fù)荷理論為我們提供了一個(gè)嶄新的化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究視角。

一、認(rèn)知負(fù)荷理論簡(jiǎn)介

所謂的認(rèn)知負(fù)荷就是在一定學(xué)習(xí)情境下施加到學(xué)習(xí)者工作記憶中的智力活動(dòng)的總和。認(rèn)知負(fù)荷理論是由澳大利亞心理學(xué)家約翰·斯威勒(John Sweller)在總結(jié)和借鑒前人有關(guān)“注意”和“工作記憶”相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上，于1988年創(chuàng)造性地提出的。根據(jù)認(rèn)知負(fù)荷理論，認(rèn)知負(fù)荷主要可以分為三類(lèi)：內(nèi)部認(rèn)知負(fù)荷、外部認(rèn)知負(fù)荷和關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷。

由于學(xué)習(xí)材料的本質(zhì)與學(xué)習(xí)者專(zhuān)業(yè)知識(shí)之間的交互而產(chǎn)生的認(rèn)知負(fù)荷稱(chēng)為內(nèi)部認(rèn)知負(fù)荷。外部認(rèn)知負(fù)荷是超越內(nèi)部認(rèn)知負(fù)荷的額外負(fù)荷，主要是由不當(dāng)?shù)慕虒W(xué)設(shè)計(jì)引起。關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷是指與促進(jìn)圖式構(gòu)建和自動(dòng)化過(guò)程相關(guān)的認(rèn)知負(fù)荷。三種類(lèi)型的認(rèn)知負(fù)荷是相互疊加的。

為了促進(jìn)有效學(xué)習(xí)的發(fā)生，在教學(xué)過(guò)程中應(yīng)盡可能減少外部認(rèn)知負(fù)荷，增加關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷，并且使總的認(rèn)知負(fù)荷不超出學(xué)習(xí)者個(gè)體能承受的認(rèn)知負(fù)荷。

二、化學(xué)實(shí)驗(yàn)與認(rèn)知負(fù)荷的關(guān)系

從某種意義上說(shuō)，化學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目的主要分為兩大塊：一是鞏固所學(xué)知識(shí)，二是訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)技能。由于這樣的雙重教學(xué)目標(biāo)，化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的環(huán)境較常規(guī)課堂教學(xué)更加復(fù)雜。而化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容又具有很強(qiáng)的實(shí)踐性，由認(rèn)知負(fù)荷理論可知，學(xué)生在進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，內(nèi)部認(rèn)知負(fù)荷和外部認(rèn)知負(fù)荷都較大。同時(shí)，學(xué)生對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的興趣和熱情也會(huì)增大相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷。這樣很容易使得他們的認(rèn)知負(fù)荷總量超標(biāo)，從而降低化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。

因此，為了提高化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果，對(duì)學(xué)習(xí)者在化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中產(chǎn)生的認(rèn)知負(fù)荷總量進(jìn)行控制和調(diào)整就顯得尤為重要。為了更好地調(diào)控學(xué)習(xí)者在化學(xué)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的認(rèn)知負(fù)荷總量，避免因負(fù)荷超標(biāo)而影響實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果，同時(shí)也促進(jìn)他們實(shí)驗(yàn)技能和理論水平的同步提高，以下幾個(gè)方面值得我們加以思考。

三、認(rèn)知負(fù)荷理論在化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

研究表明，在充分考慮學(xué)生已有知識(shí)的情況下，圖表等整合性的內(nèi)容呈現(xiàn)方式可以在一定程度上降低學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)的認(rèn)知負(fù)荷。因此，我們可以在加強(qiáng)課前預(yù)習(xí)、合理設(shè)計(jì)試驗(yàn)手冊(cè)和適時(shí)借助模擬前實(shí)驗(yàn)等方面來(lái)提高化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。

1. 密切聯(lián)系學(xué)生的前知識(shí)

學(xué)習(xí)者是從已有知識(shí)中建構(gòu)概念的。他們利用已有知識(shí)從各種外部呈現(xiàn)方式中選擇相關(guān)信息，然后將所選信息與已有知識(shí)相結(jié)合，并最終形成自己的知識(shí)結(jié)構(gòu)。因此，研究學(xué)習(xí)者已有知識(shí)的差異對(duì)于提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果尤為重要。

由于學(xué)生在化學(xué)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中會(huì)同時(shí)產(chǎn)生較高的內(nèi)部、外部和相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷，從而使得認(rèn)知負(fù)荷的總量很容易超標(biāo)。然而，學(xué)生對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)普遍存在著較強(qiáng)的學(xué)習(xí)熱情，我們很難降低他們?cè)趯?shí)驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷，因此，使得總認(rèn)知負(fù)荷不超標(biāo)的最好辦法就是降低內(nèi)部和外部認(rèn)知負(fù)荷。

加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)課前預(yù)習(xí)就是幫助學(xué)生通過(guò)強(qiáng)化已有知識(shí)和完善知識(shí)結(jié)構(gòu)來(lái)降低他們?cè)趯?shí)驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的內(nèi)部和外部認(rèn)知負(fù)荷。例如，有研究發(fā)現(xiàn)，包括理論回顧和技能提示的實(shí)驗(yàn)前預(yù)習(xí)可以明顯降低實(shí)驗(yàn)過(guò)程中提出低水平問(wèn)題的學(xué)生比例，同時(shí)有助于改善他們?cè)诤罄m(xù)實(shí)驗(yàn)中的表現(xiàn)（Jonstone，1997）。由此可見(jiàn)，我們可以通過(guò)加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)前的預(yù)習(xí)和練習(xí)來(lái)提高化學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果。

2. 合理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)手冊(cè)

在化學(xué)實(shí)驗(yàn)室中，學(xué)生不但要在短時(shí)間內(nèi)學(xué)習(xí)概念及其應(yīng)用，同時(shí)還要學(xué)習(xí)新技能、新設(shè)備，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。對(duì)于一般學(xué)習(xí)者來(lái)說(shuō)，這種要求同時(shí)理解化學(xué)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)的理論意義并精通化學(xué)實(shí)驗(yàn)操作的各種技巧的教學(xué)目標(biāo)幾乎是不可能實(shí)現(xiàn)的。為了完成這樣的教學(xué)目標(biāo)，我們?cè)O(shè)計(jì)了一些實(shí)驗(yàn)手冊(cè)來(lái)幫助學(xué)習(xí)者提高在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的學(xué)習(xí)效率。但是，常規(guī)的以文本說(shuō)明為主的化學(xué)實(shí)驗(yàn)手冊(cè)由于呈現(xiàn)給學(xué)生太多不加整合的新信息，從而使得學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷處于超載狀態(tài)，降低了它對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)的指導(dǎo)和幫助作用。為了盡可能降低實(shí)驗(yàn)手冊(cè)給學(xué)生帶來(lái)的認(rèn)知負(fù)荷，我們可以利用圖表等視覺(jué)表征來(lái)整合信息。

Precharn Dechsri等人曾經(jīng)對(duì)不同類(lèi)型的化學(xué)實(shí)驗(yàn)手冊(cè)的教學(xué)效果進(jìn)行過(guò)對(duì)比研究。研究發(fā)現(xiàn)把課文與圖表整合在一起的整合圖表型實(shí)驗(yàn)手冊(cè)（包括用圖片和表格描述新設(shè)備、儀器結(jié)構(gòu)的正確使用過(guò)程與實(shí)驗(yàn)先后步驟）有助于學(xué)生在學(xué)業(yè)成就測(cè)試和操作技能測(cè)試中取得高分，同時(shí)，也能夠激活學(xué)生對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)的積極態(tài)度。

由此可見(jiàn)，在文本中整合圖片和表格等視覺(jué)表征形式來(lái)輔助設(shè)計(jì)出的化學(xué)實(shí)驗(yàn)手冊(cè)可以通過(guò)降低學(xué)生工作記憶中的信息量來(lái)降低學(xué)生的外部認(rèn)知負(fù)荷，這樣學(xué)生就可以從化學(xué)實(shí)驗(yàn)中獲得更多的知識(shí)和能力。

3. 適時(shí)借助模擬前實(shí)驗(yàn)

由于化學(xué)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生的各種認(rèn)知負(fù)荷都較大，而在實(shí)驗(yàn)室復(fù)雜的條件下，外部認(rèn)知負(fù)荷通常很難操作，因此在實(shí)驗(yàn)的理論方面降低內(nèi)部認(rèn)知負(fù)荷可以改善學(xué)習(xí)效果，這是因?yàn)閮?nèi)部認(rèn)知負(fù)荷主要依賴(lài)于學(xué)習(xí)者圖式的結(jié)構(gòu)。很多時(shí)候，由于繁重的教學(xué)任務(wù)，我們很少有時(shí)間在實(shí)驗(yàn)前訓(xùn)練相關(guān)的實(shí)驗(yàn)技能，而模擬就是一個(gè)很好的改變這種現(xiàn)狀的方法。T. Mikael Winberg 等人曾對(duì)電腦模擬前實(shí)驗(yàn)對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的輔助效果進(jìn)行過(guò)研究。

研究結(jié)果表明，模擬前實(shí)驗(yàn)組在提出與實(shí)驗(yàn)相關(guān)問(wèn)題的數(shù)量和質(zhì)量，以及實(shí)驗(yàn)技能的提升方面都優(yōu)于對(duì)照組。由此可見(jiàn)，模擬前實(shí)驗(yàn)可以幫助學(xué)生整合知識(shí)圖式。這將有利于他們有更多的認(rèn)知空間去思考，同時(shí)也能為他們?cè)趯?shí)驗(yàn)過(guò)程中找到學(xué)習(xí)和思考的方向。

而與此同時(shí)，整合多種表征形式的電腦模擬也可以引起學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中更多地關(guān)注理論問(wèn)題。也就是說(shuō)，用電腦模擬前實(shí)驗(yàn)將有助于學(xué)生形成更多的結(jié)構(gòu)性圖式，降低他們?cè)趯?shí)驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的認(rèn)知負(fù)荷，從而提高化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐和理論效果。

四、啟示

認(rèn)知負(fù)荷理論自從其誕生以來(lái)，就對(duì)教育教學(xué)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。由于化學(xué)教育自身的“實(shí)驗(yàn)”性，很容易讓學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)時(shí)產(chǎn)生較高的認(rèn)知負(fù)荷水平，從而影響我們教學(xué)效果。那么，如何將二者有機(jī)結(jié)合呢？

我們?cè)诨瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的組織過(guò)程中，首先要充分考慮每一個(gè)學(xué)習(xí)者已有的，與實(shí)驗(yàn)相關(guān)的前知識(shí)水平和結(jié)構(gòu)。這將在很大程度上幫助我們從宏觀上充分了解和控制學(xué)生在化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中產(chǎn)生的認(rèn)知負(fù)荷，以免出現(xiàn)負(fù)荷超標(biāo)而影響實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。

其次，要讓學(xué)生通過(guò)預(yù)習(xí)和實(shí)地參觀等方式在實(shí)驗(yàn)前充分熟悉即將參與實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的環(huán)境，從而盡量減少?gòu)?fù)雜實(shí)驗(yàn)環(huán)境給他們帶來(lái)的過(guò)量外部認(rèn)知負(fù)荷。也就是說(shuō)，在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，引起學(xué)生注意的應(yīng)該是實(shí)驗(yàn)內(nèi)容本身，而非其他的東西。

最后，我們可以通過(guò)整合有圖表的整合型實(shí)驗(yàn)手冊(cè)的設(shè)計(jì)和通過(guò)前實(shí)驗(yàn)的計(jì)算機(jī)模擬來(lái)幫助學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中盡可能減少產(chǎn)生的與理論知識(shí)有關(guān)的內(nèi)部認(rèn)知負(fù)荷。只有這樣，化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)才能真正實(shí)現(xiàn)既訓(xùn)練學(xué)生動(dòng)手能力，又能讓他們通過(guò)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)和發(fā)展理論知識(shí)的目的。

責(zé)任編輯潘孟良