演示前實驗對高中生理論化學學習的影響研究

摘要：以認知負荷理論為基礎，應用實驗研究方法，著重探測演示前實驗對高中生理論化學知識學習的影響。研究結果表明，演示前實驗可以有效降低學生理論化學知識學習過程中的認知負荷，從而提高他們通過化學實驗學習理論化學知識的能力。

關鍵詞：認知負荷理論；前實驗；理論化學；學習效果

文章編號：1005-6629（2013）2-0016-03

中圖分類號：G633.8

文獻標識碼：B

實驗是化學教育的基礎，是掌握科學方法、養(yǎng)成科學態(tài)度的有效途徑，是培養(yǎng)探究能力的必由之路。在幫助學生學習理論化學知識等高中化學教學的難點時，教師往往由化學實驗人手，冀望借助實驗的強大功能促進知識的掌握與能力的發(fā)展。然而，學生在實驗過程中往往更加關注有關操作和過程的細節(jié)知識，而不是考慮與實驗有關的化學理論。如何更好地發(fā)揮化學實驗在學生理論化學學習過程中的作用，“前實驗”研究無疑是一種很好的嘗試。

1 研究背景

“前實驗（prelab）”是和“后實驗（postlab）”相對應的，是指在進入實驗室實驗之前，學習者所做的與實驗相關的一切知識和技能方面的準備。人們對前實驗的研究主要建立在認知負荷理論（Cognitive Load Theory，簡稱CLT）基礎上（見表1）。

國內對“前實驗”的相關研究極少，而國外有關“前實驗”的研究主要體現(xiàn)在“書面”和“模擬”兩個方面。

Jonstone等人（1997）研究發(fā)現(xiàn)，包括相關化學理論知識回顧和實驗操作技能提示的書面（紙筆練習）前實驗訓練可以明顯降低學生在化學實驗過程中提出簡單問題學生的比例，同時有助于改善學生在后續(xù)真實實驗中的操作技能和學業(yè)成就方面的表現(xiàn)。這是因為，書面前實驗可以通過降低學生在實驗學習和操作過程中所產生的內部和外部認知負荷，從而有助于提高學生在實驗過程中的學習效果。

與書面前實驗相似，有研究（Winberg，2007）表明，用計算機模擬的前實驗有助于學生圖式發(fā)展，引起學生在實驗中更多地關注理論問題，因而可以促進學習者的學習；模擬前實驗有助于形成更多的結構性圖式，從而降低學生的認知負荷，這使得他們有更多的工作記憶來思考并處理與實驗有關的化學理論性問題。

書面前實驗簡單但略顯抽象，模擬前實驗復雜但實效性強，二者各有所長。根據(jù)國內當前的教學實際，可以將二者的優(yōu)點結合起來，通過演示前實驗的方法來促進學生的化學理論學習。所謂的演示前實驗就是在書面提示相關核心知識的前提下，教師在學習之前對與學習內容相關實驗的關鍵步驟和操作進行演示。這樣的演示可以有效降低學生在化學實驗過程中的內部認知負荷，從而提高他們通過化學實驗學習理論化學的能力。

2 研究過程

本研究著眼于將前實驗的相關研究成果應用于現(xiàn)行“人教版”化學教材《化學反應原理》的教學中，希望通過實驗教學加強學生對化學理論的深刻理解，通過理論學習促進學生對化學實驗的運用能力，以提升化學學習效果。

2.1 研究目的

在《化學反應原理》的教學過程中發(fā)現(xiàn)，許多學生的學習狀態(tài)是被動和低效的。很多時候，學生對于理論化學的學習往往采取記憶、推理和演算的方式，很容易造成認知負荷超標，以及化學學習的低效和倦怠。為了改變這種現(xiàn)狀，本研究以認知負荷理論為理論基礎，以“酸堿中和滴定”為研究主題，著重探究演示前實驗在優(yōu)化學生認知負荷，提升理論化學學習效果的影響和作用。

2.2 研究設計

本研究隨機抽取高二年級的兩個班進行對比研究。這兩個班級的學生總數(shù)、男女生比例和學業(yè)成就水平相當。將兩個被試班級隨機分為對照班和實驗班，具體的研究設計見表2。

本研究從認知負荷和學習效果兩方面進行評價。“酸堿中和滴定”實驗認知負荷測量表共包含5道試題，主要調查操作難度與成功體驗。采用國際上通用的認知負荷測量方法，要求就所進行的實驗操作的難度做出評價。采用7點量表，從“非常容易”到“非常困難”。

采用與專家教師“分別出題，找出同題，多人研討確定異題”的方式合編學習效果測試題。測試題由10道單項選擇題構成，每一道測試題測查一個核心知識點。選對計“1”，選錯計“0”，10道題的總得分記為被測試者的學習效果。

3 研究結果

比較實驗班和對照班認知負荷測量和學習效果測驗的結果，發(fā)現(xiàn)無論在付出的認知負荷方面，還是在解決復雜問題的學習效果方面，實驗組都明顯優(yōu)于對照組。

3.1 學習態(tài)度比較

對認知負荷測驗的第一個問題“動手探究這個實驗，你獲得成功體驗的情況如何”（主要測量學生的學習態(tài)度）的數(shù)據(jù)分析結果如圖1所示。分析可知，實驗組學生的學習態(tài)度明顯較對照組積極。究其原因，對于實驗組的學生來說，教師在課堂上的演示前實驗可以在很大程度上增加學生相關認知負荷，從而激發(fā)他們順利完成實驗的興趣和意志。

3.2 學習能力

分析認知負荷測驗中的其他4個問題（見表3），發(fā)現(xiàn)實驗組無論在數(shù)據(jù)處理、滴定操作，還是在終點判斷等學習能力方面都顯著優(yōu)于對照組。而就“數(shù)據(jù)處理”能力來說，兩組學生表現(xiàn)相差較小。這可能是因為兩組學生的數(shù)學能力相當，且足以能夠解決較為容易的中和滴定計算問題。從問題2的調查結果可以看出，實驗組學生普遍表示教師的課堂教學內容在幫助自己順利完成實驗方面幫助較大。這就說明，演示前實驗可以有效地降低學生在實驗操作過程中的內部認知負荷，從而促進了他們順利完成實驗和學習相關理論化學知識。

3.3 學習效果

兩組學生學習效果測驗的得分情況如表4所示。分析可知，實驗組的學習效果明顯優(yōu)于對照組（p<0.05）。尤其值得一提的是，實驗組學生的學業(yè)表現(xiàn)相對均衡（標準差只有1.18，明顯小于對照組的5.16）。

在分析數(shù)據(jù)的過程中，也發(fā)現(xiàn)了一些意外情況。例如，在解決中和滴定“突躍”圖像問題時，兩組學生學習效果沒有顯著的差異，并且都表現(xiàn)不理想（題均得分實驗組為0.35，對照組為0.31）。

對解決“突躍”圖像問題時的認知負荷進行調查，發(fā)現(xiàn)兩組學生都普遍表示需要付出很高程度的心智努力才能解決問題。這說明學生對化學理論知識的“宏觀一微觀一符號”表征的能力水平將在很大程度上影響前實驗對理論化學學習效果的作用。

4 研究結論與啟示

4.1 演示前實驗有助于控制學生學習理論化學時的認知負荷總量

演示前實驗可以讓學生在像“中和滴定”這樣理論抽象程度大、實驗技能要求高的理論化學知識學習中更多地關注理論問題。這是因為演示前實驗有助于學生形成更多的，有助于相關理論學習的結構性圖式，從而降低他們的內部認知負荷，從而使得他們有更多的工作記憶來處理與思考與實驗有關的化學理論性問題。與此同時，真實的實驗環(huán)境和有趣的實驗現(xiàn)象又能夠增加他們的相關認知負荷，從而激發(fā)他們學習的積極性，并且能夠主動控制認知負荷的總量，從而提高理論化學學習的效果。

4.2 演示前實驗對絕大部分學生學習理論化學知識都有促進作用

通過對學習效果的檢測和比較，實驗組學生的合格率高達88%（遠遠大于對照組的42%），這說明演示前實驗可以在很大程度上幫助絕大多數(shù)學生在較低的內部認知負荷條件下，把學習注意力更多地集中在理論概念之間的關系建構上，而不是只注意單獨的概念或相關的實驗操作。這將在很大程度上幫助他們構建新的認知圖式，從而內化成自己的知識體系，提高他們的學習效率和學習能力。

4.3 學生的相關前知識和“宏觀-微觀-符號”表征的能力水平很重要

由于理論化學的學習是建立在—定的數(shù)理計算能力和抽象思維能力基礎上的，學生已有的相關前知識和前能力將會在很大程度上影響到他們的學習效果。因此，后續(xù)研究在研究對象選取的過程中可以更加關注被試的已有相關知識和能力，以便研究得出更加精確和可靠的結論。或者換一種思路，即便研究對象的已有水平不盡相同，也可以對他們進行適當?shù)募毣謱樱鶕?jù)不同層次學生的具體情況有針對性地開發(fā)出適合他們各自學習的演示前實驗類型，從而促進他們的個性發(fā)展。

總之，高中生在學習理論化學知識時，他們的內部認知負荷很高，而相關認知負荷較小，這對他們的學習不利。化學實驗則能引起學生很高水平的相關認知負荷，有利于激發(fā)他們的化學學習興趣，提高他們的動手探究能力。但如果把二者簡單地結合在一起，學生的認知負荷總量就會嚴重超標，反而抑制了學生的學習效率。如何將二者的優(yōu)勢結合起來，演示前實驗起到了很好的“橋梁”和“過渡”的作用。這是因為演示前實驗可以幫助學生整合已有知識，從而降低了他們化學理論知識學習時的內部認知負荷，而節(jié)約出來的認知空間可以用來容納化學實驗給他們帶來的相關認知負荷，同時使得他們有更多的認知空間去思考真實實驗過程中的關鍵點。這樣不但可以激發(fā)他們的學習興趣，也可以利用化學實驗來理解和深化相關的理論知識。無論是成功體驗，還是知識水平，抑或是探究能力，學生都能得到很大程度的發(fā)展。