促進有意義學習的小學科學課堂學習材料設計

[摘 要] 理解的意義學習要求教師幫助學生選擇、組織和整合相關信息，因此，學習材料必須是有意義的才能促進理解的意義學習，而對學習者有意義的材料應當是能夠降低無關認知負荷和原生認知負荷，同時提高相關認知負荷的信息。提出三種促進有意義學習的小學科學課堂學習材料設計策略：明確目標；控制冗余；聚焦要義、突出關鍵材料等。

[關鍵詞] 意義學習；小學科學；學習材料

[中圖分類號] G62 [文獻標志碼] A [文章編號] 1005-4634（2015）01-0010-04

0 引言

傳統的教學要求學生依靠死記硬背、機械重復等被動無趣的學習方式掌握知識，導致學生對科學學習的興趣不高，從事科學事業的意向較弱等，嚴重影響科學創新人才的輸出。諾貝爾獎得主西蒙說過：“知識的意義已經從能夠記憶和重復某些信息，轉變為能夠搜尋和使用信息。”隨著全球化的進程和科技的發展，對新型工作人才的要求越來越趨向于批判性地思考和獲取信息、創造性地解決問題和開發產品、反思與改進自己的工作等，這些高階目標都要通過理解性的“有意義學習”來實現。意義學習立足于將新舊知識相互聯系、相互作用，將要學習的新知識納入原有的知識結構中，獲得心理意義，建構或重構成自我穩定的心理品質。科學教學中加強有意義的學習將使學生的學習更加高效，對提升學生科學素養有一定的積極作用。本文就小學科學課堂教學中如何設計能夠促進有意義學習的學習材料進行初步的探討。

1 有意義學習與學習材料設計

學習是基于個人的經驗帶來的反映在行為變化上的相對持久的認知變化，為了促成學習者知識和行為的變化，教師為學生做出環境的安排即教學，加涅就曾將教學定義為“安排外部事件以激活和支持學習的內部過程”。教學過程中，環境（外部）事件的序列（包括學習材料的內容及其組織方式、教師的行為等教學干預）能幫助學生形成有用的知識結構。

在教育心理學里，學習被劃分為有意義的學習和機械學習兩種[1]。教育過程所包含的兩個最基本目標是促進保持和遷移，保持體現為一種記憶能力，是指教學中所學到的材料能用相同的方式在后續的情境中加以運用；遷移是指運用所學的東西來解決新問題的能力，促進遷移的知識建構即體現為意義學習。“意義學習與目前倡導的建構學習是一致的，都重在幫助學習者領悟自身的經驗。”[2]意義學習假設學習者在學習中是對所呈現的信息進行主動加工的主體，意義學習與機械學習的差異在于是否能夠促進學習者積極開展基本加工和生成加工[3]。要促進有意義學習，必須滿足三個重要的內部條件：教師必須幫助學習者選擇、組織、整合相關信息（如圖1），即：只有當學習者篩選和注意到了相關信息，將相關信息聚焦和添加到工作（短時）記憶中；并且將已選擇的信息組織成一個有內在聯系的整體，建立起有機的內在聯系；再將經過組織的信息與學習者長時記憶中已有或熟悉的相關知識與圖式之間建立起外部的聯系，形成一個外部相關的整體；才能最終形成保持優良、遷移優良的理解性的有意義學習。從選擇、組織和整合的學習過程中可以看出，促進有意義學習的前提條件是：學習材料本身必須是有意義的。只有學習材料對學生的學習是有意義的，才能使學習者在學習過程中聚焦相關學習信息進行有目的的選擇性編碼、選擇性組合和選擇性比較等認知加工活動。因此，在教學活動中應盡可能對學習材料進行充分設計，以促進理解的意義學習。

2 認知負荷理論與意義學習

認知負荷理論（Cognitive Load Theory，簡稱CLT）是由澳大利亞教育心理學家約翰斯威勒等人于20世紀80年代提出并加以發展的一種理論，其關注人類認知結構與外界信息結構交互作用，近年來在教學設計領域產生了越來越重要的影響。

認知負荷理論以資源有限理論和圖式理論為基礎。它認為：問題解決或學習過程中的各種認知活動均需消耗認知資源，若所有活動所需要的資源總量超過了個體所具有的資源總量，則存在資源分配不足的問題，從而影響學習或問題解決的效率。影響認知負荷的基本因素主要有三個：個體的先前經驗、學習材料的內在本質特征、材料的組織和呈現方式[4]。先前經驗是個體長時記憶中所具有的圖式數量和質量，其因人而異；對特定個體來說，先前經驗已確定，則認知負荷主要取決于學習材料的本質特征以及材料的組織和呈現方式。根據認知負荷的來源不同，將認知負荷分為原生性（內在）認知負荷、外在（無關）認知負荷和相關認知負荷。原生性認知負荷是由學習材料的復雜性和學生的知識水平造成的認知負荷[5]；外在認知負荷是指與學習無關的認知活動施加給工作記憶的認知負荷，主要是由教學設計的缺損造成的額外認知加工活動所致；相關認知負荷是指學習者進行與學習活動密切相關的認知操作而產生的認知負荷[6]。對于外在認知負荷與相關認知負荷的學習材料設計策略都旨在降低外在認知負荷、提高相關認知負荷。

意義學習理論和認知負荷理論都是基于認知加工理論發展起來的學習理論。意義學習要求教學能提供促進學習者積極認知加工的外部條件（如學習材料的內容和組織形式等），凡是能促進學習者積極的認知加工、減少認知負荷的教學都是主動的理解性有意義教學。因此，意義學習要限制外在認知負荷，以便能夠將有限的工作記憶資源用于處理內在認知負荷和相關認知負荷。在促進意義學習時，將學習過程的三種心理運作方式——選擇、組織、整合的策略與認知負荷理論的三種認知負荷對應起來，內在認知負荷承擔了“選擇”和適量地“組織”的學習過程，相關認知負荷是“組織”和“整合”的過程，外在認知負荷中的認知加工和達成學習目標間沒有關系，不能促進意義學習過程。

3 促進意義學習的學習材料設計

意義學習理論和認知負荷理論均對學習材料有較多的研究，學習材料必須是有意義的才能促進理解的意義學習，而對學習者有意義的材料應當是能夠降低無關認知負荷和原生認知負荷，同時提高相關認知負荷的信息。學習材料的準備是小學科學課堂教學的前提，要使小學科學課堂教學促成學生理解的意義學習，需要對學習材料進行設計，以下提出幾個有效促進意義學習的學習材料設計策略。

3.1 明確目標，降低原生性認知負荷

一般認為，原生認知負荷是由教學材料內部元素的交互性水平和學生圖式的數量與質量決定的，是教學設計所無法改變的[5，7]。但也有研究認為知識漸進與簡單-復雜任務序列能簡化學習內容，設計輔助信息的呈現類型和時機等策略能降低原生認知負荷[8]。盡管如此，現有研究還大多是在既定教學內容的基礎上對教學材料進行簡化處理，以降低原生認知負荷。然而，如果教師能夠充分掌握確定目標的自主權，從教學目標出發精選學習材料，可使學習材料內部的交互水平得到有效控制，降低學習材料的原生認知負荷。

在科學教學中，教師如果從大概念的理念出發，以課程標準為教學設計的較高目標，跳出現有教材的內容框架，對教學過程進行逆向設計，將會有效降低原生認知負荷。如在《多種多樣的植物》教學中，有教師將教學重點放在“認識”各種各樣的植物，使用多媒體課件把教材上給出的所有植物一一進行了圖文介紹[9]。教學過程中，學生走馬觀花地瀏覽了一些認識和不認識的植物，對呈現過的植物沒有比教學活動開始前留下更多的信息。然而，如果教師不被禁錮在教材的內容框架中，從本節課的課標要求和大概念指向來看，圍繞“生物多樣性”來組織教學材料會事半功倍：教師不必再為找不到教材上介紹的植物而煩惱，學生不必增加認識沒見過的植物帶來的額外認知負荷。圍繞教師自主設定的教學目標，選擇學生身邊的植物進行教學，便可降低原生性認知負荷，將更多的認知資源用于組織和整合信息，促進意義理解。

3.2 控制冗余，降低無關認知負荷

引起無關認知負荷的主要原因是不恰當的教學任務與呈現方式。常見的無關認知負荷來源主要是：過多的教學輔助信息產生的冗余效應和不恰當的信息呈現方式。因此，通過改進學習任務和材料的信息呈現方式，如將學習材料中的多種信息源整合于一體，剔除材料中的冗余信息等，可有效降低無關認知負荷。

小學科學教學中，為了加深學生對概念的理解，常常使用“證實”或“證偽”的研究方法，在教學材料設計時，常常出現冗余效應和注意分散效應。如《液體之間的溶解現象》一課的教學中[9]，需要學生通過探究來掌握的科學概念為“液體也能溶解在水里，形成均勻、透明、穩定的溶液”，教科書提供的參考探究活動是用膠水或洗發液探究以“發現”液體能溶解在水中，用醋、酒精和食用油探究以“證實”或“證偽”液體都能溶解在水中。教學過程中，洗發液溶解在水中可能會產生大量的泡沫，醋和酒精比較刺鼻，這些教學狀況都會使學生的注意力分散；同時，膠水和洗發液在教學中的作用相似，都是為了讓學生發現液體能夠溶解在水中；醋和酒精亦有類似之處，醋和酒精可以讓學生發現液體在溶解時氣味和味道被均勻地稀釋等，如果這些教學材料都同時出現，過多的教學輔助信息將對學生的認知加工產生冗余效應，造成過重的認知負荷。因此，在對教學材料進行設計時，可只選擇膠水作為探究發現的信息源，用一種材料達到多種材料能夠達到的目的，同時也控制了課堂上產生泡沫分散學生注意力的情況；把醋和酒精換成氣味較溫和且有顏色的液體（如醬油），既可以探究液體的氣味、味道甚至顏色在溶解過程中的變化情況，又減少了氣味的刺激反應，也減少了信息源，消除了冗余材料信息。可見，消除造成冗余信息和容易分散注意的材料可有效降低無關認知負荷，引導學習者進行正確的認知資源分配。

3.3 聚焦要義，突出關鍵材料，提高相關認知負荷

相關認知負荷用于圖式的建構與圖式自動化，是學習真正發生的過程[8]。有研究表明，在科學教學中，電腦模擬前實驗的呈現方式使得學生更關注與實驗相關的理論知識，而不是疲于應付具體的實驗操作細節，有效地改善實驗課的教學效果[10]。這主要是因為該呈現方式由教師有效地控制了無關認知負荷，降低了學習者對學習信息的選擇和組織難度，將原生認知負荷聚焦到科學實驗和探究的科學理論部分，從而能夠將有限的認知資源用于思考和關注實驗中的理論問題，促進自我解釋，實現新的學習信息與原有認知結構和圖式的整合，達成了理解的意義學習。

如在教科版《科學》四年級下冊《各種各樣的花》的教學中[9]，教師將學生帶到了校園的各個角落對春天的各種花進行觀察，引導學生比較各種花的構造，希望學生能夠發現花的哪些部分與繁殖有關。這雖然能將學生帶入真實的觀察環境，但同時校園中眾多的花使材料之間的交互因素增多，原生認知負荷和無關認知負荷過多，學生學習的認知負荷過載。雖然校園里的花種類很多，但學生觀察到的花結構都差不多，并沒有找到雌花和雄花，完全花和不完全花的概念也較模糊，無法有效地將觀察到的花的結構信息整合到植物的繁殖概念模式中，辨認出花的哪部分與繁殖有關。要幫助學生了解是花的哪一部分膨大成果實、花發育成果實需要哪些要件等，則需要教師尋找更具體和更有意義的學習材料，聚焦主題和要義，突出關鍵材料，提高相關認知負荷。因此，在教學改進中，教師通過反思和深入研究校園里的植物，最終選定了正在“花果同樹”的人工栽培觀賞植物重瓣“杜鵑花”為引起學生認知沖突且有事實證據的理想材料：其雄蕊已瓣化失去花藥，可視為不完全花；花朵凋零后子房并未膨大成果實，正好引導學生思考植物是不是只要會開花就一定會結果，如果沒能結果可能和哪些因素有關，能夠通過證據和推理發現花的哪些結構和繁殖有怎樣的關系。通過對杜鵑花能否結果這一探究任務的精心設計，在降低無關認知負荷的同時，亦在探究活動中提高了相關認知負荷，促使學習者在真實實踐中達成了概念模型的構建和遷移，實現理解的意義學習。

4 結束語

總之，對學習材料進行精心設計，能夠使學習者的認知資源用于處理與真正的學習活動相關的認知負荷，提高教學的有效性。除明確目標、控制冗余、聚焦要義等針對學習材料的內容和組織呈現方式的設計策略外，還應加強教師教學活動的設計，對教師的教學幫助和對保持與遷移的測試進行有效設計，全面地實現科學教學理解的意義學習。

參考文獻

[1]余文森，林振聲.有意義學習——素質教育在課堂教學中的落腳點[J].中國教育學刊，1999，（2）：42-45.

[2]理查德梅耶.面向意義學習的認知過程[J].遠程教育雜志，2007，（3）：16-20.

[3]馬蘭，盛群力.課堂教學設計——整體化取向[M].杭州：浙江教育出版社，2011：6.

[4]張慧，張凡.認知負荷理論綜述[J].教育研究與實驗，1999，（4）：45-47.

[5]張睆，辛自強.基于認知負荷理論的數學學優生教學[J].教育學報，2010，（3）：59-65.

[6]Sweller J，Merrienboer J，Pass F.Cognitive architecture and instructional design[J].Educational Psychology Review，1998，10（3）：251-296.

[7]張建波.認知負荷理論：教學設計研究的新視角[J].上海教育科研，2006，（11）：51-53.

[8]趙立影，吳慶麟.基于認知負荷理論的復雜學習教學設計[J].電化教育研究，2010，（4）：44-48.

[9]邵發仙，周朝勇，唐小為.小學科學課堂教學材料開發與利用研究[J].教育導刊，2013，（9）：79-81.

[10]吳先強，韋斯林.國外認知負荷理論與有效教學的研究進展及啟示[J].全球教育展望，2009，（2）：28-31.