認知負荷理論視閾下的生物學錯誤分析及教學啟示

陶忠華（浙江省杭州市富陽中學浙江杭州 311400）

認知負荷理論視閾下的生物學錯誤分析及教學啟示

陶忠華（浙江省杭州市富陽中學浙江杭州 311400）

從認知負荷理論的角度分析學生產生錯誤的原因，并提出相應的教學策略，以減少學生在材料學習與問題解決過程中的錯誤。

認知負荷理論 元認知 生物學教學

文件編號：1003－7586（2017）01－0017－04

在平常檢測中，學生總會出現一些看起來似乎很低級的錯誤：題目沒看清、題目信息遺漏、知識混淆、知識想不起來等。教師通常認為這些錯誤是學生大意、基礎不扎實引起，然后采取課堂強調、落實基礎、錯題訓練等方式，但收效甚微。表面上看，錯誤是學生在問題解決過程中運用生物學知識或技能的一種體驗。從認知負荷的角度看，學生產生這些錯誤的根源主要有：在生物學知識學習過程中沒有合理地構建圖式，在問題解決過程中認知資源不足以及沒有對認知負荷進行有效監控。

1 認知負荷理論

認知負荷理論是由澳大利亞教育心理學家約翰·斯威勒在認知資源理論的基礎上發展提出的。他認為：容量有限的工作記憶和容量無限的長時記憶構成了人類的認知結構。工作記憶負責對認知資源進行短時的信息處理，并將其加工成圖式存貯在長時記憶中。

在材料學習或問題解決過程中，學生通過對當前材料或情境的識別，將相關信息從長時記憶中提取出來并在工作記憶中進行操作。當材料或情境很復雜導致加工任務繁重時，如果沒有適宜的處理策略與有效的監控方式，學生就會耗用較多的認知資源，導致工作記憶超載，解決問題效率較低。當然，如果長時記憶中的知識沒有以良好的圖式存儲，往往會導致所需要應用的知識在提取時出現“斷鏈”或“錯位”而引發錯誤。

2 基于認知負荷理論的生物學錯誤例析

2.1 工作記憶容量的有限性與生物學錯誤

工作記憶容量的有限性可以用來解釋學生在問題解決過程中對有關信息的遺漏而引發的錯誤。例如對“脫落酸的作用”創設如下情境考查，錯誤率會很高。

【例1】某科研小組用不同濃度的脫落酸處理同種水稻種子，在相同條件下培養后測得秧苗的干重和鮮重情況如圖1所示。下列有關敘述正確的是（）

圖1 脫落酸處理后，秧苗的干重和鮮重示意

A．0.1 mg/L脫落酸對秧苗有機物的積累有促進作用

B．0.3 mg/L脫落酸處理后秧苗的干重與鮮重相等

C．0.5 mg/L脫落酸對秧苗的生長有促進作用

D．1.0 mg/L脫落酸處理后的秧苗將不能生長

在該情境中，部分學生選B項的原因是工作記憶同時需要獲取脫落酸的知識并對柱狀圖進行加工，產生了較高的認知負荷，因而對于柱狀圖中左右兩縱坐標的數值不同這一信息，工作記憶沒有足夠的認知資源將其納入并進行加工。對于此類情況，教師可以要求學生在分析具體情境時，將有關信息圈出來標記，并根據目標去搜索相關信息，以便富余更多的認知資源去整合原有知識與當前信息的聯系，有效降低錯誤的發生。

工作記憶容量有限造成認知超負荷而引起錯誤，也可以解釋圖文分離類情境中知識的運用。這是由于材料的復雜程度、材料的呈現形式使學生產生較高的認知負荷，由于學生的認知資源有限，因而從長時記憶中提取出來的相關知識難以進入工作記憶中加工處理。例如下題是要求學生運用細胞分裂的相關知識的情境題。

【例2】圖2是某二倍體動物體內細胞分裂的示意圖，曲線圖分別表示該動物細胞中一條染色體上DNA的含量變化及一個細胞中染色體組的變化。下列有關敘述正確的是（）

圖2 某二倍體動物體內細胞分裂的示意圖

A．bc段和hj可能對應同一細胞分裂圖

B．乙圖可對應于de段和hj段

C．甲、乙細胞中仍有遺傳信息的傳遞

D．基因重組的過程可發生在bc段和jk段

學生能清晰正確地認識每個圖，但考查兩個圖之間的聯系時，由于認知負荷較高而易出錯。在這種情況下，教師提示學生在每個圖上標注相關文字信息，通過整合、捆綁信息來降低認知負荷。如在甲圖旁注明有絲分裂中期，乙圖旁注明后期Ⅱ，在曲線bc、de、hj、jk段分別注明相應的時期，學生在作答時，只需比較兩圖的文字信息就可以了。

由此看來，由于工作記憶容量有限引發的錯誤并不是學生沒有學好生物學知識，而是因為在新情境中，產生的高認知負荷造成的信息加工出錯。

2.2 長時記憶中的圖式構建與生物學錯誤

圖式的構建能使松散的知識有機組塊，而降低工作記憶的負擔。高中生物學習過程中涉及大量的概念與原理，如果沒有將其建構成圖式結構，學生容易造成概念的混淆與遺忘。例如，學生很容易混淆細胞質與細胞器之間的從屬關系。

圖式的構建也會影響在問題解決過程中有關知識的遺忘和順利提取。如在下面情境中，學生如果對高爾基體具有良好的認知結構，則會顯得很簡單。

【例3】采用一定手段破壞細胞中的高爾基體，下列各項受影響最小的手段是（）

A．效應B細胞合成并分泌抗體

B．植物細胞進行有絲分裂

C．呼吸酶的合成

D．興奮在突觸處的傳遞

圖式的構建甚至可以影響學生對生物學原理的運用與策略的合理選擇。如下題是對孟德爾定律應用的考查：

【例4】果蠅直剛毛對卷剛毛為顯性，控制這對相對性狀的基因位于X染色體。果蠅缺失1條IV號染色體仍能正常生存和繁殖，缺失2條則致死。若缺失1條IV號染色體的直剛毛雄果蠅與缺失1條IV號染色體的雜合直剛毛雌果蠅雜交得到F1。下列敘述正確的是（）

A．F1雄果蠅中染色體數正常的卷剛毛占1/8

B．F1雌果蠅中缺失1條IV號染色體的直剛毛占1/2

C．F1中染色體數正常的直剛毛果蠅占1/8

D．F1中缺失1條IV號染色體的卷剛毛果蠅占1/6

通過比較學生（新手）和教師（專家）的解題過程，發現：學生往往是將F1所有個體的基因型都寫出來，并計算出每種基因型個體所占的比例，然后找出符合問題的那個個體。而教師則是根據問題，寫出求解的目標個體的基因型，再利用題目所給信息，算出該基因型的個體所占的比例。認知負荷理論認為：在新情境中，專家是通過圖式驅動來進行問題解決，而新手對情境的認知與問題解決則是基于知識與技能的數目來驅動的。因此，要發展學生的問題解決能力，教師必須讓學生經歷圖式建構過程與建構的自動化。

3 對生物學教學的啟示

學生的錯誤可以指導教師的課堂教學。根據認知負荷理論，教師可以在課堂教學中采取以下策略來減少錯誤的產生。

3.1 采用圖式教學

對于具有高度交互性的復雜內容的學習，教師應該努力讓學生構建圖式，以利于學生對整體內容的同化。例如“光合作用”所具有的知識點多，包括光合作用的概念及下屬概念、過程、實質、影響因素等，而且這些知識相互聯系密切，給學生的學習帶來較高的認知負荷。教師可以分步來處理這個內容：①向學生簡單呈現光合作用的知識框架，使學生對整體內容有簡明完整的認知；②教師根據知識框架將光合作用的學習內容有機分割成幾個學習組塊，明確其中所包含的知識點，使學生在學習過程中知道自己“在哪兒了”，并將要“去哪里”（表1）；③當學生完成每個組塊內容的學習后，要求學生豐富光合作用的知識框架，并以圖式展示學習成果（圖3），以加強知識間的聯系。

表1 “光合作用”知識框架與學習組塊表

對于含有多個知識內容的綜合復習，教師可以指導學生以概念為節點，理清概念之間的關系（從屬關系、因果關系、并列關系等），建構概念圖；可以某一知識或某一科學研究方法為核心建立知識網絡圖；也可以某一觀念去統整生物學知識等這都有助于學生在問題解決過程中提取和遷移知識。如可以“高爾基體的功能”為核心歸納形成知識網絡圖以降低例3中錯誤的發生（圖3）。

圖3 以“高爾基體功能”為核心的知識網絡圖

圖式教學不僅可以用于對學習內容的處理、加工，還可以作為樣例用于指導學生解決問題。例如，在學習“基因的自由組合定律”時，教師將每對性狀分開來思考的分析思路可以為學生在面對多對相對性狀的遺傳分析提供問題解決的樣例，從而有效降低因分析高度交互的各對性狀的遺傳所造成的對工作記憶的負荷，減少錯誤的發生。

3.2 優化學習內容的呈現方式

在生物學教學過程中，教師經常會使用圖像、動畫、實驗實踐等教學手段來呈現學習內容，將抽象、靜態、枯燥的生物學知識與技能處理得形象、有趣，以減輕學生的工作記憶負荷，增加關聯認知負荷，促進學生對知識與技能的理解與掌握。但需要注意的是，教師在采用圖像進行教學時，需將文字信息和圖像捆綁在一起，否則會因圖像與文字在時空上的分離而產生注意分散效應，增加學生的認知負荷，造成其學習困難。如在學習各種植物激素的產生（存在）部位與功能時，可以呈現一個植物，然后在該植物的根、莖、葉等器官（部位）上標注相應的激素。

邁耶對多媒體教學中減少認知負荷提出了他的建議：采用視覺和聽覺雙通道；剔除與學習內容無關的有趣材料，盡量使學習內容的呈現簡潔、明了、有條理；對關鍵信息進行字體和顏色的選擇等。例如在學習“動物細胞的有絲分裂”時，教師利用多媒體展示動畫并講解，在動畫中對“染色體”“著絲?！薄案鲿r期名稱”等關鍵信息進行閃爍標記。講解完畢后，要求學生在動畫下方寫出細胞分裂各時期的典型特征。

3.3 培養學生對認知負荷的元認知監控能力

根據瓦爾克的觀點，元認知監控是用來監控圖式構建和存貯的元認知活動，是關聯認知負荷的一種，能顯著提高學生對原理的掌握及知識的遷移。在復雜內容的學習過程中，教師可以通過設置一些元認知的提示性問題來實現對認知負荷的元認知監控。如在學習“遺傳信息的表達”后，教師可讓學生對以下問題進行自我檢查：我能用簡潔的語言描述遺傳信息的表達過程嗎？（用來考查學生對知識的掌握情況）我在學習過程中有新的問題產生或沒有完全理解的內容嗎？（用來考查學生質疑、探究的能力）是什么原因使自己沒有理解？接下來我應該怎么行動？（用來考查學生的問題解決能力）

在問題解決過程中，對認知負荷的元認知監控可以有效地減少因認知資源不足而產生的錯誤。教師也同樣可以設置一些元認知的提示性問題來實現問題解決過程中對認知負荷的元認知監控。例如：我有沒有將相關信息標注于圖中？（避免注意分散效應）我有沒有將關鍵信息用顏色或下劃線等手段將其標記？（標記效應）在有許多干擾信息時，我將無關信息剔除了嗎？我用什么知識來解決問題？……

對認知負荷的元認知監控能控制學生的工作記憶負荷，增加關聯認知負荷，實現學生對材料的學習與具體問題解決過程進行有意識的監控活動。

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