基于認知負荷理論探討化學高效教學的策略

陳穎+胡志剛+李盼盼

摘要：根據認知負荷理論，因學生“工作記憶”容量有限，認知能力受限，如果學習任務總量過多，學習就會受阻。因此，化學教學須從三種類型的認知負荷出發，緊密聯系學生實際、優化教學設計、合理運用教學資源，使得學生認知負荷結構達最優水平，以獲得高效益教學成果。

關鍵詞：工作記憶；認知負荷；認知負荷理論；高效教學；化學教學

文章編號：1005–6629（2014）6–0019–04 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

高效教學是現今課改的目標之一，即教學活動在客觀規律下，教師少教而學生卻能多學。目前越來越多的研究關注教師如何“教得有效”，而忽視了從學生角度研究為什么“學習無效”。根據認知心理學，學生認知能力很大程度上受制于“工作記憶”與“長時記憶”間的相互作用，“工作記憶”對信息的有限加工產生認知負荷，決定學習效率，即復雜的學習內容會影響學習效率。通過控制學生的認知負荷來優化教學設計正逐漸為教育界所重視，然而在化學教學實踐中學生負擔過重、課堂效益不高的現象仍很嚴重。因此，了解學生的認知負荷的構成、明確影響因素具有重要意義，以探索研究化學教學中學生認知負荷結構達最優水平，實現教學效益最大化。

1 認知負荷理論的概述

1.1 認知負荷理論

認知負荷理論（Cognitive Load Theory，簡稱CLT）由澳大利亞心理學家約翰·斯威勒（John Sweller）于上世紀80年代首次提出，并逐漸成為人們研究認知過程和教學過程的一個主要理論。它的基本觀點如下：一是認知架構包括無限容量的長時記憶和有限的工作記憶，還未儲存于長時記憶的信息以及從長時記憶提取出來的信息都要經過工作記憶加工，但工作記憶具有容量和時間的限制，因此人們難以同時加工多種信息；二是認知加工包括控制加工和自動加工，前者是一個占用注意資源的有意識的序列性加工過程（針對還未儲存于長時記憶的信息），后者是一個不需占用注意資源的不經意識的自動加工過程（針對由長時記憶中提取出的信息），自動加工可減少工作記憶中信息加工的數量；三是若所要加工的信息總數超出了學生的工作記憶容量，就會引起認知超負荷，不利于學習的進行；四是圖式是貯存在長時記憶中知識表征的基本單位，圖式建構可把多個知識元素組成一個整體，從而減少工作記憶中信息加工單元的數量[1～2]。

1.2 認知負荷的內涵及結構

所謂的認知負荷是指學習過程中學生完成所給認知任務而需要的心理資源的數量[3]，即同時施加在工作記憶上的智力活動的總數[4]，也即工作記憶必須注意和處理的信息總和。

根據認知負荷的來源不同，將其分為內在認知負荷、外在認知負荷和關聯認知負荷三類。內在認知負荷是指與學習材料的復雜性及學生認知結構有關的認知負荷。若學習材料包含信息的數量多、交互性高或學生原有的相關知識較匱乏，內在認知負荷較高；外在認知負荷是由學習材料的呈現方式、教學設計及學習活動本身引起的認知負荷，一般與教學內容的組織和設計有關；關聯認知負荷指的是工作記憶中能夠處理內在認知負荷的資源的數量，與促進圖式構建和自動化過程相關，能夠提高學習的有效性，故也稱為有效的認知負荷[5]。三種類型的認知負荷是相互疊加的，若學習過程中內在的和外在的認知負荷增加，工作記憶中處理內在認知負荷的資源減少，則關聯認知負荷降低；若外在認知負荷有所減少，則關聯認知負荷增加。因此，為提高學習的有效性，化學教學應盡可能控制學生的內在認知負荷、減少外在認知負荷、增加關聯認知負荷，并確保總認知負荷不超出其工作記憶的容量。

2 認知負荷的影響因素

影響學生認知負荷的因素可歸為四個維度：學生個體特征、學習材料、教學活動、教學評價。

學生的特征主要包括認知特點（記憶力、注意力、想象力、監控調節能力等）、認知結構和人格特征，這些因素往往會影響著內在認知負荷和關聯認知負荷，如學生已掌握的豐富的先行知識能夠與新知識產生交互作用，有利于新知識的同化，可降低內在認知負荷；自制力好的學生在學習中能夠集中注意力專心于學習、自覺抵制不良情緒的影響，積極主動投入到學習中，增強關聯認知負荷。

學習材料從數量、難度、交互性等方面作用于認知負荷，會直接影響學生的內外在認知負荷和關聯認知負荷[6]，如學習材料涵蓋的信息要素越多、難度越高、要素間的交互作用越大，學生的內在認知負荷就越高；教學中呈現的學習材料經過教學設計和處理后，交互性和數量會發生改變，從而會影響學生的外在認知負荷；學習材料的本質和教學設計的交互作用，能影響學生的學習興趣動機，產生不同的關聯認知負荷。

教學活動中，資源的組織、時機的把握、師生關系等可對學生的外在認知負荷和關聯認知負荷產生影響。化學教學常常利用實驗活動、實驗儀器、物質的結構模型、多媒體等資源向學生呈現化學知識，只有合理組織這些資源才能降低學生的外在認知負荷、提高學習效率，否則會阻礙學習。例如，酸堿溶液與指示劑的顯色反應現象明顯，但是顏色多，只通過圖片直接展示實驗結果，學生容易記憶混淆；若學生自己動手實驗、觀察現象、總結溶液顏色變化，可加深理解，由感性認識上升到理性認識。另外，和諧民主的師生關系，有助于激發學生的學習興趣，增加關聯認知負荷，從而提高教學效率。

教學過程中的評價性因素對學生的認知負荷具有反饋作用。研究表明，反饋的信息不同，產生的交互作用也不同，而且信息反饋能夠促進和保持信息的有意加工[7]，影響學生的外在認知負荷和關聯認知負荷。

總之，就認知負荷的類型來看，四個維度多個因素的作用不相同，不同因素在不同類型的認知負荷中所產生的影響也不同。化學教學中，學生的認知負荷受主客觀兩個方面多個因素的影響，這些因素不是孤立的，存在著交叉作用，對認知負荷的影響有大有小。影響學生認知負荷的各因素的綜合作用可用圖1表示：

3 基于CLT化學高效教學策略的探討

本著“以學生的發展為核心”的宗旨，化學教學過程中應注重減輕學生的學習負擔、提高學習效率。根據CLT，教學中盡可能避免學生認知任務總量超過其工作記憶容量，即在學生能承受的認知負荷范圍內，控制內在認知負荷、減少外在認知負荷、增加關聯認知負荷。為此，我們可以從以下幾個方面來優化學生的認知負荷，提高化學教學的有效性。

3.1 控制內在認知負荷

內在認知負荷與學習材料的數量和交互性、學生的認知結構有關，難以改變，但可以控制[8]。所以，化學教學中一般通過結合學生的認知結構、合理利用教材，對內在認知負荷加以控制。

3.1.1 緊密聯系學生的認知結構

認知結構是指學生現有知識數量、清晰度和組織方式，它由學生眼下能夠回想出的事實、概念、命題、理論構成[9]。學生現有的認知結構決定著新材料能否被有意義學習，即對于新的學習材料，學生認知結構中已有的相關知識起著引導固定作用，利于新知識同化到原有的認知結構中，從而可減少學生工作記憶加工信息的數量、控制內在認知負荷。所以，化學教學中教師應先了解學生原有的認知結構，找準化學知識結構中的固著點。例如，可用認知結構中已有的“溶液”、“懸濁液”、“膠體”等具體概念來同化“分散系”這一相對抽象的概念。

3.1.2 結合教材特點，合理利用教材

目前，我國普通高中化學教材主要有三個版本，分為必修和選修兩個模塊。每個版本每個階段的教材都有其特點，一般會在內容指導語、內容線索、核心知識提示、內容前后聯系、圖表內容比例、實驗探究操作性等方面引起學生的內在認知負荷，影響認知負荷的總量。有研究表明，“蘇教版”教材在內容組織方面較“人教版”教材更符合學生的認知規律，引起的內在認知負荷較小，而“人教版”教材在內容呈現方面優于“蘇教版”教材；但是，兩版教材的內容主線不夠明晰、呈現的內容重點不是很突出，不利于學生閱讀，從而會引起較高的內在認知負荷[10]。因此，利用教材時，要充分考慮教材的特點和學生的需要，可借鑒各版本教材的優勢綜合利用，以減小內在認知負荷。

3.2 降低外在認知負荷

外在認知負荷與學習材料的組織形式和呈現方式以及教學活動的組織有關。化學教學中需設法改善教學設計、優化教學程序，減少學生的外在認知負荷，提高教學效率。下面，筆者將根據樣例效應、注意分散效應、感覺通道效應及冗余效應等四大學習效應，提出相應的降低學生外在認知負荷的教學策略。

3.2.1 設計樣例、建立支架，利用樣例學習效應

樣例效應是指呈現具有詳細解答步驟的樣例，讓學生通過樣例學習，歸納出隱含的抽象知識來解決新問題[11]。基于樣例學習，學生只需注意樣例解答中與圖示有關的信息，減少了嘗試錯誤，進而降低外在認知負荷。尤其在學習初期，內在認知負荷較高，樣例可作為支架，對學生起著支持作用，促進學習。例如，對于高中化學必修2的“烷烴命名”，學生是第一次學習有機化學，相對來說是新手，所以教學中可設計樣例和練習，學生在仔細學習樣例、完成練習的基礎上總結出烷烴命名的規律。

3.2.2 整合材料、捆綁信息，避免注意分散效應

當認知內容包含兩個或兩個以上的信息源，學生在加工處理信息時必須將注意力分散至各個學習材料上，從而會增加其工作記憶的負荷，使得外在認知負荷超載。化學教學中，為了避免因注意分散效應引起的不必要的認知負荷，可從教學設計上整合學習材料的呈現形式，使得各方式在時空上保持聯系；捆綁相關知識，確保教學內容的連續性和邏輯性。例如，講解電解食鹽水制取氯氣時，往往會展示實驗裝置圖和實驗步驟，便于學習，學生會將實驗步驟和實驗部分裝置對應聯系起來，而此時會引起工作記憶負荷的增加，所以教學中應將實驗裝置圖和實驗步驟左右并排放置。

3.2.3 合理分配教學資源，利用感官通道效應

根據感官通道效應，學生運用不同的感覺器官，學習的效果也有不同程度的差異。視覺和聽覺雙感官通道加工信息能夠擴展工作記憶的容量，因而所引起的認知負荷較單一，通道引起的認知負荷要小[12]。化學教學中，可根據不同的認知內容，利用雙感官通道效應設計多媒體課件和教學實驗。例如，學習鈉與水反應時，教學中可設計演示實驗或探究實驗，學生邊觀察思考邊聽教師介紹實驗注意事項；學習鐵與水蒸氣反應時，教學中可通過多媒體視頻展示實驗過程和實驗現象，或通過圖片展示實驗現象。

3.2.4 消除多余信息、教學簡約化，避免冗余效應

如果單一的信息呈現即可完整而明確地傳達信息意義，最好獨立呈現，否則學生在面對多元表征的信息來源時，需要耗費一定的認知資源來分析各個表征信息源及它們之間的關聯，從而會產生較高的外在認知負荷，降低學習效率[13]。例如，向氯化鋁溶液中不斷滴加氫氧化鈉溶液，學生能觀察到明顯的實驗現象，那么實驗中教師對實驗現象的重述就顯得多余了。因為，實驗現象和教師表述內容的相同信息會耗費學生的認知資源，增加外在認知負荷。

根據冗余效應，化學教學應盡可能避免呈現多余的額外的信息，使教學簡約化，對于能獨立呈現的信息則要采取一步到位的策略，減少學生的認知負荷。

3.3 增加關聯認知負荷

關聯認知負荷有利于圖式的獲得和自動化，能夠幫助學生更好地理解和掌握所學的知識。因此，化學教學應設法引發學生的認知投入、激發學習興趣和動機，促進圖式構建和自動化，以增加關聯認知負荷。例如，挖掘化學學科知識的魅力，培養學生對化學知識本身的興趣，而非使用化學知識的興趣；通過變式訓練，讓學生體驗獲得知識、創造知識的成功喜悅。

4 思考與建議

認知負荷理論（CLT）重在提高復雜認知任務的學習效率，實際教學中應關注影響學生認知負荷的因素，盡可能減少不必要的認知負荷，以保證學生達到最大限度的發展水平。

4.1 重視學生的認知差異性

根據認知規律，不同階段學生的工作記憶容量、認知能力、認知特點、認知結構均不同，相同階段不同學生之間也存在差異。所以，化學教學需充分考慮學生的具體要求，針對性控制學生認知負荷。

4.2 關注認知負荷內部的變化

認知負荷產生于學生加工學習材料之時，但三種認知負荷之間的界限不明顯。例如，同一學習過程中的內在認知負荷和關聯認知負荷之間沒有區別[14]；增強初學者關聯認知負荷的教學過程，可能會成為有經驗的學生的外在認知負荷。對于不同的學習目標，認知負荷的種類可能不同，教學產生的影響也不同。

4.3 認知負荷總量應適中

三種認知負荷是相互疊加的。教學過程中，過低的認知負荷會導致認知容量資源的浪費，過高的認知負荷會阻礙學生的信息加工活動。所以，化學教學的理想模式是：學生的認知負荷分配適當、總量適中，以達滿負荷工作狀態。

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